天王星与海王星的上层大气

我们回顾了当前对天王星和海王星上层大气的认识,并探讨了研究这些引人入胜行星的即将到来的机遇。冰巨星是太阳系中了解最少的行星,分别仅在 1986 年和 1989 年有单个航天器飞掠过。上层大气在将大气与磁场内部的力和过程相连接方面起着关键作用。例如,极光电流系统可将带电粒子驱入大气,通过焦耳加热使其升温。对 H$_3^+$ 的地基观测为上层大气中发生的物理性质和过程提供了强有力的遥感诊断,且已存在丰富的天王星数据集。这些观测跨越近三十年,揭示出上层大气在 1992 至 2018 年间以约 8 K/年速度持续冷却,从 $\sim$750 K 降至 $\sim$500 K。该趋势原因仍不明晰,但可能与倾斜且偏移的磁场导致的焦耳加热率的季节性变化有关,也可能与碳氢化合物垂直分布的变化有关。海王星上尚未探测到 H$_3^+$,但这一发现为詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)及下一代 30 米望远镜等即将到来的设备提供了唾手可得的机遇。探测海王星的 H$_3^+$ 将自 1989 年以来首次实现对其中层大气的表征。要充分理解冰巨星,我们需要专门的轨道任务,正如 Cassini 航天器探测土星那样。只有将磁场的原位观测与在轨遥感相结合,我们才能完整描绘能量在大气与磁场间如何移动。