揭曉天王星不為人知的極地氣旋

由微波觀測窺探這顆異類的第七行星的大氣動力學。

朱諾號（Juno）探測過木星（Jupiter），卡西尼號（Cassini）探測過土星（Saturn），即使是微小的冥王星也曾被新視野號（New Horizons）探測過。但是太陽系的冰巨行星（ice giants），天王星（Uranus）和海王星（Neptune），卻被冷落了。自航海家2號（Voyager 2）以來，或在它之前，這兩顆行星都沒有被任何太空探測器考察過，前者於1986年飛掠，而後者於1989年飛掠。

航海家2號拍攝到了令人驚嘆的外行星照片：木星斑駁的風暴表面、土星高雅的斑紋和時髦的行星環，以及海王星迷人的藍色漩渦。相比之下，它對天王星的影像並沒有什麼值得一看的。如圖1左圖所示，這顆第七行星呈現出一個暗淡、蒼白的球體，就像一個普通而毫無特色的乒乓球。

圖1. 淡藍色圓點。當航海家2號在1986年飛掠天王星時，它傳回了這顆行星外層甲烷雲的可見光照片，如左圖所示。此後的幾十年裡，地球上的較長波長觀測已經進行了更深入的探索，並揭示了這顆行星不為人知的複雜結構。右圖是一張新的微波影像，顯示了天王星北極地區的一個氣旋跡象。（左圖由 NASA / JPL-Caltech加州理工學院 提供；右圖由 NASA/JPL-Caltech/VLA 提供。）

然而事實證明，“無趣”只是表像。航海家2號的可見光影像顯示了天王星表面的甲烷雲層。自飛掠行星以來的幾十年裡，研究人員透過在更長的波長下對其進行成像，對這顆行星進行了更深入的研究，他們發現在樸素的外表之下潛藏著一個複雜而動態的大氣層。現在，美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室（NASA’s Jet Propulsion Laboratory, JPL）的亞歷克斯·艾金斯（Alex Akins）和同事們已經使用極大陣列（the Very Large Array, VLA）——一個由28個無線電天線（一個是備用）組成的中隊（squadron），分佈在新墨西哥州西部平原上數十公里範圍內——對天王星進行了波長從0.7公分到5公分的成像。而他們揭露了一個氣旋環繞著行星北極的明顯跡象。¹

極地氣旋存在於地球，以及太陽系中所有其他具有大氣層的行星上。但天王星非常不尋常，以至於人們不一定預期會在那裡看到氣旋。艾金斯說：「在比較行星學（comparative planetology）中，我們感興趣的是不同條件下行星系統中有什麼變化，以及有什麼保持不變。」「因此，對每顆擁有豐富大氣的行星上極地氣旋的觀察告訴我們，極地氣旋很可能也存在於許多系外行星上。」

傾斜的季節

艾金斯及其同事的微波影像，包括圖1右側中的影像，顯示天王星北極幾乎正對著地球。在地球上的望遠鏡是能觀測到，是因為天王星擁有特殊的軌道幾何結構。與大多數其他行星的自轉軸至少大致平行於其軌道軸不同，天王星看起來像是被側向撞擊過一樣。在其84個地球年的軌道運行期間，它的兩極輪流徑直指向太陽和地球。

這種軌道結構還可能牽動了天王星上的季節和大氣動力學。在地球和類似的行星上，極區較赤道冷是因為它們接收到的直射陽光較少。由於熱失衡，熱空氣在赤道升起，漂移到更高的緯度，然後下沉。當這種對流循環與地球自轉相互作用時，就會產生壓力和盛行風的模式，包括北極和南極的極地渦旋，這些模式主導著我們當地的天氣和氣候。（參見Thomas Birner托馬斯·伯納、Sean Davis肖恩·戴維斯 和Dian Seidel黛安·賽德爾 的文章，《Physics Today》，December 2014, page 38。）

然而，在天王星上，一切都不同了。在一年的平均時間內，兩極比赤道獲得的陽光更多，而不是較少。另一方面，天王星距太陽的距離是地球距太陽的20倍，因此它接收到的陽光僅為地球的1/400。這可能不足以引發顯著的季節性或地區性差異。

最近一次的天王星二分點（equinox）是在2007年。當前的北半球春季是自1965年以來北極首次從地球可見的時候，也是自南極在2000年代初淡出人們的視野後，天文學家首次有機會好好觀察兩極。

微波天文學的水準在過去的數十年裡有了很大提升，包括VLA，如圖2所示，該陣列於2012年完成了一次重大升級2。艾金斯及其同事們的新影像以比以前更多的細節展示北極地區，並且他們新近能夠解析極地氣旋：恰好位在極點的小亮點，被北緯約80°處稍暗的領口圍繞著。研究人員推斷出這些特徵源於氣旋中心的溫度壓力模式，類似於地球颶風的風眼。

