天王星和海王星的天气仅限于“天气层”

海王星行星上急流的示意图。大气环流的特征是赤道附近向西流动，高纬度地区向东流动。图片由Weizmann科学研究所Yohai Kaspi提供；美国宇航局

在一项新发表的研究中，研究人员详细介绍了天王星和海王星的大气循环模式，发现在大气中观察到的气流仅限于深度不超过1000公里的“天气层”。

大天王星和海王星的长期天气预报是什么？这些行星是以超过1000公里/小时的速度吹来的极速风，像飓风一样的风暴，像地球一样大，可以持续数年的巨大气象系统，以及急速流动的急流。尽管在冬天，天王星的侧面都倾斜，两极朝向太阳，但两个行星的气候也相似。在这些行星的外表面上已经观察到了风；但是要了解他们的天气系统，我们需要对下面的情况有所了解。例如，大气模式是从地球深处产生的，还是局限于近地表的较浅过程？今天在《自然》网上发表的韦兹曼科学研究所，亚利桑那大学和特拉维夫大学的最新研究表明，在这两个世界上，表面上看到的风型只能延伸这么远。

对于没有固体表面的行星，了解大气环流并不简单，因为在固体表面没有固体，液体和气体层之间的地球式边界。自从Voyager II宇宙飞船在1980年代发现这些强风以来，这些风的垂直范围一直是一个重大难题–影响我们对控制这些行星的大气动力学和内部结构的物理学的理解。但是，由魏兹曼研究所环境科学和能源研究部的Yohai Kaspi博士领导的团队意识到，他们有一种方法可以基于一种新颖的方法来分析行星的引力场，从而确定大气层厚度的上限层。

行星质量分布的偏差会导致重力场发生可测量的波动。例如，在地球上，在一座大山附近飞行的飞机会感觉到那座山稍有额外的引力。像地球一样，太阳系的巨型行星也是快速旋转的物体。实际上，它们的旋转速度都比地球快；天王星和海王星的旋转周期分别约为17和16小时。由于这种快速旋转，风绕着高压区域和低压区域旋转。（在非旋转体中，流量会从高压到低压。）这使研究人员能够推断出压力和密度的分布与行星的风场之间的关系。这些物理原理使Kaspi及其合作者首次能够计算出风型的重力特征，从而创建了这些行星的风致重力图。

特拉维夫大学团队成员Ravit Helled博士通过计算各种理想行星模型的引力场（无风），并将其与观测到的引力场进行比较，这是对气象贡献的上限获得了引力场。这使Kaspi的团队（其中包括Profs。）成为可能。亚利桑那大学的Adam Showman和Bill Hubbard以及魏茨曼研究所的Oded Aharonson教授表明，在大气中观察到的气流仅限于深度不超过1000公里的“天气层” ，它们仅占这些行星质量的百分之一。

尽管没有计划在不久的将来执行对天王星和海王星的航天器飞行任务，但卡斯皮预计，该团队的发现将有助于分析不久将密切观察的另一组大气环流模式：木星。卡斯比（Kaspi），地狱（Helled）和哈伯德（Hubbard）是美国宇航局（NASA）飞往木星的朱诺（Juno）航天器科学团队的成员。Juno于2011年推出；在2016年到达木星后，它将提供对这个巨大气态行星重力场的非常精确的测量。使用与本研究相同的方法，Kaspi预计他们将能够获得与天王星和海王星获得的信息相同的信息：即，限制该行星的大气动力学深度。

天王星和海王星是太阳系中最遥远的行星，关于其形成和组成还有许多悬而未决的问题。这项研究对于揭示它们深沉黑暗的内部空间的奥秘，甚至可能提供有关这些行星是如何形成的信息。此外，已经发现在其他恒星周围发现的许多太阳系外行星具有与天王星和海王星相似的质量，因此，这项研究对于理解同样大小的太阳系外行星也将是重要的。

出版物：尤海·卡斯皮（Yohai Kaspi），“天王星和海王星上的射流的大气限制”，《自然》 497号，第344-347页，（2013年5月16日）； doi：10.1038 / nature12131

图像：威兹曼科学研究所Yohai Kaspi；美国宇航局