冰巨星大气光谱观测研究

发布时间：2020-07-12 19:06

【摘要】：与类木行星等气态巨行星相比,冰巨星是由大量比氢氦重的气体成分(甲烷、氨、硫化氢等)组成的气体行星,天王星和海王星便是典型的冰巨星。研究天王星和海王星将有助于研究太阳系和行星的形成演化,以及冰巨星大气的内部结构、热源驱动机制等问题。本篇论文集中探究了天王星和海王星大气中甲烷和氢的变化情况。我们在2016年8月18日和19日使用中国科学院云南天文台丽江天文观测站的2.4m望远镜,对天王星和海王星进行了可见光和近红外波段的光谱观测,使用终端为YFOSC(云南暗天体分光成像仪),波长覆盖范围为320～983nm;在2016年8月26日使用中国科学院国家天文台兴隆观测站的2.16m望远镜,对天王星和海王星进行了可见光和近红外波段的光谱观测,使用的终端是BFOSC(北京暗天体分光成像仪),波长覆盖范围为385～900nm。使用IRAF对光谱进行了初步的处理,又使用太阳辐射光谱ASTM G173-03得到了天王星的光谱反照率。由于18日和19 日两天拍摄天王星的间隔时间为23小时左右,海王星的间隔时间为25小时左右,因此在两次观测之间天王星和海王星都经过了大约一个半自转周期。我们使用丽江天文观测站2.4m望远镜拍摄到的光谱数据进行对比,可以得出两颗冰巨星的大气成分在不同经度上的变化。通过对比得出,由于天王星和海王星大气中的纬向风较为剧烈,物质交换比较充分,因此甲烷和氢在经度上的是均匀分布的。我们将2016年在兴隆观测站使用2.16m望远镜拍摄到的天王星光谱,与1994年、1995年在智利拉西拉天文台1.5m望远镜拍摄的天王星光谱和2002年、2012年由哈勃空间望远镜拍摄到的天王星光谱相结合,借用模型进行对比,得出天王星大气中甲烷和氢的混合比在2002年之前是逐年下降的,而在其后则是逐年上升,但是由于缺少2007年天王星过春分点时的光谱数据,目前无法确认甲烷和氢混合比的年际变化的拐点的具体年份。同时根据混合比变化曲线,可以推测天王星大气存在一个时标长于二十年的变化周期。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P185
【图文】：

巨星,海王星,太阳系,半长径

图 1.1 系外类海王星和太阳系内冰巨星的轨道半长径对比移。在对太阳系演化的研究中，同样显示了太阳系内的两颗冰巨星在形成中存在轨道迁移的现象，比如在原气体盘消散后，天王星和海王星便在残子盘之间的相互作用下而向外迁移丨义Nz乩NdNoNrNo NeNt 乡NlN.丬串丰N1N5N)。因此，研究系外类

示意图,纬向风,纬度变化,行星

乡N) 纬向风速单位为NmN/乳；NbN) 纬向风速单位为罗斯贝数图 1.5 气体行星表面纬向风风速随纬度变化的示意图(Aurnou et al., 2007)由于缺少对纬向风垂直结构的直接观测数据，因此一直存在着两种模型

天王星,海王星,哈勃空间望远镜,甲烷

(a) (b)(c) (d)图 1.6 利用哈勃空间望远镜拍摄到的天王星（图1.6a）、海王星（图1.6b）中低分辨率光谱，以及 2.16 m望远镜拍摄到的天王星（图1.6c）、海王星（图1.6d）大气中甲烷在619 nm处的高分辨率吸收线层，甲烷就会由于冷凝和甲烷冰晶的产生被抽运到高处，在那里被大气的经向环流输送到高纬度地区，然后再下降到低处。乓NrNoNmNoNv乳NkNy等人丨乓NrNoNmNoNv乳NkNy NeNt 乡NlN.丬串丰丰丹N)使用哈勃空间望远镜和凯克望远镜在天王星到达春分点时（串丰丰N7年）拍摄的数据，研究发现由太阳辐射的影响，在天王星北纬临N5 形成一条亮带的同时，在南纬临N5 附近有一条亮带正在消失。同年，乓NrNoNmNoNv乳NkNy等人丨乓NrNoNmNoNv乳NkNy NeNt乡NlN.丬串丰N1临N)还发现在天王星南极区甲烷的沉降与在北极区的沉降在深度和大小上是相似的，他们认为这种相似非常重要，因为在南极区则从未有对流活动的明显信号被观测到

【参考文献】