天文学家破解土星“变速自转”之谜 热泵机制被证实

最新发表在《地球物理研究杂志：空间物理》上的研究首次绘制出土星极光区域的温度与带电粒子分布细节图像，显示这一现象源于由土星极光驱动的、持续自我维持的反馈系统，从而在观测数据中制造出“自转率变化”的错觉。

几十年来，土星的异常行为一直令天文学家困惑。 以“卡西尼”号为代表的探测器在2004年前后取得的数据曾显示，土星的自转周期似乎会随时间推移发生变化，这一结果与传统物理认知相冲突——行星整体的自转本应在长时间尺度上保持稳定。 2021年，由诺森比亚大学行星天文学教授汤姆·斯托拉德（Tom Stallard）领衔的一项研究给出重要线索：真正变化的并非行星本身的转速，而是高层大气中的高速风场，这些风在上层大气中产生电流，进而影响极光信号，让基于极光电磁波的“自转测量”看起来仿佛在变。

然而，这一解释本身又带来了新的问题：如果是高空风驱动电流，那么这些风一开始是如何被“点燃”和维持的？

最新的JWST观测给出了缺失的一块拼图。 斯托拉德团队联合英国和美国多家机构，利用JWST持续监测了土星北极的极光区——类似地球的北极光——覆盖了完整的一个“土星日”，获得了前所未有时空分辨率的观测数据。 研究人员重点分析了土星上层大气中一种名为三氢阳离子（H₃⁺）分子的红外辐射，这种分子是温度变化的天然“探针”，可用于反演大气加热状况和粒子密度分布。

此前地基及轨道观测对温度的测量不确定度约达50摄氏度，大致与研究者试图分辨的温度起伏幅度相当，只能对极区大范围进行平均处理。 JWST的数据将这一精度提高了约一个数量级，使科学家首次能够在极光区分辨出细致的局部加热与冷却结构。

观测结果与十多年前建立的数值模型高度吻合，但前提是将主要热源精确放置在极光沉降入大气的区域，也就是带电粒子沿磁力线“砸向”上层大气的那一带。 这说明土星极光不仅是壮观的光学景象，更是强有力的局部能量源：极光粒子沉降在特定高度范围内沉积能量，使局部大气温度升高，从而驱动高空风场。 这些风又会在行星磁层与大气的交界区域中激发电流，电流反过来为极光提供能量，使极光长期维持并继续加热大气，形成一个“极光—加热—风—电流—极光”的闭合循环。

斯托拉德将这一过程形象地比喻为“一台行星级热泵”：极光为大气加热，大气驱动风，风生电流，而电流又反哺极光，系统自给自足、周而复始运转。 正是这一稳定运转的反馈系统，让基于极光电磁信号推算的“自转速率”随时间出现漂移，看上去就像土星本身的自转在缓慢变化。

这项研究的意义并不止于解释土星的“变速自转”疑案。 结果表明，土星大气层与其磁层之间存在紧密耦合：大气过程可以向外驱动电流和能量，改变磁层环境，而磁层中的能量和粒子又能再度沉降，将能量输送回大气。 这种双向能量和动量交换机制，可能是土星这种异常信号能够长期保持稳定的关键，也提示在其他具备强磁场与大气层的行星（包括气态巨行星甚至系外行星）上，可能同样存在尚未被充分认识的大气—空间环境联动过程。

斯托拉德表示，这一成果改变了我们理解行星大气的方式：如果行星大气状态能向外驱动电流，进而改变周围空间环境，那么在研究其他行星乃至系外行星的高层大气与平流层时，或许会发现迄今尚未预料到的交互现象。 相关成果以《JWST/NIRSpec 揭示土星可变磁层自转率的大气驱动机制》为题发表于《地球物理研究杂志：空间物理》，研究获得英国科学与技术设施委员会等机构资助。