出品：科普中國
製作：haibaraemily
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
除了絢麗的環系，土星最讓人著迷的可能就是北極的六邊形結構了。
土星北極六邊形（圖片來源：NASA）
儘管這個神秘的六邊形總不輕易揭開它的面紗。
1981年8月，旅行者2號探測器近距離飛掠土星，但當時並沒有發現北極有六邊形結構。
確實，旅行者2號當時傳回了很多包含了土星北極的照片，但些照片並不是正對極區拍攝的，因此很長一段時間裡，人們都沒有從這些被高度拉伸變形的北極照片中看出什麼…直到7年後。
1988年，美國國家光學天文臺的Godfrey重新處理了這些照片[1]，他將這些照片重新投影和拼接，才驚訝地發現土星的北緯77°附近居然有一個如此之大的六邊形渦旋結構——每條邊長達1.38萬公里，比地球的直徑還要長。
"拼圖"裡發現的土星北極六邊形。（圖片來源：參考文獻[1]）
漫長的四季
那土星的南極有沒有類似的結構呢？那時候還不知道。
因為旅行者2號飛過土星時，正逢土星南半球的冬季——整個南極都淹沒在一片黑暗之中。
而旅行者2號的軌道設計只是飛掠而過，看完這一眼就再也沒有回頭。
是的，遙遠的土星有一點和咱們的地球挺像的，那就是自轉軸傾角（也就是自轉軸和公轉軌道面的夾角）都是20多度，這意味著土星和地球一樣，也有明顯的四季更迭，南北極也有極晝和極夜——只不過，土星的一年差不多有29.5個地球年那麼長，也就是說，土星上的每個季節，是地球的30倍長。
當然，後來等到土星的南極從黑暗中露出臉來，一些地基天文望遠鏡和哈勃空間望遠鏡都對土星的南北極進行過觀測，然而，南極並沒有這樣的六邊形渦旋，只有一個巨大的圓形的渦旋。
也就是說，土星北極的六邊形結構不管是在太陽系中，還是在土星上，都是獨一無二的。
卡西尼號拍攝的土星南極和北極。南極有一個巨大的圓形渦旋，而北極則是一個穩定的六邊形結構加上極點3°附近的一個小型渦旋。(圖片來源：NASA)
然而，還是由於土星的豪華超長版四季，我們很難持續跟蹤土星南北極渦旋隨季節的變化，不要說一個土星年了，跟蹤半個土星年（14.7個地球年）都很難。
直到卡西尼號探測器的到來。
1997年10月15日，卡西尼號發射於美國卡納維拉爾角。
2004年6月30日，卡西尼號成功進入土星軌道，那時北半球的冬至（2002年10月）剛過去不久。
此後，卡西尼號開始了長達13年的土星探測，刷新了我們土星、土星環系和土星的多顆衛星的認識。
一直到2017年9月15日，一年前。
為了避免由於軌道失控汙染了土星的衛星們（尤其是土衛二這樣可能具備生命存在條件的衛星），卡西尼號選擇趁燃料還未耗盡之時主動撞向土星大氣層墜毀來結束任務。
卡西尼號結束任務。（圖片來源：NASA）
在這13年裡，卡西尼號是叱詫整個土星系的王者。
在這13年裡，卡西尼號也幸運地見證了土星的南半球如何從盛夏進入隆冬，而北半球又是如何從隆冬進入盛夏。
我們終於有了可以持續觀測土星北極六邊形隨季節變化的機會。尤其是通過卡西尼號的複合紅外光譜儀（CIRS）這個大殺器，它相當於是一個高階版三稜鏡，可以捕捉和分解近紅外信號，分析不同波長的輻射強度和不同化學成分的含量變化。
卡西尼號的結構和它攜帶的複合紅外光譜儀（CIRS）。（圖片來源：NASA）
北極：從冬天到春天
土星北極的六邊形結構發生在哪裡呢？之前認為，在土星的對流層。
和地球相似，對流層是土星最底層的大氣層，土星的雲都在這一層裡。隨著壓強增加，從對流層頂部往下有三種不同的物質凝結成雲：最上層是氨的冰，中間是氫硫化氨的冰，最下層是水冰。
土星的對流層和平流層。（圖片來源：改編自© 2011Pearson Education, Inc）
英國萊斯特大學的Fletcher小組通過跟蹤卡西尼號2004-2014年的探測數據，發現從2007-2013年底的土星北極亮溫圖中，北極的六邊形結構和極點的小渦旋在對流層中都穩定存在[2]。
卡西尼號的複合紅外光譜儀（CIRS）獲取的土星北極對流層的亮溫圖。不過需要注意的一點是，這裡的"亮溫"，其實是一種對輻射強度的等效表達，所以雖然是"溫度"，但其實並不是這個區域的實際溫度。（圖片來源：參考文獻[2]）
而與平流層的對比亮溫觀測也進一步證明，這個六邊形確實在對流層，因為平流層的亮溫圖裡就沒有看到任何六邊形的痕跡。
卡西尼號的複合紅外光譜儀（CIRS）獲取的土星北極平流層的亮溫圖，沒有看到任何六邊形的輪廓。（圖片來源：參考文獻[2]）
但Fletcher小組也發現，從冬季(2004年)到春季 (2014年)這一期間，北半球表現出的季節性變化其實並不顯著：儘管北半球如預期一樣在慢慢變暖，但完全比不上卡西尼任務開始階段觀測到的南半球盛夏時那樣的劇烈溫度變化[2]。
