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本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。这张旅行者2号拍摄的海王星图像显示了一个寒冷、黑暗、狂风肆虐的世界。年，美国国家航空航天局(NASA)的旅行者2号成为第一艘也是唯一一艘观测海王星的宇宙飞船，它在距离海王星北极约英里的上空飞过。遥远的天王星和海王星——我们太阳系的冰巨星——就像它们的遥远一样神秘。美国国家航空航天局(NASA)的詹姆斯·韦伯太空望远镜将在年发射后不久，解开这两颗行星大气的秘密。寒冷而遥远的天王星和海王星被称为“冰巨星”，因为它们的内部结构与木星和土星不同，木星和土星富含氢和氦，被称为“气体巨星”。冰巨行星比它们的气态兄弟小得多，体积介于类地行星和气态巨行星之间。它们是太阳系中探索最少的一类行星。韦伯计划研究天王星和海王星的环流模式、化学成分和天气，只有韦伯可以做到这一点。“韦伯能够做到的关键事情是，绘制它们的大气温度图和化学结构图，这是任何其他设施都难以做到的，”这项研究的负责人、英国莱斯特大学行星科学副教授利·弗莱彻解释说。“我们认为，与气态巨行星相比，冰态巨行星的天气和气候将具有根本不同的特征。部分原因是它们离太阳太远，体积更小，在轴上旋转更慢，但也因为气体的混合的量与木星和土星非常不同。”天王星和海王星高层大气中的所有气体都有韦伯可以检测到的独特化学指纹。至关重要的是，韦伯能够区分不同的化学物质。如果这些化学物质是由阳光与大气相互作用产生的，或者它们是通过大规模的环流模式从一个地方重新分布到另一个地方，韦伯将能够看到。天王星：倾斜的行星与太阳系的其他行星不同的是，天王星——连同它的光环和卫星——都是侧倾的，与轨道平面的旋转角度大致为90度。这使得行星看起来像一个球一样绕着太阳旋转。这种奇怪的方向——可能是在太阳系形成之初与另一颗巨大的原行星发生巨大碰撞的结果——导致了天王星上的极端季节。当美国宇航局的旅行者2号宇宙飞船在年飞过天王星时，一个极点正对着太阳。“不管天王星旋转了多少圈，”哈默尔解释道，“一半的时间完全处于阳光下，另一半则完全处于黑暗中。这是你能想象到的最疯狂的事情。”令人失望的是，旅行者2号只看到了一个光滑的台球行星，上面覆盖着薄雾，只有很少的几朵云。但当哈勃在21世纪初观测天王星时，它已经绕轨道运行了四分之一圈。“理论告诉我们什么都不会改变，”哈默尔说，“但事实是，天王星开始出现各种各样的亮云，哈勃发现了一个黑点。当行星绕着太阳运行时，由于阳光的变化，云层似乎发生了剧烈的变化。”这些哈勃太空望远镜的图像显示了天王星的不同面貌。在左边，天王星在年展示了它的光环系统。这颗行星——连同它的光环和卫星——从侧面倾斜，与轨道平面旋转大约90度。在一年后拍摄的哈勃特写中，天王星揭示了它的带状结构和一场神秘的黑暗风暴。随着这颗行星继续缓慢地轨道旅行，它将在年把另一极指向太阳。韦伯将深入了解推动其云层和天气形成的强大的季节性力量，以及这是如何随着时间变化的。它将有助于确定能量如何流动，并通过天王星大气运输。科学家们希望在韦伯的一生中观察天王星，以建立一个大气如何对极端季节做出反应的时间轴。这将帮助他们理解为什么这颗行星的大气层似乎经历了一段时期的剧烈活动，中间穿插着平静的时刻。海王星：一个具有超音速风暴的世界海王星是一个黑暗、寒冷的世界，然而它却被高达每小时英里的超音速风搅得天翻地覆。海王星距太阳的距离是地球的30多倍，是太阳系中唯一肉眼看不见的行星。它的存在早在年被发现之前就被数学预测过了。年，海王星完成了自发现以来的第一个年的轨道。像天王星一样，这个冰巨星的深层大气是由一层由水、氨、硫化氢和甲烷组成的浓汤，覆盖在一个未知的、难以进入的内部。大气层的上层是由氢、氦和甲烷构成的。与天王星一样，甲烷使海王星呈现出蓝色，但一些仍然神秘的大气化学物质使海王星的蓝色比天王星更引人注目。弗莱彻解释说：“这里也有同样的问题：能量是如何流动的，又是如何在行星大气中传输的？”但在这种情况下，不像天王星，这颗行星有一个强大的内部热源。在太阳系的任何地方，这种热源都会产生一些最强劲的风和最短命的大气涡旋以及云的特征。如果我们一晚一晚地观察海王星，它的表面总是随着这些云的拉伸、牵引和控制而变化。”在年旅行者2号飞越海王星之后，科学家们在该行星的南极发现了一个明亮、炽热的漩涡——风暴。因为那里的温度比大气中其他任何地方都要高，所以这个地区可能与某种独特的化学物质有关。韦伯的灵敏度将使科学家们了解极地涡旋中不寻常的化学环境。只是一个开始弗莱彻建议，要准备好看到天王星和海王星上的现象，这些现象与我们过去看到的完全不同。“韦伯真的有能力从一个全新的角度来看待这些冰巨人。但是，要了解塑造这些巨型行星的持续的大气过程，你真的需要的不仅仅是几个样本，”因此，我们将木星、土星、天王星和海王星进行比较，通过比较，我们建立了一个更广泛的大气总体工作的图景。这是了解这些世界如何随时间变化的开始。我们现在知道有数百颗系外行星——围绕其他恒星的行星——和我们当地的冰巨星一样大。天王星和海王星为我们研究这些新发现的行星提供了依据。詹姆斯·韦伯太空望远镜将于年发射，届时它将成为世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开太阳系的奥秘，观察其他恒星周围遥远的世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在宇宙中的位置。