根据发表在AGU《地球物理研究快报》上的一项新研究，土星那颗朦胧的卫星土卫六（泰坦）拥有一个类似地球的长寿命冬季极地涡旋。土卫六是太阳系中第二大卫星，也是唯一一颗大气层与地球相当厚的卫星。土星卫星可能是太阳系中最像地球的地方，有四季、雨水和表面湖泊，尽管它离太阳的距离是地球的10倍，而且非常冷。土卫六的平流层和地球平流层一样，其特征是更靠近地表的较冷层和更高的较暖层，并且是极地涡旋的区域，一种冬季覆盖在两极的冷空气帽。在北美，这一现象也会导致冬季的严寒。
在地球上，极地涡旋通常在春季消散。这项新研究发现，土卫六北半球的极地涡旋会持续超过月球的夏至，持续到地球6月下旬，持续四分之三土卫六年，即大约22个地球年。这项新研究使用了美国宇航局卡西尼号宇宙飞船和地球上发展起来的大气科学测量数据，以了解土卫六上观察到的季节变化。这项新研究扩展了研究人员先前的工作，他们认为泰坦上极地涡旋的存在解释了月球平流层中微量气体的富集，而微量气体的富集解释了南半球涡旋在初冬时观测到的异常寒冷。
土卫六（泰坦）南极涡旋，图片：NASA/JPL-Caltech/Space Science InstituteNASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
根据这项新研究，微量气体导致的冷却和下沉空气导致的变暖将泰坦冬季分为两个阶段。英国布里斯托尔大学(University of Bristol)行星科学家、新研究的主要作者尼克·廷比(Nick Teanby)说：地球在冬天会因为两极缺乏阳光而变冷，但额外的气体不会产生这种额外影响，而在泰坦上，你会发现这些奇怪的气体，这使得这个过程比其他情况下更加极端。Teanby和同事之前的工作描述了微量气体和极地涡旋之间的关系，但是这项新研究是第一次全面分析泰坦平流层的温度和组成季节变化，基于卡西尼号整个土星系统13年的红外测绘数据。
受美国宇航局卡西尼号任务数据的启发，在土卫六北极北部的冬季，当北极偏离太阳时，会有漩涡和高浓度的有机气体聚集在那里。当土卫六经过春分和北极向太阳倾斜时，在南极形成了一个漩涡。在土星的卫星上，冬天是漫长的，那里一年持续29.5个地球年。图片：ESA
Aeolis Research行星大气专家克莱尔纽曼(Claire Newman)说：这是第一次有一篇论文研究了卡西尼号的整个数据集，涵盖了泰坦年近一半的时间，研究了南北极地涡旋的演化可能有何不同，依靠这些观测来了解模型是如何正确地捕捉到土卫六本身发生了什么。在未来，这项新研究作者希望有足够的数据将地球大气模型应用到土卫六上，并试图预测月球上的气候趋势。在一个全新的世界上测试模型可以帮助科学家们使模型更加稳定。有一天，土星这颗不寻常的卫星可能会帮助科学家更好地了解地球大气层。
冬季旋涡
有趣的是，泰坦就像一个微型地球，有着非常奇特和寒冷的大气层，可以用它来测试气候模型和类似的东西。这就是我们烦恼的原因所在，但我想真正的动机是，尝试着解决这些问题真的很酷。土卫六的自转轴与地球自转轴倾斜度大致相同，这使得卫星的季节与地球相似，但土卫六和土星围绕太阳公转的周期长达29个地球年。美国宇航局卡西尼号宇宙飞船观测到了土卫六季节的变化，从冬季中期到北半球夏至。
当卡西尼号在2004年到达土星时，土卫六的北极被极地涡旋所包围，从南极到北纬45度左右，大约是地球上蒙大拿南部边界的位置。极地涡旋是一种由冷空气和低压组成的大帽子，冬天它位于两极，沿着地球或月球自转的方向旋转。强烈的西风急流环绕着南极，并带走了寒冷，造成了与赤道暖空气的明显分离。喷流屏障可以避免气团的混合，并将化学物质和冷空气留在涡流内。在地球上，这个大的大气系统边缘位于大约60纬度，加拿大育空地区的南部边界和北半球的西北地区。
日光穿过土卫六的大气层，在这张由卡西尼号于2018年6月拍摄的照片中，北极上空笼罩着一层雾霾，底部出现了一丝南极的votex信号。这张照片拍摄于2018年6月，大约是地球经过月球春分进入南半球冬季的三年时间。图片：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute
低纬度地区会遇到涡旋，就像去年1月北美遭遇的那样，当环绕地球的急流减弱或蜿蜒时。卡西尼号发现土卫六的北极涡旋在春分前后一直存在，并在夏天破裂，和地球上的涡旋很像，但在一年的晚些时候会持续。同时，在秋分后不久，一个新的涡旋开始在南极形成。令人惊讶的是，初期形成的南方涡旋比北方涡旋更冷，而北方涡旋只有在冬季才被观测到。这项新研究表明，这种差异可能是泰坦的化学物质在冬季早期形成的超冷阶段，而不是两极之间的内在差异。
奇怪的化学
新研究表明，泰坦的大气化学物质可能会加剧其极地涡旋。和地球的大气层一样，泰坦大气层主要是氮气，而表面的压力大约是地球海平面压力的1.5倍。但与地球不同的是，大气中剩下的2%主要是甲烷，这是天然气的主要成分，当泰坦上下雨时，就会产生碳氢化合物。在土卫六相对炎热的高层大气中，甲烷与来自太阳和土星磁场的能量发生反应，产生微量气体，如氰化物、乙烯、乙烷和更大的有机分子。这些气体中的一些构成了泰坦特有雾霾。卡西尼号在冬季两极观测到这些微量气体的富集，新研究发现，这种富集在冬季早期最为明显，那时北极也更冷。
在土卫六上，就像在地球上一样，赤道和暗冬极之间的温差最终导致了极地涡旋形成。在这两个世界上，冷空气都在下沉，在冬天把北极的上层大气往下拉。当微量气体向下混合进入较冷泰坦大气层中层时，它们会凝结成液体或固体云。浓缩微量气体就像一个水池，加速了更多微量气体从产生它们的大气层顶部向下的运动。微量气体通过发射红外线使泰坦平流层的寒层变得更冷。红外线刚好在可见光的光谱之外，人类可以感觉到它是热的。当微量气体发光时，它们就会失去能量，而能量通过向太空辐射而冷却大气。
这项新研究提出，现在更冷的空气下沉速度更快，处于一个寒冷的反馈循环中。这一切都发生在冬天的开始，所以冬天开始真的非常非常冷。最终，所有下沉空气引起压力增加产生了它自己的热量，从而抵消了反馈循环。作者认为这在泰坦的冬季形成了两个截然不同的阶段。当进入冬季越深，环流越发达，就会得到相反的效果，由于大气下沉时的压缩作用，平流层开始变暖。所以冬天有两个阶段是很奇怪。不完全确定这是怎么回事，但这是我们目前的理论。