也就是說，在那個北半球即將到來的夏天，也就是卡西尼任務最後的幾年時間裡(2014–2017年)，土星的北極可能會突然變得活躍。
科學家們焦急地等待著卡西尼號用最後的時光來給出答案。
盛夏的平流層："另一個六邊形"？
2017年5月，土星北半球的夏至如期而至。
2017年9月，卡西尼號結束任務。
近期，Fletcher小組繼續分析了卡西尼號最後幾年的觀測數據，結果不僅填補了卡西尼長達13年的極區跟蹤觀測的最後一點空白，還發現了更大的驚喜：
土星北極的平流層在春夏之交也突然開始顯現出了和對流層六邊形一樣的六邊形結構！這一結果發表於2018年9月3日的《自然·通訊》雜誌[3]。
卡西尼號的複合紅外光譜儀（CIRS）獲取的土星北極平流層的亮溫圖，從2014年10月那張開始可以看到亮溫差異的六邊形輪廓，紅圈標出的是六邊形輪廓最清晰的幾張。（圖片來源：參考文獻[3]）
這個平流層中的六邊形會不會是自己獨立形成的？可能性不大，因為它和對流層那個六邊形太像了，很難想象在風雲變幻的土星大氣層中，會在相同位置的不同高度獨立形成兩個一模一樣的結構。
更可能的是，土星極區的六邊形結構並不僅僅侷限在對流層，而是穿破了對流層與平流層的邊界（也就是對流層頂），一直延伸到了平流層——那是一個高達300公里的六邊形高塔，從雲層中聳立出來。
不過，這個夏季才顯現出來的平流層六邊形結構是一直就有的嗎？我們還不能確定。由於2014年之前的平流層數據信號較弱，所以科學家們目前還無法確認這個平流層的六邊形塔到底是由於季節變化到了春夏才"升上來"的，還是一直就矗立在那裡。
北極渦旋：好像確實比南極弱一點？
儘管土星北極的六邊形渦旋在卡西尼任務的最後幾年裡確實變得更加活躍了，但即使在"巔峰"時期，土星北極溫度和風的變化依然沒有達到南極"巔峰"時的程度，北極大氣中的一些碳氫化合物的相對含量（尤其是乙炔、甲基乙炔、丙烷、丁二炔和二氧化碳）也遠低於南極，這意味著土星的北極渦旋可能確實沒有南極渦旋發育得那麼"成熟"。
這倒也不難理解，畢竟北半球的夏天發生在遠日點附近，而南半球的夏天則發生在近日點附近，南北極在夏天的能量積累情況有所不同。
另一方面，我們對南北極氣旋還有太多不瞭解的地方。儘管我們已經知道，土星北極的六邊形結構是與自轉相關的極區急流引起的，知道南北極氣旋的活躍會伴隨著溫度的升高和大氣中碳氫化合物的富集，但更具體的形成機制還不清楚。除了季節（光照）因素之外，還有很多因素會影響大氣的溫度和運動狀態，例如大氣下沉引起的溫度升高、大氣成分變化、乙烷和乙炔這類冷卻劑的影響、大氣層中的霾/氣溶膠的影響…這些我們都還遠遠未能深入瞭解。
比如這次的研究還發現，在平流層較低的位置（2 mbar到100 mbar的高度之間）（越高的地方氣壓越小，1 bar約等於地球上的一個標準大氣壓），北極的觀測溫度與之前的理論估計比較吻合，而南極的觀測溫度卻整體比理論值偏高，這意味著我們之前對土星大氣溫度的理論估計中漏掉了某種只有南極才有的熱源，也意味著我們對極區溫度變化機制的理解是不完備的。
南北極的溫度隨高度變化曲線，黑色實線和虛線是理論值，彩色是實際觀測值。（圖片來源：參考文獻[3]）
還有一種可能是，北半球在夏至之後還會繼續變活躍，甚至會持續到秋分。或者說，北半球活躍期的巔峰還沒有完全到來。
但很可惜的是，卡西尼號沒有機會證實這一點了。
或許接下來的地基天文望遠鏡和空間望遠鏡可以做一定的後續跟進觀測。
比如…作者在最後表示，也可以期待萬年跳票的詹姆斯韋伯望遠鏡啊。（你們是認真的麼？）
參考文獻
[1] Godfrey, D. A.(1988). A hexagonal feature around Saturn's north pole. Icarus, 76(2), 335-356.
[2] Fletcher, Leigh N.,et al. "Seasonal evolution of Saturn's polar temperatures andcomposition." Icarus 250 (2015): 131-153.
[3] Fletcher, L. N., Orton, G. S., Sinclair, J. A., Guerlet, S.,Read, P. L., Antuñano, A., ... & Hurley, J. (2018). A hexagon in Saturn'snorthern stratosphere surrounding the emerging summertime polar vortex. Nature communications, 9.
（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）
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