萊斯特大學行星科學家利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）對土星的觀測。一個行星科學家小組發現，隨著秋天的來臨，巨大的行星級氣流方向發生了逆轉，土星北部夏季末期正在經歷降溫趨勢。

2022 年11 月JWST MIRI/MRS 對土星觀測的蒙太奇，需要四塊瓦片來研究土星的北半球和星環。MIRI 主要對溫度敏感；土星的顏色是藍色（11.6 微米，感知平流層溫度）、綠色（10.1 微米，探測對流層上部溫度）和紅色（10.3 微米，感知對流層下部溫度）的組合，使用的是MIRI的MRS 頻道2。光環使用了不同的濾光片組合：MRS 頻道3 的藍色（13.5 µm）、綠色（14.6 µm）和紅色（15.5 µm）濾光片，可提供稍寬的視野。背景中顯示的是2022 年9 月取得的哈伯可見光觀測數據，以作比較。圖片來源：NASA、ESA 和Amy Simon（NASA-GSFC）；影像處理： Alyssa Pagan (STScI))

在土星北極開始退入極地冬季的黑暗之前，新的觀測結果也讓我們最後一次看到了土星的北極，那裡有巨大的充滿碳氫化合物氣體的溫暖漩渦。

這張星際天氣報告要歸功於萊斯特大學領導的研究小組從JWST 上分析的新圖像，該圖像發表在JGR:Planets 上。這些圖像讓我們對這顆以冰環聞名的巨大外行星的四季變化有了新的認識。

與地球一樣，土星也有軸向傾斜，並以相同的方式經歷季節。不過，土星繞太陽一週需要30 年，因此四季持續的時間為7.5 個地球年。兩個世界的北半球夏季現在都即將結束。地球將於9 月迎來北半球秋分，而土星將於2025 年迎來北半球秋分，這意味著兩顆行星的北極都將迎來漫長的極地冬季。

工具和發現

萊斯特研究小組利用JWST 上的中紅外線儀器（MIRI）對土星的大氣層進行紅外光研究，這使他們能夠測量從洶湧的雲頂到大氣層中被稱為平流層的高空區域的溫度、氣體豐度和雲層。MIRI 儀器將紅外光分成不同的波長，讓科學家就能看到行星大氣層中各種化學物質的指紋。

在這張由MIRI 觀測到的幾個波長組合而成的影像中，來自北極的明亮熱輻射以藍色格外顯眼。在北極可以看到溫暖的1500 公里寬的北極氣旋（NPC），這是卡西尼飛行任務首次觀測到的。它被一個更廣闊的溫暖氣體區域所包圍，該區域被稱為北極地平流層漩渦（NPSV），形成於土星春季，並持續了整個北部夏季。

在土星漫長的夏季，這些溫暖的漩渦在平流層的高處被太陽的熱量加熱。隨著2025 年秋分的臨近，北極平流層漩渦將開始降溫，並隨著北半球退入黑暗的秋天而消失。

JWST MIRI/MRS 於2022 年11 月對土星的觀測動畫，展示了土星在不同波長下的外觀變化。黃色代表土星大氣中明亮溫暖的部分，而紫色區域則較冷較暗。明亮的北極漩渦在感應平流層的波長下清晰可見，而土星的帶狀外觀在感應流層的波長下更加明顯。由於衍射的原因，波長越長，影像的空間解析度越低。背景中顯示的是2022 年9 月取得的哈伯可見光觀測數據，以作比較。資料來源：NASA、ESA 和Amy Simon（NASA-GSFC）；影像處理： Alyssa Pagan（STScI）

對比觀測和啟示

透過對中紅外光譜建模，科學家注意到土星季節週期中這一特殊時刻的平流層溫度和氣體分佈與卡西尼飛行任務在北部冬季和春季觀測到的分佈截然不同。土星有一個大尺度的平流層環流模式，冬季北部中緯度地區氣溫較高，乙烷和乙炔等碳氫化合物過多，這意味著富含碳氫化合物的空氣從高空下沉。人們認為空氣在夏季中緯度南部上升，穿過赤道，然後下沉到冬季中緯度北部。

2022 年11 月拍攝的近紅外線中分辨率光譜儀結果顯示，這種平流層環流現在已經逆轉，在北緯10 度至40 度之間的北部出現了較低的平流層溫度和較低的碳氫化合物豐度，這表明夏季貧碳氫化合物空氣上湧，然後流向南方。

萊斯特大學物理和天文學院的Leigh Fletcher 教授說：”來自JWST 的新數據的質量簡直令人嘆為觀止–在短短的一組觀測中，我們就能夠將卡西尼任務的遺產延續到一個全新的土星季節，觀察天氣模式和大氣環流如何對不斷變化的陽光做出反應。”

“JWST能夠觀測到以往任何太空船都無法觀測到的波長，產生的精美數據集讓人對未來幾年的工作充滿期待。對土星的觀測只是對所有四顆巨行星觀測計劃的第一步， JWST提供的能力超越了我們過去所擁有的一切–如果我們能從對一個世界的單次觀測中獲得如此多的新發現，想像一下還有什麼發現在等待著我們？”

土星被選為JWST 的早期目標，以測試其能力。萊斯特物理與天文學院博士後研究員奧利佛金博士解釋說：「因為土星又大又亮，還在旋轉，並在天空中移動，這就給近紅外線成像儀的小視野帶來了挑戰–近紅外線成像儀在任何時候都只能看到土星的一小塊區域，而且與JWST 的常規目標相比，土星太亮了，我們有可能使探測器飽和。觀測分為三塊，從赤道到北極，然後到星環進行最後一塊觀測。”

「在此之前，還沒有任何太空船曾出現在土星北部夏末秋初的探索現場，因此我們希望這只是一個起點，希望JWST 能夠在未來十年裡延續卡西尼號的傳奇。”