海王星消失的云层与太阳周期有关
天文学家们发现了海王星云层的增减变化与11年太阳活动周期之间的联系。太阳交织磁场的增强和减弱驱动着太阳活动。
这一发现基于NASA的哈勃太空望远镜和位于夏威夷的凯克天文台三十年的海王星观测数据，以及来自加利福尼亚州的利克天文台的数据。
这组哈勃太空望远镜的图像记录了海王星云层的增减变化。这一长时间的观测显示，在太阳活动周期达到顶峰后，云层的数量会越来越多——太阳的活动水平每隔11年左右有周期性的增减。这些变化是由光化学反应引起，光化学反应发生在海王星的高层大气中，并需要一定时间形成云层。1989年，NASA的旅行者2号探测器首次提供了海王星大气中线性、明亮的云层的近距离图像，这些云层让人联想到地球上的卷云，它们形成在海王星大气中的大部分甲烷的上方，反射太阳光的所有颜色，因此呈现为白色。哈勃望远镜接续了旅行者的短暂飞越，并持续每年对该行星进行观测。
影像来源：NASA, ESA, Erandi Chavez (UC Berkeley), Imke de Pater (UC Berkeley)
海王星与太阳活动之间的联系让行星科学家感到惊讶，因为海王星是我们太阳系中最远的大型行星，接收到的太阳光强度只有地球的约0.1%。然而，海王星全球的多云天气似乎是由太阳活动驱动，，而不是由该行星的持续大约40年的季节所决定。
目前，在海王星上的云层覆盖率极低，只有一些云层盘旋在这颗巨大行星的南极上空。加州大学伯克利分校领导的一个天文学家团队发现，在冰巨星中纬度通常可见的大量云层在2019年开始减少。
“即使是现在，四年过去了，我们在今年6月拍摄的最新图像仍然显示云层还没有恢复到以前的水平。”马萨诸塞州剑桥市哈佛史密森尼天体物理中心（CfA）的研究生埃兰迪·查韦斯说，她在加州大学伯克利分校读天文学本科时领导了这项研究。“这非常令人兴奋和意外，特别是考虑到海王星以前的低云活动期没有那么戏剧性和持久。”
为了监测海王星外观的演变，查韦斯及其团队分析了2002年至2022年的凯克天文台图像，从1994年开始的哈勃太空望远镜存档观测数据，以及2018年至2019年的加利福尼亚州利克天文台的数据。
近年来，利克天文台的观测结果得到了暮光领域项目和哈勃外行星大气遗产（OPAL）项目的图像补充。
这些图像显示了海王星云层覆盖的季节性变化与太阳活动周期之间的有趣关联。太阳活动周期是太阳磁场每11年翻转一次，并变得越来越纠缠，就像一团纱线。通过太阳黑子数量的增加和太阳耀斑活动的增加，这一关联变得明显。随着周期的进展，太阳的暴躁行为达到最大值，然后磁场减弱并反转极性。然后，太阳逐渐平静下来，开始另一个周期。
这组哈勃太空望远镜的图像记录了海王星云层的增减变化。这一长时间的观测显示，在太阳活动周期达到顶峰后，云层的数量会越来越多——太阳的活动水平每隔11年左右有周期性的增减。太阳的紫外线辐射水平标在纵轴上。从1994年到2022年的11年周期沿着底部绘制。沿着顶部的哈勃观测清楚地显示了云量和太阳活动峰值之间的相关性。这些变化是由光化学反应引起，光化学反应发生在海王星的高层大气中，并需要一定时间形成云层。
影像来源：NASA, ESA, LASP, Erandi Chavez (UC Berkeley), Imke de Pater (UC Berkeley)
当太阳上出现暴风雨天气时，更强烈的紫外线（UV）辐射会淹没太阳系。研究团队发现，在太阳活动周期高峰两年后，海王星上出现了越来越多的云。该团队进一步发现，云的数量与冰巨星反射的阳光的亮度之间存在正相关。
“这些显著的数据为我们提供了迄今为止最强的证据，证明海王星的云层覆盖与太阳周期相关。”德帕特说。“我们的发现支持了这样一个理论，即太阳的紫外线在足够强时，可能会引发光化学反应，产生海王星的云。”
科学家通过观察29年海王星观测记录的2.5个云层活动周期，发现了太阳周期和海王星多云天气模式之间的联系。在此期间，这颗行星的反射率在2002年增加，然后在2007年下降。海王星在2015年再次变亮，然后在2020年变暗到有史以来观测到的最低水平，也就是大部分云层消失的时候。
太阳引起的海王星亮度的变化似乎与行星上云层的增减相对同步。然而，在太阳周期的高峰和海王星上看到的大量云层之间有两年的时间延迟。这些化学变化是由光化学引起，光化学发生在海王星的高层大气中，需要时间才能形成云层。
“能够使用地球上的望远镜来研究距离我们超过25亿英里的世界的气候，这很有趣。”凯克天文台的天文学家、该研究的合著者卡洛斯·阿尔瓦雷斯说。“技术和观测的进步使我们能够限制海王星的大气模型，这是理解冰巨星气候和太阳周期之间相关性的关键。”
然而，还需要做更多的工作。例如，虽然紫外线照射的增加会产生更多的云和雾，但也会使它们变暗，从而降低海王星的整体亮度。海王星上从大气层深处升起的风暴影响云层覆盖，但与光化学产生的云无关，因此可能使与太阳周期的相关性研究复杂化。还需要继续观察海王星，看看目前几乎没有云的情况会持续多久。
研究团队继续追踪海王星的云活动。“我们在最新的凯克图像中看到了更多的云，这些图像是在NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜观测这颗行星的同时所拍摄；这些云在北纬地区和高海拔地区尤其明显，正如在过去大约2年中观测到的太阳紫外线通量增加所预期的那样。”德帕特说。
来自哈勃、韦伯太空望远镜、凯克天文台和利克天文台的综合数据将有助于进一步研究导致海王星动态外观的物理和化学，这反过来可能有助于加深天文学家对海王星和系外行星的了解，因为我们太阳系以外的许多行星被认为具有类似海王星的性质。
这些发现发表在《伊卡洛斯》杂志上。
影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center; 首席制片人：Paul Morris
哈勃太空望远镜是NASA和ESA的一个国际合作项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理着这架望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜和韦伯望远镜的科学操作。STScI由华盛顿特区特区大学天文研究协会为NASA运营。