为什么土星表面没有木星那样复杂的云带和风暴?

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Kimi 发表于 2023-8-30 19:49:09|来自:中国 | 显示全部楼层 |阅读模式
为什么土星表面没有木星那样复杂的云带和风暴?
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空气的影子 发表于 2023-8-30 19:49:32|来自:中国 | 显示全部楼层
太长不看版:因为大气层厚,氮雾让细节模糊掉了;比较冷,到处都是氨冰,反光性好,相对比较亮;木星的色差才是相对来说比较特别的存在。



几个巨型行星的风速和照片
风是相对于行星内部旋转速度测量的。 正速度意味着风向与行星内部旋转的方向相同,但速度快于行星内部旋转。 负速度意味着风速比行星内部旋转的速度慢。 请注意,土星的风比其他行星的风移动得更快。
<hr/>土星表面没有复杂的云带和风暴---×
土星表面没有木星那样复杂的云带和风暴---不好说,什么算复杂呢?剧烈算复杂吗,土星的风速比木星还高。神秘算复杂吗,土星极地有正六边形大风暴。但是从侧面看确实是没啥纹理的一坨。



木星的纹理像画似的



辉煌的卡西尼拍的



勉强看见些纹理,不然就像陀螺一样



神秘的六边形风暴

土星表面云带和风暴的可见性低于木星---√
是因为不够亮---x
是因为望远镜垃圾---×
是因为离得远---x
辉煌的卡西尼号那么近拍出来也是一坨,这是在赞美卡西尼并且讲出土星本来看起来就是一坨的事实。
是因为颜色本来就没什么区分度---√
土星的特征是朦胧的,因为它的大气层较厚。木星的质量大于土星。因此,它的重力更大,更高的表面重力将大气层压缩到75公里的厚度。在土星上,质量低意味着表面重力较小,从上到下 300 公里处的大气层更厚。
结果是土星的大气层有更多的雾霾,其特征(湍流、气旋等)变得模糊且难以看见。这也导致其颜色减弱为一般的淡黄色调。


还有种说法是土星太冷,到处都是氨冰,反射能力强,所以各个云带都挺亮。



假彩照片
This delightfully detailed false color image of Saturn is a combination of three images taken in January 1998 by the Hubble Space Telescope and shows the ringed planet in reflected infrared light. Different colors indicated varying heights and compositions of cloud layers generally thought to consist of ammonia ice crystals. The eye-catching rings cast a shadow on Saturn's upper hemisphere, while the bright stripe seen within the left portion of the shadow is infrared sunlight streaming through the large gap in the rings known as the Cassini Division.
Two of Saturn's many moons have also put in an appearance (in the full resolution version), Tethys just beyond the planet's disk at the upper right, and Dione at the lower left.
Image credit: NASA/E. Karkoschka (University of Arizona)
是因为木星才是不正常的那个,木星的色差太高了---√
和木星的色差相比,天王星海王星也都是一坨。



旅行者2号拍的天王星



06年哈勃拍的天王星



韦伯拍的天王星
当旅行者二号观察天王星时,它的相机在可见光波长下显示出一个几乎没有特征的蓝绿色球体。借助韦伯的红外波长和额外的灵敏度,我们可以看到更多细节,显示天王星大气层的动态程度。在右侧,面向太阳的极地有一个明亮的区域,称为极冠。这种极冠是天王星独有的——它似乎在夏季极地进入直射阳光时出现,并在秋季消失;这些韦伯数据将帮助科学家了解目前神秘的机制。韦伯揭示了极冠的一个令人惊讶的方面:极冠中心有微妙的增强亮度。韦伯近红外相机的灵敏度和更长的波长可能是为什么我们可以看到这种增强的天王星极地特征,而其他强大的望远镜(如哈勃太空望远镜和凯克天文台)却无法清晰地看到它。


旅行者2号拍的海王星



从甚大望远镜 (VLT) 观测到的海王星
这张海王星图像是在ESO 甚大望远镜上测试 MUSE/GALACSI 仪器的窄视场自适应光学模式时获得的。
一种称为激光断层扫描的新型自适应光学模式使远处物体的极其清晰的图像成为可能。
自适应光学是一种补偿地球大气层模糊效应的技术,也称为天文视宁度,这是所有地面望远镜面临的一个大问题。大气中的湍流导致肉眼可见的恒星闪烁,导致大型望远镜看到的宇宙图像变得模糊。来自恒星和星系的光在穿过我们的大气层时会变得扭曲,天文学家必须使用巧妙的技术来人为地提高图像质量。
为了实现这一目标,望远镜上固定了四颗明亮的激光器,将直径 30 厘米的强烈橙色光柱投射到天空中,刺激大气层高处的钠原子,并创造出人造激光导星。自适应光学系统利用来自这些“恒星”的光来确定大气中的湍流,并每秒计算一千次校正,命令望远镜的薄的、可变形的副镜不断改变其形状,校正扭曲的光。
木星的云带是怎么形成的,为什么木星色差大?
学过地理都知道地球的气流模型,海洋提供了能量,自转提供了基本的速度差。行星也差不多。但是能量的来源会不一样。木星的颜色格外漂亮。



