天王星：“海王星你怎么这么热？”，海王星：“不，是你太冷了”_风闻

原创：牧夫天文

编译：徐钒

作者：David Crookes

校对：王茸 王婧彧

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

海王星比天王星离太阳更远，但它们的表面温度却非常接近。

冰行星海王星内部正在发生一些神秘的事情。

Credit: All About Space/Tobias Roetsch

1989年，旅行者2号在12年的航行后到达了海王星，它发现了海王星的六个新卫星，首次拍摄了海王星环的照片，并发现了特别猛烈的风暴。

风暴的强度令人震惊。在南半球，海王星上的反气旋——大黑斑中的风速可以高达1,500 mph（2414 km / h），是太阳系最强的。而当哈勃太空望远镜在五年后再次观测时，它已经消失了，天文学家们想了解为什么那里的风如此猛烈。

他们还被另一个问题困扰：尽管离太阳更远，但旅行者2号的数据显示海王星比天王星更热。正如物理学家Brian

Cox在英国广播公司（BBC）的纪录片《行星》中所讨论的那样：“这种额外热量的来源仍然是个谜。” 但这是否意味着我们手上有两个谜，其中一个谜的答案可以帮助解释另一个谜吗？

在开始解决这两个问题之前，我们必须首先明确“温暖”的定义。由于海王星是气态巨行星，因此我们无法像在地球的固体表面上那样测量全球平均温度。相反，海王星的核心可能很小，因此必须选定某个高度进行温度测量。问题是，在什么高度呢？

这张热成像图像是由智利的甚大型望远镜（VLT）拍摄的，显示了海王星上温暖的南极。

Credit: VLT/ESO/NASA/JPL/Paris Observatory

温度问题

“我们只能测量最外层的温度，”加州大学伯克利分校的行星科学家Michael Wong说。这样一来，我们发现海王星实际上并没有比天王星更热——它们处于同一温度。但是由于海王星离太阳较远，获得的太阳光较少，所以温度本应该更低。

天王星和海王星接近的温度表明，海王星散发的热量与从太阳吸收的热量的比值大于天王星的。美国宇航局戈达德太空研究所（GISS）的Anthony Del Genio告诉《All About Space》，“旅行者2号的测量结果表明，海王星散发的热量是它吸收的太阳热量的两倍，而天王星并非如此。这就是事情变得有趣的地方。” 

海王星的情况并不罕见。Del Genio说：“ 木星和土星散发的热量几乎是它们吸收的热量的两倍，而天王星则并非如此。天王星是颗奇怪的行星”。

Del

Genio说：“随着距离太阳越来越远，温度会越来越低，所以木星是气态巨行星中最温暖的，其次是土星，然后是海王星，天王星是最冷的。然而，这种不寻常的结果与天王星没有明显的内部热源有关。” 海王星拥有一种将自身加热到与天王星温度相近的方法，而天王星除了来自太阳的热量外无法产生任何额外的热量。

什么是内部热源？简单来说，就是在太阳系形成的时候遗留下的热量。原恒星云收缩时会产生热量，这种效应被称为开尔文-亥姆霍兹收缩。

加州大学伯克利分校的Joshua Tollefson说：“海王星以及木星和土星上的额外热量很大程度上来自于重力收缩。随着行星在自身引力作用下缓慢收缩，向内下落的物质将其势能转换为热能，然后释放出来。”

但是，我们尚不知道为什么天王星没有很多，或者几乎根本没有内部热源。Tollefson说：“一定有东西阻碍了天王星的这一过程，这可能是由于其早期历史中发生的将其撞倒的碰撞。所以现在的问题变成了，为什么海王星有一个内部热源，而天王星却没有？”

“打嗝”的冰行星

热量可能不会以稳定的速度从内部释放，而是类似“打嗝”。Tollefson说：“我们看到的可能只是天王星的相对平静的时期，而海王星则刚刚释放完热量。“打嗝”是一种对流，它可能集中发生在一小段时间，但除非我们看到这些现象，否则我们不能确定这种假说是否正确。

