[论文解读] Meridional variations of C$_2$H$_2$ in Jupiter's stratosphere from Juno UVS observations

Rohini Giles|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Astro and Planetary Science参考文献 34被引用 1

一句话总结

本研究利用朱诺号紫外分光仪（Juno UVS）获取的木星大气层远紫外光反射数据，首次实现了对木星大气层中乙炔（C₂H₂）的全行星经向反演。结果证实，乙炔浓度在极区附近降低2–4倍，与赤道区由紫外光解驱动的生成作用一致，且水平混合不足以使分布均匀化，为大气层混合 timescales 提供了新的约束。

ABSTRACT

The UVS instrument on the Juno mission records far-ultraviolet reflected sunlight from Jupiter. These spectra are sensitive to the abundances of chemical species in the upper atmosphere and to the distribution of the stratospheric haze layer. We combine observations from the first 30 perijoves of the mission in order to study the meridional distribution of acetylene (C$_2$H$_2$) in Jupiter's stratosphere. We find that the abundance of C$_2$H$_2$ decreases towards the poles by a factor of 2-4, in agreement with previous analyses of mid-infrared spectra. This result is expected from insolation rates: near the equator, the UV solar flux is higher, allowing more C$_2$H$_2$ to be generated from the UV photolysis of CH$_4$. The decrease in abundance towards the poles suggests that horizontal mixing rates are not rapid enough to homogenize the latitudinal distribution.

研究动机与目标

• 利用朱诺号 UVS 仪器获取的远紫外光反射光谱，绘制木星平流层中乙炔（C₂H₂）的经向分布。
• 研究乙炔浓度的纬向变化及其对大气混合与光化学过程的启示。
• 将紫外光谱反演得到的乙炔分布与以往红外观测结果进行比较，评估其一致性与时间演变特征。
• 利用观测到的非平衡态碳氢化合物经向梯度，约束木星平流层的水平混合 timescales。
• 由于极光区域存在复杂的发射贡献，排除极光区参与分析，聚焦于非极光区的纬向趋势。

提出的方法

• 利用朱诺号任务的30次近木点观测，获取远紫外光反射光谱数据，数据来自 UVS 仪器。
• 应用 NEMESIS 辐射传输与反演工具，对观测光谱进行反演，获取 C₂H₂ 体积混合比垂直分布。
• 利用边缘探测几何与光谱拟合方法，在多个气压水平（低于5–50 mbar）反演经向浓度分布。
• 排除高纬度极光区光谱，以避免极光发射的干扰，集中研究非极光区平流层化学过程。
• 将反演得到的 C₂H₂ 分布与以往基于红外数据的研究进行比较，数据来源包括卡西尼号 CIRS、旅行者号 IRIS 及地面 TEXES 望远镜。
• 利用120–210 nm 波段内的光谱特征，特别是 C₂H₂ 的吸收特征，推断柱浓度及其纬向变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于朱诺号 UVS 远紫外观测，木星平流层中乙炔（C₂H₂）的经向分布如何？
• RQ2 观测到的 C₂H₂ 浓度梯度与卡西尼号及地面望远镜的红外测量结果相比有何异同？
• RQ3 C₂H₂ 浓度的纬向变化在多大程度上反映了太阳辐射驱动的光化学过程，而非水平混合的限制？
• RQ4 C₂H₂ 浓度是否存在南北不对称性？其与不同任务和不同季节的早期观测结果相比如何？
• RQ5 观测到的 C₂H₂ 分布能否用于推断木星平流层的水平混合 timescales？

主要发现

• C₂H₂ 浓度在极区附近降低2–4倍，与高纬度区域紫外辐射通量较低、光化学生成减少一致。
• 观测到的经向梯度支持 C₂H₂ 为非平衡态物种的假设，其分布受光化学生成速率与水平混合不足的共同控制。
• 在低纬度区域未观测到明显的南北不对称性，与早期卡西尼号 CIRS 数据显示的20°N 处浓度峰值形成对比。
• C₂H₂ 浓度梯度在多个数据集中保持一致，包括卡西尼号 CIRS（2000年）、地面 TEXES（2014年，2013–2017年）以及本研究的朱诺号 UVS（2016–2020年），表明存在持久的纬向趋势。
• 尽管木星轨道存在偏心率，但 C₂H₂ 梯度在长时间尺度上无显著季节性变化，表明该高度区域的季节效应微弱。
• 结果验证了紫外光谱法在平流层痕量气体反演中的有效性，并展示了朱诺号 UVS 在极光科学之外的平流层大气化学研究中的潜力。