科学家发现土星上存在巨大的能量不平衡

休斯顿大学研究人员的一项发现揭示了土星上存在巨大的能量不平衡，为行星科学和演化提供了新的见解，并对太阳系气态巨行星的现有气候模型提出了挑战。该研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

休斯顿大学自然科学与数学学院物理学教授李黎明表示：“这是首次在气态巨行星上观察到季节性全球能量不平衡现象。这不仅让我们对行星的形成和演化有了新的认识，也改变了我们对行星和大气科学的思考方式。”

利用卡西尼号探测器任务的数据，美国国家航天局地球与大气科学系三年级博士生王欣悦发现土星上存在着明显的、此前未知的季节性能量不平衡。

王说：“每颗行星都以太阳辐射的形式从太阳获得能量，并通过发出热辐射损失能量。但土星和其他气态巨行星一样，还有另一种能量输入形式，即深层内部热量，影响其热结构和气候。”

这种不平衡是由于土星轨道偏心率较大造成的，从远日点(轨道上距离太阳最远的点)到近日点(轨道上距离太阳最近的点)轨道偏心率相差近 20%，导致吸收的太阳能量随季节变化很大。与土星不同，地球由于轨道偏心率很小，因此不会出现明显的季节性能量不平衡。

“地球确实有可测量的能量预算，但它主要取决于吸收的太阳能和释放的热能，”大气科学教授姜勋说。“地球内部的热量可以忽略不计，它的季节只有几个月，而土星的季节则长达数年。”

数据还表明，土星不平衡的能量预算在巨型风暴的形成中起着关键作用，而巨型风暴是土星大气系统中的主要天气现象。这些数据也可能为了解地球的天气提供一些见解。

“据我们所知，能量预算在地球湿对流风暴发展中的作用尚未得到充分研究，因此我们计划对此进行调查，看看是否存在联系，”王说。

卡西尼号任务是美国宇航局、欧洲航天局和意大利航天局的一项雄心勃勃的合作计划，于 1997 年启动，对土星及其光环和卫星进行了近 20 年的探索。李教授被选为参与科学家，负责监测机载三台仪器，观察土星的辐射能量收支。

王教授与研究生同学 Larry Guan(物理学)、Thishan D. Karandana G 和 Ronald Albright(地球和大气科学)在李教授和江教授的指导下进行了这项研究。

王说：“在目前的大气、气候和气态巨行星演化的模型和理论中，全球能量预算被认为是平衡的。但我们认为，我们发现了这种季节性能量不平衡，因此有必要重新评估这些模型和理论。”

李的团队现在把目光投向了其他气态巨行星，包括天王星，他们计划在未来十年内对天王星进行旗舰探测任务。

王说：“我们的数据表明，这些行星也将存在严重的能量不平衡，尤其是天王星，我们预测，由于其轨道偏心率和极高的倾角，它的不平衡将最为严重。”“我们现在正在研究的是找出当前观测的局限性，并提出可验证的假设，这将有利于未来的旗舰任务。”

除了休斯顿大学的研究人员外，这项研究的作者还包括来自美国宇航局、威斯康星大学、马里兰大学、中佛罗里达大学和加州大学圣克鲁斯分校的科学家，以及来自法国和西班牙的科学家。

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