2022年11月JWST MIRI/MRS对土星观测的蒙太奇，需要四个瓦片来研究土星的北半球和环。MIRI主要对温度敏感;土星的颜色由蓝色(11.6μm，探测平流层温度)、绿色(10.1μm，探测对流层上层温度)和红色(10.3μm，探测对流层下层温度)组成，使用的是MIRI的MRS频道2。这些环使用不同的滤光片组合:来自MRS通道3的蓝色(13.5μm)、绿色(14.6μm)和红色(15.5μm)，可以提供更宽的视野。在背景中显示的是哈勃望远镜在2022年9月获得的可见光观测结果，以便进行比较。图片来源:NASA, ESA和Amy Simon (NASA- gsfc);图像处理:Alyssa Pagan (STScI)
莱斯特大学行星科学家使用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)对这颗著名的环状行星的观测。
一组行星科学家发现，土星北部的夏末正在经历一种冷却趋势，因为随着秋天的临近，巨大的行星尺度的气流方向发生了逆转。
新的观测结果也提供了对土星北极的最后一瞥，那里充满了碳氢化合物气体的巨大温暖漩涡，在北极开始退去到极地冬季的黑暗之前。
这份行星际天气报告是由莱斯特大学领导的一个团队从JWST分析的新图像，并发表在JGR:行星上。它们为这颗以冰环闻名的巨大外行星的季节变化提供了新的见解。
像地球一样，土星也有一个轴向倾斜，以同样的方式经历季节。然而，土星绕太阳公转需要30年，所以季节持续7.5个地球年。两个世界的北半球夏季都即将结束。当地球在9月走向北秋分时，土星将在2025年走向北秋分，这意味着两颗行星的北极都将进入长时间的极地冬季。
工具和发现
莱斯特大学的研究小组使用JWST上的中红外仪器(MIRI)来研究土星的红外光大气，这使他们能够测量温度、气体丰度以及从翻腾的云顶到大气层高处被称为平流层的云层。MIRI仪器将红外光分解成其组成波长，使科学家能够看到行星大气中丰富多样的化学物质的指纹。
在这张由MIRI观测到的几个波长组合而成的图像中，北极明亮的热发射以蓝色突出。卡西尼号首次观测到的温暖的1500公里宽的北极气旋(NPC)可以在北极看到。它被一个更广阔的温暖气体区域所包围，这个区域被称为北极平流层涡旋(NPSV)，它形成于土星的春天，并持续到整个北方的夏天。
这些是位于平流层高处的温暖漩涡，在土星漫长的夏季被太阳的温暖加热。随着2025年秋分的临近，北极平流层涡旋将开始降温，并随着北半球进入秋天的黑暗而消失。
2022年11月JWST MIRI/MRS对土星观测的动画，展示了土星在不同波长下的外观变化。黄色代表土星大气中明亮和温暖的部分，而紫色区域则更冷、更暗。明亮的北极涡旋在平流层的波长中清晰地显示出来，而土星的带状外观在对流层的波长中更加明显。由于衍射，图像的空间分辨率在较长波长处变差。在背景中显示的是哈勃望远镜在2022年9月获得的可见光观测结果，以便进行比较。图片来源:NASA, ESA和Amy Simon (NASA- gsfc);图像处理:Alyssa Pagan (STScI)
比较观察与见解
通过对中红外光谱进行建模，科学家们注意到，在土星季节周期的这个特定时刻，平流层温度和气体的分布与卡西尼号在北部冬季和春季观测到的情况大不相同。土星有一个大尺度的平流层环流模式，温度更高，冬季中纬度北部有多余的碳氢化合物，如乙烷和乙炔，这意味着富含碳氢化合物的空气从上方下沉。人们认为，空气在南部夏季中纬度地区上升，穿过赤道，下沉到北部冬季中纬度地区。
2022年11月拍摄的MIRI中分辨率光谱仪结果显示，平流层环流现在已经逆转，在北纬10度至40度之间，平流层温度较低，碳氢化合物丰度较低，表明夏季缺乏碳氢化合物的空气上涌，然后向南流动。
专家评论
莱斯特大学物理与天文学院的利·弗莱彻教授说:“来自JWST的新数据的质量简直令人叹为观止——在一组简短的观测中，我们已经能够将卡西尼号任务的遗产延续到一个全新的土星季节，观察天气模式和大气环流如何对不断变化的阳光做出反应。”
“JWST可以看到任何以前的航天器都无法看到的光的波长，产生一个精致的数据集，刺激了未来几年的胃口。对土星的这项工作只是对所有四颗巨行星进行观测的第一个项目，而JWST提供的能力超出了我们过去所拥有的任何能力——如果我们能从对一个世界的一次观测中获得如此多的新发现，想象一下等待我们的是什么发现?”
土星被选为JWST的早期目标，以测试其能力。莱斯特大学物理与天文学院的博士后研究员奥利弗·金博士解释说:“因为它又大又亮，旋转着，在天空中移动，这对MIRI仪器的小视野提出了挑战——MIRI在任何时候都只能看到土星的一小块区域，我们有使探测器饱和的风险，因为这颗行星与JWST的常规目标相比太亮了。”观察结果分为三个部分，从赤道到北极，然后到环，最后一个部分。”
弗莱彻教授补充说:“我们在8年前就开始设计这些土星观测，所以当第一批数据在2022年底登陆时，这无疑是一个职业生涯的亮点:莱斯特大学的行星科学家团队挤在电脑屏幕前，对新数据的质量感到惊讶，也许还会喝点气泡酒来庆祝。”如果没有更广泛的专家团队为土星计划做出贡献，特别是太空望远镜的人们，他们在我们应对全新望远镜的所有挑战时忍受了我们无休止的问题和问题，这是不可能的。
“以前从来没有航天器来探索土星北部的夏末和秋季，所以我们希望这只是一个起点，JWST可以在未来十年继续卡西尼的遗产。”
参考文献:《JWST/MIRI揭示的北半球夏季土星大气》，作者:Leigh N. Fletcher、Oliver R. T. King、Jake Harkett、Heidi B. Hammel、Michael T. Roman、Henrik Melin、Matthew M. Hedman、Julianne I. Moses、Sandrine Guerlet、Stefanie N. Milam和Matthew S. tisscareno, 2023年9月12日，《地球物理研究杂志:行星》。je007924 DOI: 10.1029/2023
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