多年來，土星似乎在做不可能的事。
測量結果表明，這顆巨行星的自轉速度隨著時間的推移而變化，就好像土星以某種方式加速或減慢一樣。這令人驚訝的結果讓科學家們尋找答案。現在，使用詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）的研究人員表示，他們終於解開了這個謎團。
新發現發表在期刊上 地球物理研究雜誌：太空物理學揭示土星壯觀的北極光是這現象的核心。研究表明，土星的極光驅動了一個強大的循環，其中包括熱、風和電流，這些循環似乎以不同的速度旋轉，這取決於土星的測量方式。
土星自轉之謎
這個謎題已有數十年歷史，但在 2004 年美國太空總署卡西尼號太空船的觀測表明土星的自轉速度正在逐漸變化後，它再次受到關注。
這個結果很難解釋，因為行星只會在短時間內改變它們的自轉速度。
2021年，諾森比亞大學湯姆·斯塔拉德教授領導的團隊提出了另一種解釋。他們的研究顯示土星的自轉並沒有真正改變。相反，與土星極光相關的電訊號受到土星高層大氣中的風的影響。這些風產生的電流改變了科學家用來計算地球自轉的極光訊號。
雖然這項研究解釋了誤導性的測量結果，但一個主要問題仍未得到解答：是什麼驅動了這些大氣風？
詹姆斯·韋伯繪製土星極光地圖
為了進行調查，斯塔拉德和來自英國和美國機構的同事求助於詹姆斯韋伯太空望遠鏡。
研究團隊在整個土星日連續觀察土星的北極光區域。這些觀察結果提供了先前的儀器無法達到的詳細程度。
研究人員專注於一種被稱為三氫陽離子的分子發出的紅外光。這種分子是在土星的高層大氣中形成的，可以作為天然的溫度指示器。透過分析土星的亮度，研究團隊繪製了土星極光區域有史以來最詳細的溫度和帶電粒子密度圖。
準確性的提高是顯著的。早期測量的不確定度約為攝氏 50 度，因此很難偵測到細微的變化。詹姆斯韋伯太空望遠鏡的觀測結果精確十倍，科學家首次能夠辨識局部暖化和變冷的模式。
自持行星熱機
新數據與十多年前開發的電腦模型的預測相符。然而，只有當大氣加熱源位於最強的極光粒子進入土星大氣層的地方時，這些模型才有效。
結果表明，土星極光的作用遠不止創造一場令人眼花繚亂的燈光秀。
極光儲存的能量加熱了大氣的特定區域。這種加熱會產生風，然後產生電流。這些電流有助於為極光本身提供燃料，因為它繼續加熱大氣並保持循環的進行。
首席研究員湯姆·斯塔拉德（Tom Stallard）說：“我們所看到的本質上是一個行星熱泵。土星的極光加熱了它的大氣層，大氣驅動了風，風產生了供給極光的電流，等等。這個系統可以自我供給。”
「幾十年來，我們都知道土星的表觀自轉速度發生了一些奇怪的事情，但我們無法解釋它。然後我們證明大氣風正在驅動它，但我們仍然不知道為什麼這些風存在。JWST 實現的這些新觀測最終為我們提供了閉合該循環所需的證據。”
土星以外的影響
這項發現可能不僅僅意味著一顆行星。
研究人員證明，土星的大氣層和磁層是緊密相連的。磁層是由行星磁場形成的廣大空間區域。大氣層中的活動似乎會影響磁層的狀況，磁層將能量放回大氣層。
這種不斷的交換可能有助於解釋為什麼該過程在很長一段時間內保持穩定。
研究人員表示，類似的相互作用也可能發生在其他行星上。
斯塔拉德教授補充說：“這一結果改變了我們對行星大氣的總體看法。行星的大氣條件可以將電流驅動到周圍的空間環境中，因此了解其他世界平流層中發生的情況可以揭示我們尚未想像到的相互作用。”
國際研究努力
詹姆斯韋伯太空望遠鏡是世界領先的太空科學天文台。望遠鏡旨在研究整個太陽系的物體，研究繞著遙遠恆星運行的行星，並研究宇宙的起源和演化。 Webb 是一個由 NASA 領導、與 ESA（歐洲太空總署）和 CSA（加拿大航太局）合作的國際計畫。
這項研究由諾森比亞大學的研究人員與波士頓大學、萊斯特大學、阿伯里斯特威斯大學、雷丁大學、倫敦帝國學院、蘭卡斯特大學和約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的合作者進行。該研究的資金由科學技術設施委員會（STFC）提供。