这也可能是因为天王星比海王星更年老。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心行星大气研究高级科学家Amy

Simon说：“一颗行星辐射的热量主要取决于它的年龄以及它释放热量的速度，一颗更老的星球会更冷，而它们释放的速度取决于内部结构和成分、云层、对流等，总之相当复杂。”

Simon认为，在气态巨行星上，可能会有大量的氦雨，这会影响热量的释放。对于天王星和海王星来说，它们的年龄可能不同，或者更可能是，将天王星撞倒的撞击事件可能使它的内部结构变得混乱，或者快速地释放了大部分热量。

那这些风呢？不可否认，它们非常凶猛，这可能与温度有关。

Voyager 2团队的行星天文学家Heidi Hammel说：“我们长期以来一直猜测海王星和天王星的低温可能导致近乎无摩擦的状况，因此产生了更大的风速。”

她也认为，在海王星风景中没有像山脉、丘陵这样的可以减慢风速的地貌。但是风暴与内部热源之间有什么关系吗？Hammel说：“也许有吧，但是内部热量和接收的阳光之间也存在一些微妙的平衡。”

由于外行星上任何现象变化的时间都很长，所以很难量化这些变化。Hammel说：“因为海王星上的一年是地球的165年，所以我们没有机会用现代工具研究它的大部分季节性变化。研究外行星的大气层需要很大的耐心和对过去和未来几代行星科学家的信任。”

“我想该理论应该是接收到的太阳能量越多，风能就越猛烈，因为在地球上，我们很早就知道，太阳吸收的能量会转换为大气中的动能，也就是风。”

地球是一个效率很低的热机。原因之一是它的固体表面通过摩擦耗散了风能，而气态巨行星却并非如此，这就是为什么所有巨型行星的风都比地球强得多的原因之一。

天王星（如图）与海王星的温度大致相同，但海王星离太阳更远。

Credit: NASA/JPL

海王星的风为何如此强劲？  

Simon说：“风的产生的地方可能比太阳光能穿透的更深，因此风可能产生于内部热量和自转的结合。”那为什么天王星和海王星具有相似的自转速度，但风速不同呢？Simon说：“这是暗示我们，它们之间有些不同：可能是内部热量或其它原因。”

木星大红斑的风速可以达到每小时384英里，而天王星的风速可达每小时560英里，海王星的风速可达每小时1500英里。NASA的Tollefson说：“它们都比木星的风要快。但仅靠天王星的内部热量无法解释它的风速。”

行星的质量、内核尺寸和径向密度分布等内部结构对于理解它们的风极为重要。对于木星和土星，因为美国宇航局的朱诺和卡西尼号探测器获得了非常好的重力数据，所以我们可以建立良好的内部结构模型来研究它们上面风的形成和占据的深度。

计算机模拟表明，冰行星的风会被限制在其大气层的较浅的深度。这表明我们在天王星和海王星上看到的风可能至少一部分是由于水等物质的凝结时释放的潜热所产生的。

Del Genio还质疑了可用的数据。他解释说，当我们在海王星上测量风时，我们只会测量一个特定的高度。而在其它高度的风可能会更慢或更快。但我们不知道到底如何，因为我们从未对大多数外行星的大气层进行过探测。

海王星和天王星表明，在相似条件下形成的行星可能产生两个极端状态。Simon说，这有助于限制这些行星形成的模型，并为太阳系的形成提供线索。由于它们离太阳很远，这有助于帮我们更好地理解深环流。

Hammel说：“它们增加了我们对行星大气的物理学和化学知识，并可以帮助我们更好地了解我们自己的地球，因为无论在地球还是在遥远的海王星上，物理学和化学都以相同的方式起作用。”

原文链接：

https://www.livescience.com/something-strange-inside-neptune.html

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

暗物质风暴吞噬地球

来自：InformOverload