土星的绚丽极光，风创造的宇宙奇观

　　研究发现，土星的高空风产生了非凡的极光
　　土星的红外图像在其南极显示极光，由卡西尼号航天器捕获。图片来源：NASA，Cassini，VIMS团队，亚利桑那大学，莱斯特大学，JPL，ASI
　　土星在迄今为止观测到的行星中是独一无二的，因为它的一些极光是由其自身大气层内的旋转风产生的，而不仅仅是来自行星周围的磁层。
　　在包括地球在内的所有其他观测到的行星上，极光仅由从周围磁层流入行星大气层的强大电流形成。这些是由与来自太阳的带电粒子（如地球）或从绕行星运行的月球喷发的火山物质（如木星和土星）的相互作用驱动的。
　　这一发现改变了科学家对行星极光的理解，并回答了2004年到达土星的美国宇航局卡西尼号探测器提出的第一个谜团之一：为什么我们不能轻易测量环形行星上一天的长度？
　　当它第一次到达土星时，卡西尼试图通过跟踪土星大气层的无线电发射＂脉冲＂来测量行星的体积自转速率，这决定了它一天的长度。令那些进行测量的人感到非常惊讶的是，他们发现，自1981年最后一艘飞越地球的航天器旅行者2号（也由美国宇航局运营）以来的二十年中，这个速度似乎发生了变化。
　　Leicester博士研究员Nahid Chowdhury是物理与天文学学院行星科学小组的成员，也是该研究的通讯作者，该研究发表在《地球物理研究快报》上。他说：
　　＂土星的内部自转速率必须是恒定的，但几十年来，研究人员已经表明，与土星相关的许多周期性特性 - 我们在其他行星上用于理解内部自转速率的测量值，例如无线电发射 - 往往会随着时间的推移而变化。更重要的是，在北半球和南半球也可以看到独立的周期性特征，这些特征本身在地球上的一个季节中会有所不同。
　　＂我们对行星内部物理学的理解告诉我们，行星的真实自转速度不会这么快改变，所以土星上一定发生了一些独特而奇怪的事情。自美国宇航局卡西尼号任务出现以来，已经吹捧了几种理论，试图解释这些观察到的周期背后的机制。这项研究代表了对位于行星高层大气中的基本驱动因素的首次探测，该驱动器继续产生观测到的行星周期和极光。
　　显示土星大气层内风向的简化图。图片来源：Nahid Chowdhury/University of Leicester
　　＂能够为我们这个领域最长的问题之一提供答案，这绝对令人兴奋。这可能会引发一些关于当地大气天气对行星的影响如何影响极光的产生，不仅在我们自己的太阳系中，而且在更远的地方。
　　莱斯特大学的天文学家和行星科学家与美国宇航局喷气推进实验室（JPL），日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和威斯康星大学麦迪逊分校，波士顿和兰开斯特大学以及伦敦帝国理工学院和大学学院的同事一起领导了一项研究，以解决这个已有数十年历史的问题。
　　他们使用夏威夷凯克天文台测量了气态巨星高层大气的红外辐射，并绘制了2017年一个月内土星电离层的变化流量，远低于磁层。
　　这张地图与土星射电极光的已知脉冲相映成趣，表明该行星的极光中有很大一部分是由其大气中的天气漩涡模式产生的，并且是该行星观测到的可变旋转速率的原因。
　　研究人员认为，该系统是由土星热层的能量驱动的，电离层的风力在每秒0.3至3.0公里之间。
　　莱斯特大学行星天文学副教授Tom Stallard博士补充说：
　　＂莱斯特大学长期以来一直参与测量这一新发现的影响 - 我们已经观察到脉冲极光和延伸到太空的摇摆磁场线如何突出明显变化的旋转速率。二十年来，我们的研究人员以及更广泛的科学界一直在推测是什么可能推动了这些奇怪的周期。
　　＂多年来，科学会议一直在深夜讨论火山卫星土卫二是否可能是原因，或者与月球泰坦厚厚的大气层相互作用，或者可能与土星的明亮环相互作用。但最近，许多研究人员都把重点放在了土星高层大气导致这种变异的可能性上。
　　＂这种对新型极光的探索可以追溯到一些关于地球极光的最早理论。我们现在知道，地球上的极光是由与从太阳驱动的带电粒子流的相互作用驱动的。但我喜欢北极光这个名字源于＂北风的黎明＂。这些观测结果表明，土星有一个真正的北极光 - 有史以来第一个由行星大气中的风驱动的极光。
　　该研究的JPL-Caltech合著者，Cassini科学团队成员Kevin Baines博士补充说：
　　＂我们的研究，通过最终确定无线电脉冲中神秘变异性的起源，消除了土星体积自转速率和土星上一天的长度的大部分混淆。
　　由于在土星观测到的可变旋转速率，科学家们被阻止使用无线电发射的常规脉冲来计算体积内部旋转速率。幸运的是，卡西尼号科学家利用土星复杂环系统中的重力引起的扰动开发了一种新方法，现在这似乎是测量土星体旋转周期的最准确方法，该周期在2019年被确定为10小时33分38秒。
　　莱斯特大学的行星研究跨越了我们太阳系的广度 - 甚至更远。
　　莱斯特的研究人员是朱诺号任务的成员，该任务由一个全球天文学家团队组成，该团队观测土星的大质量邻居木星，并且正在领导最近发射的詹姆斯韦伯太空望远镜对太阳系外行星的观测。莱斯特还在欧洲航天局（ESA）的木星冰月探测器（JUICE）的科学和仪器仪表方面发挥了主导作用，该探测器将于2022年晚些时候发射。
　　＂土星的天气驱动的极光调制磁场和无线电发射中的振荡＂发表在《地球物理研究快报》上。