【摘要】 从 2014 年到 2024 年，NASA/ESA 哈勃太空望远镜一直在一个名为 OPAL（外行星大气遗产）的计划下研究外行星，以获得对木星、土星、天王星和海王星的长期基线观测，以了解它们的大气动力学和演变。哈勃望远镜是唯一一台能够在一致时...

从 2014 年到 2024 年，NASA/ESA 哈勃太空望远镜一直在一个名为 OPAL（外行星大气遗产）的计划下研究外行星，以获得对木星、土星、天王星和海王星的长期基线观测，以了解它们的大气动力学和演变。哈勃望远镜是唯一一台能够在一致时间基础上为云着色、活动和大气运动的全球研究提供高空间分辨率和图像稳定性的望远镜，以帮助约束天气和气候系统的基本力学。

所有四颗外行星都有很深的大气层，没有固体表面。它们翻腾的大气层有自己独特的天气系统，有些有五颜六色的云带，还有神秘的大风暴，这些风暴会突然出现或持续多年。每个季节也都有持续多年的季节，因为它们围绕太阳旋转。

跟踪复杂的行为类似于了解地球多年来的动态天气，以及太阳对太阳系天气的影响。这四个奇幻世界也可以作为理解围绕其他恒星运行的类似行星上的天气和气候的代理。

行星科学家们意识到，哈勃的任何一年的数据虽然本身就很有趣，但并不能告诉你外行星的全部情况。哈勃的 OPAL 计划每年例行访问一次最靠近地球的行星，这种对齐称为冲日。这产生了一个巨大的数据档案，导致了一系列非凡的发现，可以与世界各地的行星天文学家分享。

下面提供了 OPAL 团队十年来发现的亮点。

木星
木星的云带呈现出不断变化的形状和颜色万花筒。木星上总是有暴风雨天气：气旋、反气旋、风切变和太阳系中最大的风暴大红斑 （GRS）。木星在数万英里深的大气层顶部覆盖着大部分氨冰晶云。

哈勃望远镜的清晰图像除了监测 GRS 的大小、形状和行为外，还可以跟踪云层并测量风、风暴和涡旋。哈勃望远镜紧随其后，GRS 的尺寸继续缩小，但仍然大到足以吞噬地球。OPAL 数据最近测量了神秘的深色椭圆（仅在紫外线波长下可见）出现在平流层雾霾的“极罩”中的频率。与地球不同，木星的轴上只倾斜了 3 度（地球是 23.5 度）。除了木星在其长达 12 年的轨道上与太阳的距离变化了大约 6400 万公里之外，可能不会预料到季节性变化，因此 OPAL 密切监测大气层的季节性影响。哈勃的另一个优势是，地面天文台无法连续观测木星两次旋转，因为这加起来需要 20 小时。在那段时间里，地面上的天文台将进入白天，直到第二天晚上才能看到木星。

OPAL 的发现也可能支持欧洲航天局于 2023 年 4 月 14 日发射的木星冰月探测器 Juice。Juice 将使用一套遥感、地球物理和原位仪器对木星及其三个大型海洋卫星——木卫三、木卫四和木卫二——进行详细观测。该任务将把这些卫星描述为行星物体和可能的栖息地，深入探索木星的复杂环境，并研究更广泛的木星系统作为宇宙中气态巨行星的原型。

土星
土星绕太阳公转需要超过 29 年的时间，因此 OPAL 已经跟踪了土星年大约四分之一的时间（在 2018 年卡西尼号任务结束后开始）。因为土星倾斜了 26.7 度，所以它经历了比木星更深刻的季节变化。土星季节持续大约七年。这也意味着哈勃可以从近 30 度的倾斜角度观察壮观的光环系统，从而看到光环的侧面倾斜。侧向移动时，这些光环几乎消失，因为它们相对薄如纸。这将在 2025 年再次发生。

OPAL 一直跟踪土星大气颜色的变化。卡西尼号轨道飞行器首先检测到了这种变化的颜色，但哈勃提供了更长的基线。哈勃望远镜显示颜色每年都有轻微变化，这可能是由云层高度和风引起的。观察到的变化是微妙的，因为 OPAL 只覆盖了土星年的一小部分。当土星进入下一个季节时，会发生重大变化。

土星神秘而黑暗的环辐条横切在环平面上，是随环旋转的瞬态特征。它们幽灵般的外观只围绕土星旋转两到三次。在活跃期间，新形成的辐条不断添加到模式中。他们于 1981 年由旅行者 2 号首次出现。卡西尼号在其长达 13 年的任务中也看到了辐条，该任务于 2017 年结束。哈勃望远镜表明，辐条幽灵的频率受季节驱动，首次出现在 2021 年的 OPAL 数据中。长期监测表明，辐条的数量和对比度都随土星的季节而变化。

天王星
天王星向一侧倾斜，因此它的自旋轴几乎位于行星轨道的平面上。这导致地球在其长达 84 年的绕太阳跋涉中经历了剧烈的季节性变化。地球倾斜的后果意味着一个半球的一部分完全没有阳光，持续时间长达 42 年。OPAL 一直跟随北极，现在正向太阳倾斜。

借助 OPAL，哈勃在春分后首次对天王星进行了成像，当时太阳最后一次直接照射地球赤道。随着夏季接近北极，哈勃解决了多场风暴，在中北纬度地区出现了甲烷冰晶云。天王星的北极现在有一层增厚的光化学雾霾，在边界边缘附近有几场小风暴。哈勃一直在追踪北极帽的大小，并且它年复一年地变得越来越亮。随着 2028 年北方夏至的临近，这个帽可能会变得更亮，并将直接对准地球，从而可以很好地看到光环和北极。然后，戒指系统将正面显示。

海王星
当旅行者 2 号飞过 1989 年的海王星时，天文学家们对大气中若隐若现的大西洋大小的巨大黑点感到困惑。它像木星的大红斑一样长寿吗？这个问题一直没有答案，直到哈勃望远镜在 1994 年能够证明这种黑暗风暴是短暂的，每次出现然后消失的时间都是两到六年。在 OPAL 计划期间，哈勃见证了一个黑点的结束和第二个黑点的完整生命周期——它们都在消散之前向赤道迁移。OPAL 计划确保天文学家不会错过另一个。

哈勃望远镜的观测揭示了海王星云量的变化与 11 年太阳周期之间的联系。海王星和太阳活动之间的联系让行星科学家感到惊讶，因为海王星是我们太阳系最遥远的主要行星。它接收的阳光强度约为地球接收到的强度的 0.1%。然而，海王星的全球多云天气似乎受到了太阳活动的影响。地球的四个季节（每个季节持续大约 40 年）是否也起作用？我们可能会发现，如果 OPAL 程序继续在哈勃上运行到 2179 年！

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