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橫越土星的噴射氣流是水汽凝結釋出能量驅動的結果

2012/07/14 | | 標籤:

圖中箭頭所指是東西向橫越土星大氣的噴射氣流(jet stream),氣流風速比其他地方快了許多。多年來,科學家嘗試瞭解造成土星大氣這些波浪狀結構的機制和噴流的起源。

目前已知像土星和木星這類行星的大氣層,只能從兩處取得能量,一是太陽,二是它們自己的內部。在最新一期icarus期刊中,美國航太總署(NASA)哥達德太空研究所(Goddard Institute for Space Studie)Tony Del Genio等人利用卡西尼號太空船(Cassini)數年來所拍攝的土星影像,發現似乎是來自行星內部的熱能給了噴流能量,才使它們得以高速飛奔。當被來自土星內部能量加熱的水逐漸冷卻凝結時,會造成土星大氣有溫度差異。這個溫差造成大氣產生渦流,即使空氣在幾乎同一緯度來回移動的擾動。正是這些渦流使噴射氣流得以加速,就像是轉動的齒輪帶動傳輸帶移動。

另一個理論版本認為溫差的能量來源來自太陽,就像是陽光不均等的照射地球大氣所造成的溫差現象一樣。Del Genio表示:由於卡西尼號已經環繞土星數年,取得大量土星大氣每日細微的變化模式資料,科學家們現在終於得以辨別土星大氣與地球或其他行星大氣的異同。

與地球擁有不厚的大氣與固態和液態覆蓋的表面不同,土星是顆所謂的氣體巨行星(gas giant),大氣層非常深厚,在大氣高層處,此處雲層成層狀,層層疊疊覆蓋其上。其表面有數道肉眼即可見的噴射氣流橫越,且其高度剛好利用卡西尼號上所載相機以近紅外波段觀測也可以偵測到。絕大部分噴射氣流是向東吹的,僅少數向西。噴射氣流通常位在溫度差異非常明顯的不同緯度之間。

從卡西尼號的近紅外濾鏡資料,科學家首度可在兩個不同高度觀察噴射氣流形成與變化過程。其中一個濾鏡景象顯示的是土星大氣對流層的上層部分,此處聚集非常濃而厚的霾,且被陽光強烈加熱。另一個濾鏡則則是捕捉更深處的影像,大約在氨冰雲曾的頂端,此處的陽光加熱效果很微弱,但比較靠近土星天氣系統源起之處。這裡就是水汽凝結成雲或成雨的地方。

在Del Genio等人的最新研究中,他們接續2007年相關論文,利用雲係自動追蹤軟體來分析卡西尼號從2005年到2012年所拍攝的數百幅影像中,雲系的運動和移動速度。他們從其中的560幅,共獲得近120,000個風場向量,由此可得土星全球大氣的風場概況,更進一步可取得噴射氣流的發生機制。

他們清楚地看到不同高度的渦流加速噴射氣流,其中高度較高的渦流比較微弱,這裡是科學家先前認為主要受太陽加熱之處。相較之下,在大氣較深層的渦流則比較強。因此,Del Genio等人認為,噴射氣流的加速機制,主要來自土星內部的熱源,而非太陽。而且,與觀測資料最符合的土星內部熱源,就是來自土星內部的水汽,當空氣上升過程中,水汽逐漸冷卻凝結成雲並降雨時,會將原本所含有的熱量釋放出來,就像是地球夏天雨後雷陣雨之前會感到很悶熱一樣。這些水汽凝結所釋出的熱能轉而成為製造渦流的能量,渦流又是驅使噴射氣流加速的動力來源。

不過,科學家並未真正觀察到土星大氣中水汽凝結的過程,因為這個過程發生於卡西尼號無法觀察到的低層大氣中。但這種凝結過程的確在土星和地球的中緯度都會發生。不過地球上的風暴,即天氣圖上的低壓或高壓中心,主要受到太陽加熱驅動而生成,而非水汽凝結。而土星上的風暴,水汽凝結卻是主要動力來源,太陽加熱只是配角。

資料來源:Cassini Shows Why Jet Streams Cross-Cut Saturn[2012.06.25]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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