天文學家使用氰化氫波段觀察海王星的大氣環流


海王星是太陽系中最外圍的行星,它的大氣層主要由氫和氦組成,好像木星、土星和天王星一樣,但與其它太陽系的行星不同,平流層的上部有很多氰化氫(藍色酸性氣體),通過檢測氰化氫特有的無線電波發現。

在海王星平流層中檢測到氰化氫是一個很大的謎團。海王星大氣的下層與平流層上層(對流界面)之間的溫度僅為攝氏零下二百度,因此沸點低並且即使在室溫也變為液體的氰化氫不太可能作為氣體上升到平流層。為了解決這個謎,有必要知道氰化氫如何在海王星中擴散。困難是不易得到高分辨率的無線電波,因此不知道氰化氫是如何分佈。

東京大學信息基礎設施中心,以飯野孝浩教授為首的研究團隊,通過使用具有高靈敏度和分辨率的阿塔卡馬大型毫米波/次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)射電電望遠鏡觀察海王星解決了這個問題,並研究了海王星中分子氣體的分佈。

觀察的結果是,在赤道附近,氰化氫的濃度最高,約為1.7 ppb(1 ppb表示每10億個大氣分子中有一個氰化氫分子),在南緯最低,約1.2 ppb。換句話說,海王星上氰化氫的含量取決於南北緯度。

研究小組認為,觀察到的氰化氫分佈可能反映海王星平流層大氣的流動。就地球而言,平流層中的臭氧隨著赤道的距離和緯度的增加而增加。這是因為在平流層中會產生臭氧,並且平流層中存在從低緯度到高緯度的大氣流動。海王星可能也有這樣的機制。

在海王星的平流層中,當氮分子來自外部的輻射分解時,會產生氰化氫。在觀察結果中氰化氫最少是位於中緯度地區,硏究認為氮分子由上升氣流帶到平流層。氮分子在通過化學反應產生氰化氫的同時帶到赤道和南極,因此氰化氫的濃度隨著與中緯度距離的增加而增加。

研究顯示,氰化氫的觀測可用於研究整個海王星大氣的循環。它的優點是不用發射探測太空船就能從地面用望遠鏡詳細觀察像海王星這樣的遙遠星球的大氣。繼續進行探測是實地觀測獨有的優勢,通過捕捉短期和長期變化,將有可能得到太陽活動和行星季節有關的大氣活動機制。

【圖、文:節譯自東京大學2020年10月28日新聞公佈】研究全文刊登在2020年10月23日出版的《天體物理學快報》

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