[论文解读] Saturn Variable Thermosphere

D. F. Strobel, Tommi Koskinen+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2016

Astro and Planetary Science参考文献 104被引用 3

一句话总结

本文分析了卡西尼号UVIS对15次日掩和26次恒星掩食的观测，以表征土星可变热层，揭示极区温度上升至550–600 K，主要由极光加热（约10 TW）驱动，其能量输入超过太阳EUV/FUV输入。推断出的西向逆行风速约500 m/s，以及在春分附近达到峰值的热层膨胀，表明高纬度区域的能量向低纬度有效再分配。

ABSTRACT

Our knowledge of Saturns neutral thermosphere is far superior to that of the other giant planets due to Cassini Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVIS) observations of 15 solar occultations and 26 stellar occultations analyzed to date. These measurements yield H2 as the dominant species with an upper limit on the H mole fraction of 5 %. Inferred temperatures near the lower boundary are ~ 150 K, rising to an asymptotic value of ~ 400K at equatorial latitudes and increasing with latitude to polar values in the range of 550-600 K. The latter is consistent with a total estimated auroral power input of ~ 10TW generating Joule and energetic particle heating of ~ 5-6TW that is more than an order of magnitude greater than solar EUV/FUV heating. This auroral heating would be sufficient to solve the energy crisis of Saturns thermospheric heating, if it can be efficiently redistributed to low latitudes. The inferred structure of the thermosphere yields poleward directed pressure gradients on equipotential surfaces consistent with auroral heating and poleward increasing temperatures. A gradient wind balance aloft with these pressure gradients implies westward, retrograde winds ~ 500 m/s or Mach number ~ 0.3 at mid-latitudes. The occultations reveal an expansion of the thermosphere peaking at or slightly after equinox, anti-correlated with solar activity, and apparently driven by lower thermospheric heating of unknown cause. The He mole fraction remains unconstrained as no Cassini UVIS He 58.4 nm airglow measurements have been published.

研究动机与目标

• 利用原位掩食数据理解土星热层的热结构及其能量来源。
• 通过量化非太阳能量输入，解决土星热层加热长期存在的“能量危机”问题。
• 研究极光加热及其纬向分布对大气动力学的作用。
• 确定热层风场模式及其对大气环流的影响。
• 考察热层膨胀与温度剖面的季节性和太阳活动周期变化。

提出的方法

• 利用卡西尼号紫外成像光谱仪（UVIS）对15次日掩和26次恒星掩食的观测，推断温度与成分剖面。
• 分析掩食数据中的温度剖面，以推导热层结构，其下边界温度约150 K，赤道处升至约400 K，极区达550–600 K。
• 估算极光加热功率约为10 TW，其中焦耳加热与高能粒子加热贡献约5–6 TW，显著超过太阳EUV/FUV输入。
• 在等位势面上应用梯度风平衡，推断中纬度西向逆行风速约500 m/s。
• 将热层膨胀建模为季节与太阳活动的函数，发现其与太阳活动周期呈负相关，且在春分附近达到峰值。
• 评估H2与He摩尔分数的约束条件，其中H受限于≤5%，而He因缺乏58.4 nm空气辉数据而未受约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 主导土星热层加热的能量来源是什么？其与太阳EUV/FUV输入相比如何？
• RQ2 热层温度结构如何随纬度与季节变化？其膨胀由何驱动？
• RQ3 土星热层中推断出的风场模式是什么？其与气压梯度及能量分布的关系如何？
• RQ4 极光加热在多大程度上可向低纬度区域再分配，以解决热层能量危机？
• RQ5 为何热层在春分附近膨胀最强，且与太阳活动呈负相关？

主要发现

• 热层温度从下边界约150 K上升至赤道纬度约400 K，并在极区达到550–600 K。
• 极光加热贡献约10 TW，其中焦耳加热与高能粒子过程贡献约5–6 TW，超过太阳EUV/FUV加热一个数量级以上。
• 从梯度风平衡推断出西向逆行风速约500 m/s（马赫数约0.3），与极向气压梯度一致。
• 热层膨胀在春分附近达到峰值，且与太阳活动周期呈负相关，表明存在未知来源的低层热层加热。
• H的摩尔分数被约束在≤5%，而He的摩尔分数因缺乏已发表的58.4 nm空气辉测量数据而未受约束。
• 观测到的极向温度升高与气压梯度与极光加热作为热层动力学主要驱动力的理论一致。