太阳系的天气可以让我们了解外行星的天气

汪雨甘捍

这是一个艺术家对附近系外行星LTT 1445Ac的概念，它是一个地球大小的世界。这颗行星围绕一颗红矮星运行。这颗恒星位于一个三重星系中，在右上角可以看到两颗紧密环绕的红矮星。前景恒星前面的黑点是行星LTT 1445Ab，穿过恒星表面。鸣谢:美国国家航空航天局、欧空局、l .胡斯塔克(STScI)

（）据《今日宇宙》（斯科特·阿兰·约翰斯通）：天文学家研究我们太阳系中的行星的方式与他们研究系外行星的方式惊人地相似，尽管后者要远几个数量级。关键是光谱学——检测从行星大气层到达望远镜的光的波长。不同的分子允许不同的波长通过，在光谱中创建独特的模式，并为科学家提供关于大气组成的线索。

当然，对于附近的行星，我们可以通过访问它们来获得更多细节——但这既昂贵又困难——例如，自1986年旅行者2号以来，我们就没有访问过天王星，所以对于所有意图和目的来说，今天研究天王星的方式与研究系外行星一样:用望远镜。

最近对我们太阳系和其他地方的行星大气层的回顾，揭示了我们太阳系天气令人难以置信的复杂性和多样性，以及我们可能期望在其他恒星周围发现的东西——但也揭示了我们对近邻的不了解:有许多未知。这篇评论发表在《天文学和天体物理学评论》上。

所以让我们来一次天气预报员的太阳系之旅:

我们跳过了水星——当你离太阳那么近的时候，没有什么大气可言。

但是金星有大气层，而且不是无精打采的。金星的温室气体大杂烩似乎含有不同水平的二氧化硫。行星科学家提出理论，但还不能证明这是地表活跃火山活动的结果。

金星最近还用指示生命的分子磷化氢的前景吸引了天文学界——这个结果现在有疑问，但仍然悬而未决。更广泛地说，天文学家已经了解到地球的大气并不均匀。它在不同的高度有独特的层次，有些是厚厚的云层，有些则更加模糊多变。在其中一个密度较高的层中，有一个令人困惑的特征，它吸收紫外蓝光，导致极度加热。

天文学家很想近距离看看是什么导致了这种吸收:目前，这还是个谜。

向外走，我们来到了火星，除了地球之外，它拥有太阳系中最广为人知的天气模式。它的大气层是一层薄薄的二氧化碳，偶尔会产生细小的水基云。

雾有时会在火星的冬天，或黎明和黄昏时形成，甚至会像地球上的霜一样沉淀下来。但是火星并不总是平静的。它经常出现剧烈的全球沙尘暴，就像2018年杀死美国国家航空航天局机遇号火星车的那次。大气中的过氧化氢和甲烷似乎也有季节性的变化，暗示着微生物存在的可能性。

木星是下一个，它的彩色条纹揭示了其大气的混乱本质。浅色条纹出现在气体从下面上升的地方，而深色区域显示下沉的空气。像大红斑这样的巨型风暴搅动了大片区域，而在其他地方，氨霾凝结成雪泥和冰雹，将分子深深吸入大气层内部。

土星也有巨大的风暴(称为大白点)，尽管它们似乎只在北半球形成。天文学家想知道，从长远来看，它们是否也会在南方形成。土星温和、均匀的颜色(与木星相比)很大程度上是因为土星的大气层“更高”,更不致密，在整体上形成了一个朦胧的层，隐藏了其中的复杂性。

我们也需要在土星的卫星泰坦停下来，它富含氮的大气与地球相似。凝结的甲烷云在这里形成，下雨回到表面，汇集在浅水湖泊中。天文学家很想了解更多关于泰坦的天气循环，包括雷暴的真实可能性。

最后，天王星和海王星都有氢气和氦气的大气层，但它们并不相同。海王星辐射热量，而天王星处于平衡状态:它似乎已经耗尽了任何内部能量，几乎没有对流活动。然而，两者都有季节性变化，长期研究将有助于理解这些变化。

那么这和系外行星有什么关系呢？

我们来之不易的关于太阳系行星的知识让我们能够精确地模拟天气模式和流体动力学——更重要的是，看到我们的模型有哪些不足。例如，木星的特征比天气模型最初预测的更复杂。这些模型没有考虑到化学成分的混合——这是在将简单的天气模型应用到更遥远的世界之前需要学习的重要一课。

外气态巨行星的行为应该像木星和土星一样，有大量的氢和氦，但内部也有重金属。但是对于所谓的“热木星”还有另外的考虑，热木星的轨道更靠近它们的恒星，因此在热条件方面表现不同。幸运的是，热木星是最容易获得良好数据的系外行星之一，当结合我们对自己的木星的了解，它们已经得到了相当好的理解。

现在人们越来越感兴趣的是“超级地球”和“迷你海王星”的行为，这是一种在我们的太阳系中没有见过的中型行星。这些行星有大气层吗？如果是的话，我们能学会他们的作文吗？

了解如此大小的行星的部分挑战是可能存在气溶胶，气溶胶会产生模糊层，就像金星上的那些一样，模糊了化学成分数据。气溶胶使光谱学变得困难，因此描述这些行星上的天气模式可能是一个挑战。这就是了解金星如此重要的原因，太空机构已经把拜访它作为未来几年的首要任务。

至少自20世纪80年代以来，我们近距离研究行星的能力中明显忽略了太阳系的冰巨人。因此，相对而言，我们对外行星知之甚少，最近这篇综述的作者认为，外行星的任务应该成为未来几年的优先事项——不仅仅是为了了解天王星和海王星，而且这样我们也可以了解它们的外行星同行。

评论的最后一个结论是关于行星科学家和系外行星专家之间不断变化的关系。目前，研究太阳系让我们对系外行星有了更多的期待。

但是随着我们收集更多的系外行星数据，知识的流向可能会逆转。研究更多的系外行星将会告诉我们更多关于我们太阳系的行星在更广泛的银河系人口中的位置。

因此，太阳系和系外行星研究人员之间的合作将变得更加有趣。