哈伯望遠鏡帶來天王星大氣新見解

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天王星一直以近乎橫躺的方式繞著太陽運行，造就一個奇怪而神祕的世界。如今，研究人員使用美國太空總署的哈伯太空望遠鏡，針對天王星的大氣成分和動態進行了 20 年的追蹤，有了最新的發現。

人們與天王星的初次近距離接觸是1986年飛掠的航海家二號，但在航海家二號的照片中，天王星像是個平淡無奇的藍綠色撞球。然而，透過哈伯太空望遠鏡成像光譜儀（STIS）的高解析度進行長時間追蹤，記錄下了天王星從2002年到2022年的20年季節變化。近期由亞利桑那大學的Erich Karkoschka以及威斯康辛大學的Larry Sromovsky和Pat Fry領導的團隊，則利用這些資料繪製了天王星大氣結構變化的影像。

天王星的大氣主要由氫和氦組成，還有少量的甲烷、微量的水和氨。其中甲烷吸收了陽光中的紅光，使得天王星呈現綠色。同時，天王星近乎橫躺的方式繞著太陽運行一週大約需要84個地球年。在過去的20年天王星經歷了北半球春季，觀測資料顯示在這段期間天王星上存在複雜的大氣環流模式。其中對甲烷分布最敏感的數據顯示，極地區域有沉降氣流，而其他地區則有上升氣流。

哈伯望遠鏡團隊在20年間對天王星進行了四次觀測：分別是2002年、2012年、2015年和2022年。他們發現，與氣態巨行星土星和木星的情況不同，甲烷在天王星上的分布並不均勻。此外，在兩極附近的甲烷消耗量非常大。二十年來，這種消耗量一直保持相對穩定。但隨著天王星將在2030年來到北半球夏至，大氣中的氣膠和霧霾出現劇烈變化。

下圖中展示了STIS在20年的時間裡觀測天王星的變化。第一列是在可見光下天王星的樣子。研究人員發現南極地區（圖左）因進入冬季陰影而變暗，而北極地區（圖右）則因進入北半球夏季而變得更亮。




▲ 哈伯太空望遠鏡在過去20年所拍攝的影像，呈現了天王星大氣中氣膠與甲烷的分布變化。（Source：NASA）


第二列利用可見光和近紅外光組合而成的假色影像中，顏色和亮度反映的是甲烷和氣膠粒子在大氣中的量。綠色區域表示甲烷比藍色區域少，而紅色區域則沒有甲烷。由於紅色區域位於影像邊緣，顯示天王星的平流層幾乎沒有甲烷存在。

下面兩列則利用可見光到近紅外線的1,000種不同波長，藉此推測氣膠粒子和甲烷的緯度分布。在第三列中，明亮的區域表示雲量較多，而黑暗區域表示天氣晴朗。在第四列中，明亮區域表示甲烷消耗量大，而黑暗區域則表示甲烷含量充足。

綜合比較發現天王星的中低緯度地區，氣膠粒子和甲烷消耗量在20年的觀測中沒有太大變化。 然而，北極附近的氣膠粒子急劇增加，隨著太陽光離開南半球，南極附近的氣膠粒子似乎也跟著消失了。這是太陽輻射改變天王星大氣中氣膠分布的證據。另一方面，兩極地區的甲烷消耗量似乎都保持在相當高的水準。

哈伯太空望遠鏡已運作30多年，並不斷取得突破性發現。隨著天王星進入北半球夏季，天文學家將繼續觀測天王星，希望對這顆遙遠的行星有更多的了解。



資料來源 : 科技新報
https://technews.tw/2025/04/08/20-year-hubble-study-of-uranus-yields-new-atmospheric-insights/