VLA带来土星百年风暴的最新消息

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翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

doi:10.1126/sciadv.adg9419

甚大天线阵（VeryLargeArray，缩写VLA）是由27台25米口径的天线组成的射电望远镜阵列，位于美国新墨西哥州的圣阿古斯丁平原上，海拔2124米，是世界上最大的综合孔径射电望远镜。

VLA每个天线重230吨，架设在铁轨上，可以移动，所有天线呈Y形排列，分布在三条臂上，每臂长21千米，组合成的最长基线可达36千米。

图片来源：TheNationalRadioAstronomyObservatory

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平常，土星的大气层在肉眼看来就是模糊的一片，什么都看不清。尤其是与木星颜色丰富多彩的壮丽大气层对比，土星显得十分草率。但是，当我们用无线电观察它时，土星的大气层照片就会发生变化。尽管在可见波长上看起来很平淡，但土星上不同纬度的无线电波是它变身的秘密。2015年，根据从VLA获得的土星空间分辨无线电图像，天文学家们发现土星大气层亮度和温度的变化与纬度和无线电波长有很大的关系，甚至比2010年风暴的高温关联度更大。通过光谱分析，他们根据这些无线电波图像创建了氨浓度异常的分布图，并与土星北半球曾经的大风暴进行了对比。

图片来源：S.Dagnello/NRAO/AUI/NSF/Li

土星上经常周期性地爆发巨型风暴：过去至少有六次巨型风暴的记录。最近一次是在2010年，当时NASA的卡西尼-惠更斯土星探测器捕捉到了风暴发生的全过程。为了更加深入地探索巨型风暴的信息，加州大学伯克利分校的ImkedePater教授和她的团队探测了土星大气层下方的天空。因为大气层下是人眼看不见的，天文学家们使用了VLA甚大天线阵射电望远镜...

每20到30年，土星就会爆发一场巨大的风暴，产生巨大的云层扰动，从后一直到前，慢慢移动直到它包围整个行星。

最近一次被探测到的巨型风暴发生在2010年，当时，可见的云层活动一直持续了6个多月。

风暴发生时，NASA的卡西尼-惠更斯土星探测器仍在绕土星运行。于是，它用带着的可见光相机、无线电仪器、红外相机和雷达给我们传回了这场天文盛宴的全过程。

根据已有的数据推算，土星下一次类似的巨型风暴预计将在10到20年内到达。

2015年，ImkedePater教授的团队使用VLA探测了巨型风暴给土星大气层带来的深层影响。

除了2010年风暴的残余影响外，他们还发现了所有中纬度巨型风暴长期存在的证据。这些长期风暴由数百年前的赤道风暴混合而成，可能还有一场位于土星大气北纬70°（70°N）的较老风暴还在活动中。

ImkedePater教授说：“在VLA的无线电波的帮助下，我们才能探测巨型行星可见云层的下方的神秘世界。

由于化学反应和动力学会改变行星大气层的组成，因此我们不仅仅需要看大气层的表面，还得在大气层下进行观测，这是建立行星形成模型的关键参数。

同时无线电观测有助于在土星“全球”和局部范围上学习它大气动力学、物理和化学特性，比如热的传输、云的形成和对流现象。”

凭借无线电的力量，天文学家们还发现了一个令人惊讶的事情：土星大气中存在氨气浓度的异常，这也让他们将其与土星北半球过去发生的风暴联系起来。

1982年至2015年间，VLA连续拍摄了几张土星的无线电图像。（a图）1982年拍摄的波长为2厘米的图像。土星本体是红色的，黄色的轮廓是由光束卷积引起的。微弱得多的圆环显示为蓝色。（b图）1994年的2厘米波长图。土星北半球的亮带清晰可见。（c，d图）2002年的3.6和6.1厘米波长图，减去了除20K外的所有亮度（亮度和温度差以开尔文表示）。半功率波束宽度（HPBW）在左下角。（e，f图）2015年5月，在VLA望远镜升级后，2厘米波长处的土星图像。左下角的黄色椭圆表示光束的HPBW。（g图）将2厘米和3.5厘米波长的数据合并后的2015年5月的土星图像。

土星大气中氨的浓度在中海拔地区较低，但在低海拔地区却异常的高。

研究人员们认为，氨是通过沉淀和再蒸发的过程从上层大气输送到下层大气的。而且，氨的聚集可以持续数百年不消散。

尽管土星和木星都是由氢气组成的，但这两个气态巨行星却截然不同，所以这个发现可能会对未来的研究产生影响。

气态巨行星两兄弟

图片来源：Illuminateduniverse

虽然木星也有对流层异常，但木星的异常局限于一些特定的大气区域，而且并不像土星那样是由风暴引起的。

这些相邻的气态巨行星之间的巨大差异正在更新我们对气态巨行星和其他行星上大风暴的了解，并可能为未来如何在系外行星探索和研究它们提供重要的信息。

密歇根大学安娜堡分校的天文学家程博士说：“通过了解太阳系中最大风暴的机制，我们能将风暴理论置于更广泛的宇宙背景下进行讨论。这项研究颠覆了我们目前关于气态巨行星的认知，并很大程度上突破了陆地气象学的界限。”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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图片来源及版权：AbeJones

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