科学家发现土星上存在巨大的能量失衡

熊明青

土星的能量不平衡。来源：美国国家航空航天局/喷气推进实验室

据休斯顿大学（Bryan Luhn）：休斯顿大学研究人员的一项发现揭示了土星上的巨大能量失衡，为行星科学和进化提供了新的线索，并挑战了太阳系气态巨星的现有气候模型。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

UH自然科学与数学学院物理学教授李黎明说：“这是第一次在一个气体巨人身上观察到季节性的全球能源失衡。”。“这不仅让我们对行星的形成和演化有了新的认识，还改变了我们对行星和大气科学的思考方式。”

NSM地球与大气科学系三年级博士生王新跃利用卡西尼号探测器任务的数据，发现土星上存在严重的、以前未知的季节性能量失衡。

王说：“每一颗行星都以太阳辐射的形式从太阳获得能量，并通过发射热辐射而损失能量。”。“但土星和其他气态巨星一样，还有另一种能量输入，即影响其热结构和气候的深层内部热量。”

这种不平衡是由于土星的轨道离心率很大，从远日点（轨道上离太阳最远的点）到近日点（轨道中离太阳最近的点），离心率变化了近20%，导致吸收的太阳能季节性变化巨大。与土星不同，地球由于轨道离心率很小，不会出现显著的季节性能量不平衡。

大气科学教授蒋迅说：“地球确实有可测量的能源预算，但它主要由吸收的太阳能和释放的热能决定。”。“地球的内部热量可以忽略不计，与土星上长达数年的季节相比，它的季节只持续几个月。”

数据还表明，土星不平衡的能量预算在大风暴的发展中起着关键作用，大风暴是土星大气系统中的主要天气现象。这些数据也可能为地球上的天气提供一些见解。

王说：“据我们所知，能源预算在地球上潮湿对流风暴发展中的作用尚未得到充分研究，因此我们也计划对此进行调查，看看是否存在联系。”。



卡西尼号太空探测器观测土星的动画。来源：休斯顿大学

卡西尼号任务是美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局之间的一项雄心勃勃的合作计划，于1997年发射，探索土星及其环和卫星近20年。李教授被选为参与监测土星辐射能预算的三个机载仪器的科学家。

王和其他研究生Larry Guan（物理学）、Thishan D.Karandana G和Ronald Albright（地球与大气科学）在李和江教授的指导下进行了这项研究。

王说：“在目前关于大气、气候和天然气巨头进化的模型和理论中，全球能源预算被认为是平衡的。”。“但我们认为，我们对这种季节性能源失衡的发现需要重新评估这些模型和理论。”

李的团队现在将目光投向了其他气态巨星，包括天王星，计划在未来十年内进行旗舰探测任务。

王说：“我们的数据表明，这些行星也将存在严重的能量失衡，尤其是天王星，我们预测，由于其轨道离心率和极高的倾角，天王星将具有最强的失衡。”。“我们现在正在调查的将确定当前观测的局限性，并制定可测试的假设，这将有利于未来的旗舰任务。”

除了UH的研究人员外，该研究的作者还包括来自美国国家航空航天局、威斯康星大学、马里兰大学、中佛罗里达大学和加州大学圣克鲁斯分校的科学家，以及来自法国和西班牙的科学家。