海王星的雲層三十年來首次幾乎完全消失。觀測結果表明，儘管海王星與太陽相距遙遠，但該行星的雲層模式與太陽週期之間存在著潛在的聯繫。正在進行的研究旨在揭開這個謎團。

凱克II 望遠鏡於2023 年6 月21 日拍攝的海王星圖像顯示，除了南極附近，幾乎沒有云層。圖片來源：Imke de Pater, Erandi Chavez, Erin Redwing（加州大學伯克利分校）/WM 凱克天文台

在近三十年的觀測中，海王星上的雲層首次全部消失。從1994 年到2022 年，通過WM 凱克天文台的鏡頭從夏威夷島的茂納凱亞（Maunakea）拍攝到的這顆藍色大行星的圖像，以及通過美國宇航局哈勃太空望遠鏡從太空拍攝到的圖像顯示，除了南極以外，雲層幾乎消失了。這些觀測結果發表在《伊卡洛斯》（Icarus）雜誌上，進一步揭示了海王星雲層消失與太陽週期之間的聯繫–鑑於海王星是距離太陽最遠的主行星，接受的陽光只有地球的1/ 900，這一發現令人驚訝。

加州大學伯克利分校領導的一個天文學家小組發現，通常在這顆冰巨星的中緯度地區看到的大量雲層在2019年開始消退。

這項研究的資深作者、加州大學伯克利分校天文學名譽教授伊姆克-德-帕特（Imke de Pater）說：”海王星上的雲消失得如此之快，令我感到驚訝。我們基本上看到雲的活動在幾個月內就減少了”。”

從2019 年底開始，海王星的外觀發生了巨大變化，並一直持續到2023 年6 月。正如這組利用凱克II 望遠鏡上的NIRC2 和自適應光學系統獲得的1.63 µm（微米）圖像所顯示的那樣，從2002 年前到2019 年末，海王星上有許多按緯度帶排列的雲層特徵。之後，除南極附近外，海王星幾乎沒有云層。圖像使用阿辛函數顯示，該函數與對數標度顯示一樣，會降低特徵之間的對比度；如果使用線性標度顯示，則只能看到最亮的特徵。圖片來源：Imke de Pater、Erandi Chavez、Erin Redwing（加州大學伯克利分校）/WM 凱克天文台

哈佛大學天體物理學中心的研究生埃蘭迪-查韋斯（Erandi Chavez）說：”即使在四年之後，我們今年六月拍攝的圖像也顯示雲層還沒有恢復到以前的水平。這是非常令人興奮和出乎意料的，尤其是海王星之前的低雲活動期並沒有這麼劇烈和持久。”

為了監測海王星外觀的演變，查韋斯和她的團隊使用凱克天文台的第二代近紅外相機（NIRC2）配以自適應光學系統（自2002年起），以及里克天文台（2018-2019年）和哈勃太空望遠鏡（自1994年起）的觀測數據，分析了從1994年到2022年拍攝的圖像。近年來，凱克天文台的觀測數據得到了凱克天文台”黃昏觀測計劃”拍攝的圖像和哈勃太空望遠鏡”外行星大氣遺產（OPAL）計劃”拍攝的圖像的補充。

這些數據揭示了海王星雲層的變化與太陽週期之間一種有趣的模式–太陽磁場每11 年翻轉一次，導致太陽輻射水平波動。當太陽發出更強烈的紫外線（UV），特別是強氫萊曼-阿爾法輻射時，大約兩年后海王星上就會出現更多的雲層。研究小組進一步發現，雲的數量與冰巨星反射太陽光的亮度之間存在正相關。

德-帕特說：”這些非凡的數據為我們提供了迄今為止最有力的證據，證明海王星的雲層覆蓋與太陽週期相關。我們的發現支持了這樣一種理論，即當太陽的紫外線足夠強時，可能會引發產生海王星雲層的光化學反應。”

這組哈勃太空望遠鏡圖像記錄了海王星雲層數量的消長。這組長達近30 年的觀測結果表明，在太陽週期的峰值之後，雲層的數量會越來越多–太陽的活動水平在11 年的時間裡有節奏地上升和下降。太陽的紫外線輻射水平繪製在縱軸上。11 年周期的下軸為1994 年至2022 年。頂部的哈勃觀測結果清楚地顯示了雲的豐度與太陽活動峰值之間的相關性。化學變化是由光化學引起的，光化學發生在海王星高層大氣中，形成雲需要時間。資料來源：NASA、ESA、LASP、Erandi Chavez（加州大學伯克利分校）、Imke de Pater（加州大學伯克利分校）

太陽週期與海王星多雲天氣模式之間的聯繫來自於海王星29 年觀測期間記錄的2.5 個雲層活動週期。在此期間，海王星的反射率在2002 年增加（亮度最大值），然後在2007 年變暗（亮度最小值），在2015 年再次變亮，然後在2020 年變暗到有史以來觀測到的最低水平，也就是大部分雲層消失的時候。太陽引起的海王星亮度變化似乎與海王星上雲層的消長相對同步。

然而，由於其他因素的複雜性，要解開這種相關性還需要更多的工作；例如，紫外線陽光的增加可能會產生更多的雲霧，但也可能會使雲霧變暗，從而降低海王星的整體亮度。海王星上從大氣深處升起的風暴會影響雲層，但與光化學產生的雲層無關，因此可能會使與太陽週期的相關研究變得複雜。還需要繼續對海王星進行觀測，以了解目前這種近乎無雲的狀態會持續多久。

這個藍色世界的大氣層非常活躍和混亂，其中的甲烷雲被超音速風吹得四處飄散，這是太陽系中記錄到的最快的風速。最早和最引人注目的圖像之一是美國國家航空航天局的旅行者2 號宇宙飛船在1989 年飛越海王星時拍攝的，揭示了一個名為”大黑斑”的巨大風暴系統。此後還發現了其他風暴和暗斑，特別是2017年的大型赤道風暴和2018年北緯的大型暗斑。

“能夠利用地球上的望遠鏡來研究一個距離我們超過25 億英里的世界的氣候，真是令人著迷，”凱克天文台的工作人員、該研究的合著者卡洛斯-阿爾瓦雷斯（Carlos Alvarez）說。”技術的進步以及我們的曙光觀測計劃使我們能夠制約海王星的大氣模型，而大氣模型是了解冰巨星氣候與太陽週期之間相關性的關鍵。”

研究小組將繼續跟踪海王星的雲活動。最近於2023年6月拍攝的圖像是在美國宇航局詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）拍攝近紅外和中紅外圖像的同時獲得的。

德-帕特說：”我們在最近的圖像中看到了更多的雲層，尤其是在北緯和高海拔地區，這與過去約兩年中觀測到的太陽紫外線通量增加所預期的一樣。”

來自JWST 和凱克天文台的綜合數據將有助於進一步研究導致海王星動態外觀的物理和化學原理，這反過來可能有助於加深天文學家對海王星以及系外行星的了解。