海王星消失的云层与太阳周期有关

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据美国宇航局：天文学家发现了海王星变化的云丰度和11年的太阳周期之间的联系，在太阳周期中，太阳纠缠磁场的消长驱动着太阳活动。

这一发现是基于美国宇航局的哈勃太空望远镜和夏威夷的W. M .凯克天文台三十年来对海王星的观测，以及来自加利福尼亚州利克天文台的数据。



一系列八张海王星的图像:四张在图像的上半部分，四张在图像的下半部分。这颗行星看起来像一个深蓝色的球体，点缀着明亮的白色斑块。哈勃太空望远镜拍摄的这一系列图像记录了海王星上云层数量的消长。这一长串观察表明，在太阳周期的高峰之后，云的数量越来越多——太阳的活动水平在11年的时间里有节奏地上升和下降。化学变化是由光化学引起的，光化学发生在海王星的高层大气中，形成云需要时间。1989年，美国宇航局的旅行者2号飞船首次提供了线性明亮云的特写图像，让人想起地球上的卷云，在海王星的大气层中看到。它们形成于海王星大气中的大部分甲烷之上，反射所有颜色的阳光，这使得它们是白色的。哈勃每年持续观察这颗行星，从旅行者号短暂飞越的地方继续前进。致谢:美国国家航空航天局、欧空局、艾兰迪·查韦斯(加州大学伯克利分校)、伊姆克·德·佩特(加州大学伯克利分校)

海王星和太阳活动之间的联系令行星科学家感到惊讶，因为海王星是我们太阳系中最远的主要行星，接收的阳光强度约为地球的0.1%。然而，海王星的全球多云天气似乎是由太阳活动驱动的，而不是地球的四季，每个季节持续约40年。

目前，在海王星上看到的云层覆盖率极低，只有一些云层盘旋在这颗巨大行星的南极上空。一个由加州大学伯克利分校(UC Berkeley)领导的天文学家团队发现，通常在冰冷巨人中纬度看到的丰富云量在2019年开始消退。

“我很惊讶海王星上的云消失得如此之快，”加州大学伯克利分校天文学名誉教授兼该研究的高级作者Imke de Pater说。“我们基本上看到云活动在几个月内下降了，”她说。

“即使是现在，四年后，我们在去年6月拍摄的最新图像仍然显示云层没有回到以前的水平，”马萨诸塞州剑桥市哈佛史密森尼天体物理中心(CfA)的研究生Erandi Chavez说，她在加州大学伯克利分校读本科天文学时领导了这项研究。“这是非常令人兴奋和意想不到的，特别是因为海王星以前的低云活动期并不那么引人注目和持久。”

为了监测海王星外观的演变，查韦斯和她的团队分析了2002年至2022年拍摄的凯克天文台图像，1994年开始的哈勃太空望远镜档案观测，以及2018年至2019年加州利克天文台的数据。

近年来，凯克观测得到了作为阴阳魔界计划和哈勃外行星大气遗产(OPAL)计划的一部分拍摄的图像的补充。

这些图像揭示了海王星云层季节性变化和太阳周期之间的一种有趣模式——太阳磁场每11年翻转一次，因为它变得更像一个纱线球。这从太阳黑子数量的增加和太阳耀斑活动的增加中可以明显看出。随着周期的进展，太阳的狂暴行为发展到最大，直到磁场下沉并反转极性。然后太阳落山到最低点，开始另一个周期。



哈勃太空望远镜拍摄的这一系列图像记录了海王星上云层数量的消长。这一组近30年的观察表明，随着太阳周期的高峰——太阳活动水平在11年期间有节奏地上升和下降——云的数量越来越多。太阳的紫外线辐射水平标在纵轴上。从1994年到2022年的11年周期沿着底部绘制。沿着顶部的哈勃观测清楚地显示了云量和太阳活动峰值之间的相关性。化学变化是由光化学引起的，光化学发生在海王星的高层大气中，形成云需要时间。
致谢:美国国家航空航天局、欧空局、LASP、Erandi Chavez(加州大学伯克利分校)、Imke de Pater(加州大学伯克利分校)

当太阳处于暴风雨天气时，更强烈的紫外线(UV)辐射淹没了太阳系。研究小组发现，太阳活动周期高峰两年后，越来越多的云出现在海王星上。研究小组进一步发现，云层的数量和冰巨人反射阳光的亮度之间存在正相关关系。

“这些非凡的数据给了我们迄今为止最有力的证据，证明海王星的云层覆盖与太阳周期相关，”德·佩特说。“我们的发现支持这样的理论，即当太阳的紫外线足够强时，可能会引发产生海王星云的光化学反应。”

科学家们通过观察29年间海王星观测记录的2.5个周期的云活动，发现了太阳周期和海王星多云天气模式之间的联系。在此期间，行星的反射率在2002年增加，然后在2007年变暗。海王星在2015年再次变得明亮，然后在2020年变暗到有史以来观测到的最低水平，这是大多数云消失的时候。

太阳引起的海王星亮度的变化似乎与行星上云的来去相对同步。然而，在太阳周期的高峰期和海王星上看到的大量云层之间有两年的时间间隔。化学变化是由光化学作用引起的，光化学作用发生在海王星的高层大气中，形成云需要时间。

“能够使用地球上的望远镜来研究距离我们超过25亿英里的世界的气候是一件令人着迷的事情，”凯克天文台的天文学家兼该研究的合著者卡洛斯·阿尔瓦雷斯说。“技术和观测的进步使我们能够约束海王星的大气模型，这是理解冰巨人气候和太阳周期之间相关性的关键。”

然而，还需要做更多的工作。例如，虽然紫外线阳光的增加可能产生更多的云和薄雾，但它也可能使它们变暗，从而降低海王星的整体亮度。海王星上从深层大气升起的风暴会影响云层，但与光化学产生的云无关，因此可能会使与太阳周期的相关性研究变得复杂。还需要继续观测海王星，看看目前几乎没有云的情况会持续多久。

研究小组继续跟踪海王星的云活动。“我们在最近的凯克图像中看到了更多的云，这些图像是在美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜观察这颗行星的同时拍摄的；这些云特别是在北纬度和高海拔地区被看到，正如在过去大约两年中观测到的太阳紫外线通量增加所预期的那样，”de Pater说。

来自哈勃、韦伯太空望远镜、凯克天文台和利克天文台的综合数据将有助于进一步研究导致海王星动态外观的物理和化学，这反过来可能有助于加深天文学家对海王星和系外行星的了解，因为我们太阳系以外的许多行星被认为具有类似海王星的质量。

这些发现发表在《伊卡洛斯》杂志上。

哈勃太空望远镜是美国宇航局和欧洲航天局之间的国际合作项目。位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心负责管理这台望远镜。位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃太空望远镜的科学操作。STScI由位于华盛顿特区的大学天文学研究协会为美国航天局运作。