莱斯特大学行星科学家利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）对土星的观测。一个行星科学家小组发现，随着秋季的来临，巨大的行星级气流方向发生了逆转，土星北部夏季末期正在经历降温趋势。
2022 年 11 月 JWST MIRI/MRS 对土星观测的蒙太奇，需要四块瓦片来研究土星的北半球和星环。MIRI 主要对温度敏感；土星的颜色是蓝色（11.6 微米，感知平流层温度）、绿色（10.1 微米，探测对流层上部温度）和红色（10.3 微米，感知对流层下部温度）的组合，使用的是 MIRI 的 MRS 频道 2。光环使用了不同的滤光片组合：MRS 频道 3 的蓝色（13.5 µm）、绿色（14.6 µm）和红色（15.5 µm）滤光片，可提供稍宽的视场。背景中显示的是 2022 年 9 月获取的哈勃可见光观测数据，以作对比。图片来源：NASA、ESA 和 Amy Simon（NASA-GSFC）；图像处理： Alyssa Pagan (STScI))
在土星北极开始退入极地冬季的黑暗之前，新的观测结果还让我们最后一次看到了土星的北极，那里有巨大的充满碳氢化合物气体的温暖漩涡。
这张星际天气报告要归功于莱斯特大学领导的研究小组从 JWST 上分析的新图像，该图像发表在 JGR:Planets 上。这些图像让我们对这颗以冰环闻名的巨大外行星的四季变化有了新的认识。
与地球一样，土星也有轴向倾斜，并以同样的方式经历季节。不过，土星绕太阳一周需要 30 年，因此四季持续的时间为 7.5 个地球年。两个世界的北半球夏季现在都即将结束。地球将于 9 月迎来北半球秋分，而土星将于 2025 年迎来北半球秋分，这意味着两颗行星的北极都将迎来漫长的极地冬季。
工具和发现
莱斯特研究小组利用 JWST 上的中红外仪器（MIRI）对土星的大气层进行红外光研究，这使他们能够测量从汹涌的云顶到大气层中被称为平流层的高空区域的温度、气体丰度和云层。MIRI 仪器将红外光分成不同的波长，这样科学家们就能看到行星大气层中各种化学物质的指纹。
在这幅由 MIRI 观测到的几个波长组合而成的图像中，来自北极的明亮热辐射以蓝色格外显眼。在北极可以看到温暖的 1500 公里宽的北极气旋（NPC），这是卡西尼飞行任务首次观测到的。它被一个更广阔的温暖气体区域所包围，该区域被称为北极地平流层漩涡（NPSV），形成于土星春季，并持续了整个北部夏季。
在土星漫长的夏季，这些温暖的漩涡在平流层的高处被太阳的热量加热。随着 2025 年秋分的临近，北极平流层漩涡将开始降温，并随着北半球退入黑暗的秋季而消失。
JWST MIRI/MRS 于 2022 年 11 月对土星的观测动画，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温暖的部分，而紫色区域则较冷较暗。明亮的北极漩涡在感应平流层的波长下清晰可见，而土星的带状外观在感应对流层的波长下更加明显。由于衍射的原因，波长越长，图像的空间分辨率越低。背景中显示的是 2022 年 9 月获取的哈勃可见光观测数据，以作对比。资料来源：NASA、ESA 和 Amy Simon（NASA-GSFC）；图像处理： Alyssa Pagan（STScI）
对比观测和启示
通过对中红外光谱建模，科学家们注意到土星季节周期中这一特殊时刻的平流层温度和气体分布与卡西尼飞行任务在北部冬季和春季观测到的分布截然不同。土星有一个大尺度的平流层环流模式，冬季北部中纬度地区气温较高，乙烷和乙炔等碳氢化合物过多，这意味着富含碳氢化合物的空气从高空下沉。人们认为空气在夏季中纬度南部上升，穿过赤道，然后下沉到冬季中纬度北部。
2022 年 11 月拍摄的近红外中分辨率光谱仪结果显示，这种平流层环流现在已经逆转，在北纬 10 度至 40 度之间的北部出现了较低的平流层温度和较低的碳氢化合物丰度，这表明夏季贫碳氢化合物空气上涌，然后流向南方。
莱斯特大学物理和天文学院的 Leigh Fletcher 教授说："来自 JWST 的新数据的质量简直令人叹为观止--在短短的一组观测中，我们就能够将卡西尼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能够观测到以往任何航天器都无法观测到的波长，产生的精美数据集让人对未来几年的工作充满期待。对土星的观测只是对所有四颗巨行星观测计划的第一步，JWST提供的能力超越了我们过去所拥有的一切--如果我们能从对一个世界的单次观测中获得如此多的新发现，想象一下还有什么发现在等待着我们？"
土星被选为 JWST 的早期目标，以测试其能力。莱斯特物理与天文学院博士后研究员奥利弗-金博士解释说："因为土星又大又亮，还在旋转，并在天空中移动，这就给近红外成像仪的小视场带来了挑战--近红外成像仪在任何时候都只能看到土星的一小块区域，而且与 JWST 的常规目标相比，土星太亮了，我们有可能使探测器饱和。观测分为三块，从赤道到北极，然后到星环进行最后一块观测。"
"在此之前，还没有任何航天器曾出现在土星北部夏末秋初的探索现场，因此我们希望这只是一个起点，希望 JWST 能够在未来十年里延续卡西尼号的传奇。"