圖2. 無線電編隊。位於新墨西哥州阿爾伯克基（Albuquerque）之外約兩小時車程的VLA，是世界上一流的無線電和微波頻率天文學觀測站之一。由於它的所有無線電天線都瞄準天空上的同一位置，該陣列可以捕獲圖像的精緻細節，甚至可以解析我們太陽系外行星的特徵。（由在NRAO, National Radio Astronomy Observatory美國國家電波天文台 /AUI, Associated Universities, Inc. 聯合大學公司 / NSF, National Science Foundation美國國家科學基金會 的T. Burchell T·伯切爾提供。）

回歸

新的影像中並非所有內容都是新的。VLA自1980年起就一直全面運作，儘管其頻寬和解析度比近年來要低，而且對天王星的微波觀測可以追溯到遠至接近一半天王星年的時候。它們一直都顯示出與艾金斯及其同事的影像中占主導地位的相同特徵，並被視為天王星大氣環流的眾多謎團之一：緯度高於約45°北緯或南緯的廣闊極區，發出比赤道地區更亮的光。

微波成像記錄的是熱輻射，而不是反射光。因此，天王星極區可能比赤道更亮的原因之一是它們更熱。畢竟，他們確實接收到更多的陽光。但這種解釋並不令人滿意，因為無論天王星的季節，亮度的反差都會持續存在，即使對於剛剛走出隆冬的極點來說也是如此。而要產生對比度所需的溫差（數十個克耳文），在任何情況下都難以解釋。

極區的亮度也可能是化學成分差異的後果。天王星被稱為冰巨星，是因為它富含形成冰的物質，例如水、氨和甲烷，那些物質並非必然是以固態形式存在，而不像木星和土星那樣以氫和氦為主宰的氣態巨行星。這種化學多樣性使大氣具有複雜的分層結構，底部是水雲，頂部是甲烷雲。但各地的分層可能不盡相同。

甲烷對微波的吸收不強，但大氣深處的氣體，例如氨和硫化氫，會強烈地吸收微波。如果那些低層吸收物質以某種方式被攪動到赤道附近的更高海拔，它們可能會阻擋微波散發，並使該地區顯得較暗。艾金斯說：「這些觀測結果與一個簡易的大氣環流模型一致，即空氣在低緯度處上升，而在高緯度處下沉。」這樣的環流模式在地球上很熟悉，因為地球有溫暖的赤道和寒冷的兩極，但在天王星上如何出現相同的現象還不太清楚。他補充說：「我們不太確定是什麼原因引起的，特別是因為日照非常弱。」「我希望這社會有更多人對天王星感到興奮，並能夠協助提供一些答案。」

另一場冒險

隨著天王星北半球春季過渡到夏季，留意極地氣旋可以提供有價值的新見解，了解在連續42年的黑暗過後極地大氣的行為方式，以及天王星大氣中是否存在季節性影響。儘管現在下結論還為時過早，但艾金斯和同事們已經看到了表明氣旋在太陽照射下的短暫時間內可能有所增強的跡象。

但歸根結底，從地球進行的觀測只能做這麼多。它們在解析度和光譜頻寬方面受到限制，並且無法達到對天王星深層水雲成像所需的米級波長。要真正揭開天王星大氣層的謎團，很可能有必要再次近距離觀察。

令第七行星愛好者高興的是，美國國家學院（the National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine）於2022年4月發布的最新行星科學十年調查將天王星軌道飛行器和探測器視為最優先的旗艦任務。該議案本身並不能保證該項目會取得成果，但它是個好兆頭。上一次調查的首要兩個優先項目——火星樣本取回任務和歐羅巴快船（the Europa Clipper）——都得到了資助，計劃在未來幾年內發射。

對於天王星的科學研究來說，時機至關重要。如果在2031年或2032年發射，前往天王星的太空船可以利用木星的重力助推，僅需13年就能抵達目的地。如果晚些時候發射，它的旅程將需要更長的時間。

參考資料
1. A. Akins et al, Geophys. Res. Lett. 50, e2023GL102872 (2023). https://doi.org/10.1029/2023GL102872 Crossref
2. R. A. Perley et al, Astrophys. J. Lett. 739, L1 (2011). https://doi.org/10.1088/2041-8205/739/1/L1 Crossref
3. T. Birner, S. M. Davis, D. J. Seidel, Physics Today 67(12), 38 (2014). https://doi.org/10.1063/PT.3.2620 Crossref

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Aug. 2023雜誌內 (Physics Today 76,8, 14–16(2023); https://doi.org/10.1063/PT.3.5285)。原文作者：Johanna Miller。中文編譯：劉雨恩，國立台灣大學物理系學生。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Johanna Miller and was published in (Physics Today 76,8, 14–16(2023); https://doi.org/10.1063/PT.3.5285). The article in Mandarin is translated and edited by Y. Ｅ, Liu, studying at the Department of Physics, National Taiwan University.