美丽的木星



高中地理

木星表面以其色彩鲜艳的纬度带、暗带和点缀着无数风暴和漩涡的细带而闻名。由于自转差异,赤道带和带的旋转速度比高纬度和两极的旋转速度快。
这些区域和带是速度高达 400 英里/小时的纬向急流。风向在相邻区域和带之间交替。浅色区域是向上移动的对流区域。深色带由向下沉的物质组成。因此,两者总是相邻。区域和带的边界表现出复杂的湍流和涡旋现象。
木星云层中的橙色和棕色是由上升流化合物引起的,当它们暴露在来自太阳的紫外线下时,这些化合物会改变颜色。确切的成分仍不确定,但这些物质被认为是磷、硫或可能是碳氢化合物。这些色彩缤纷的化合物被称为发色团,与温暖的下层云层混合。当上升的对流单元形成结晶氨时,浅色区域就形成了,氨结晶掩盖了这些较低的云层。因此,木星大气层中向上移动的气体从较低层带来了氨/水冰的白色云。向下移动的气体下沉,使我们能够看到较低、较暗的区域。
木星上最明显的特征是大红斑,它是一个比地球还要大的持续性反气旋风暴,位于赤道以南。据了解,它至少自 1831 年起就存在,也可能自 1665 年起就存在。哈勃太空望远镜的图像显示,大红斑附近有多达两个“红斑”。这场风暴足够大,可以通过孔径为 12 厘米或更大的地球望远镜观测到。椭圆形物体逆时针旋转,周期约为六天。这场风暴的最高高度约为周围云层上方 8 公里。
木星大气层的微观结构服从流体力学规律。木星的大气层非常稠密和寒冷,它表现为流体而不是气体。我们看到的大气,其压力是地球海平面大气压的 5 到 10 倍。
流体力学中描述了两种类型的模式。当一种流体滑过另一种不同密度的流体时,就会出现一种模式。这种事件被称为粘性流,并在两种流体的边界处产生波状特征。第二种模式是由恒定介质中的流体流产生的,称为湍流。水流分裂成单独的元素,称为涡流。这些涡流可以发展成气旋。
气旋的形成是由于科里奥利效应,低纬度地区的移动速度比高纬度地区快,在压力区产生净旋转。木星上的气旋是以这种方式旋转的局部高压或低压区域。请注意,两个半球的自转方向不同,北半球为顺时针旋转,南半球为逆时针旋转。
像这样的风暴在巨行星的湍流大气中很常见。木星还有白色椭圆形和棕色椭圆形,它们是较小的无名风暴。白色椭圆形往往由高层大气中相对凉爽的高压云组成。棕色椭圆形较温暖,气压较低,位于“正常云层”内。这样的风暴可能只持续几个小时,也可能持续几个世纪。
在地球上,为我们的风暴系统提供动力的能量来自阳光。木星距离太阳太远,接收到的能量很少。木星大气层中所有湍流所需的能量来自于木星核心释放的热量。
一个好玩的事,土星的大气加热了它的核
与木星一样,土星辐射的能量多于它从太阳吸收的能量。事实上,它发出的能量是它接收到的能量的 2.3 倍。木星的余热是形成时剩余的能量。但是,由于土星的质量比木星小,因此它的剩余能量应该较少,但它的辐射却比木星,这是一个矛盾。
答案在于土星大气层中缺失的氦气。类木行星在形成时都拥有宇宙元素的原始丰度。90% 氢气、9% 氦气和微量其他物质。这与构成整个宇宙的元素数量相同。
值得一提的是,由于和恒星的距离不同,行星内部丰度有很大不同。但木星现在的组成与形成时相同,类似于宇宙的原始丰度。但土星缺乏氦气。它的成分是94%的氢和6%的氦,大气中缺少一些氦。
作用机理如下:

  • 由于距离太阳较远,土星比木星冷却得更快
  • 当大气温度降至 15 K 以下时形成氦滴
  • 水滴凝结成氦雨
  • 液氦是一种超流体,可以毫无阻力地穿过氢地幔
  • 落下的氦雨的势能转化为动能,核心升温结果是土星的核心变暖,高层大气中缺乏氦气。
天文领域很多事情都没闹的特别明白,都是猜想。能提出有价值的问题,是非常重要的。太匆忙了没查特别详细,有些地方机翻了nasa和一些大学的公开资料,有时间会丰富一下这篇回答。第一次写这种东西,很不规范,注释都没加,有空改掉。
tszqc 发表于 2023-8-30 19:49:49|来自:中国 | 显示全部楼层
提问所述并非事实,土星表面也有复杂的云带和风暴活动。一定要凑一个答案的话,对地球上的观测者,土星表面云带和风暴的可见性低于木星。后者几百块的入门级望远镜目视即可观测到云带和大红斑,而土星云带,几千块的进阶望远镜目视也比较悬,需要延时摄影才能比较保险得观测到。至于为什么会有这种差别,关键在于土星的距离是木星的2倍,再加质量绝小,亮度只有木星的十分之一。
(这种问题不能放图真是要命……
请百度搜索“土星云带 深空摄影”,Fig.1
“土星云带 旅行者号" Fig.2)
最后关于土星云带,一定要讲的是土星北极的六边形云带,请搜索“土星北极 六边形”。
这是比较系统报道土星北极六边形的科普通讯:http://www.astron.ac.cn/wap/bencandy-3-10036-1.htm
这篇科普通讯解释了其形成的原因(英语),大体来说是一种流体现象,研究者在实验室中设定合适的条件下模拟出了这种六边形形状的驻波:https://www.planetary.org/articles/2471

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