Question

为什么天王星和海王星的颜色不同？

Answer 1

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海王星和天王星有很多共同点：它们有相似的质量、大小和大气成分，但它们的外观有着显著的不同。在可见光波段，海王星有明显的蓝色，而天王星有微弱的青色。新的研究可以解释为什么这两颗行星的颜色不同。

新的研究表明，两颗行星上都存在的一层浓雾，但天王星上比海王星更厚，比海王星的外观“更白”。这种变白效果类似于系外行星大气中的云如何使系外行星光谱中的特征变得暗淡。如果海王星和天王星的大气中没有这层雾，它们看起来几乎是一样的蓝色。

这个结论来自一个模型，由牛津大学行星物理学教授帕特里克·欧文（Patrick Irwin）领导的一个国际团队开发了一个模型，用于描述海王星和天王星大气中的气溶胶层。以前对这些行星高层大气的研究集中在大气层在特定波长下的外观上。然而，这个由多个大气层组成的新模型与两颗行星在宽波长范围内的观测结果相匹配。新模型还包括更深层中的雾霾颗粒，这些颗粒以前被认为只含有甲烷和硫化氢冰云。这是第一个同时拟合从紫外线到近红外波长的反射太阳光观测的模型

该团队的模型由三层不同高度的气溶胶组成。最深的层（气溶胶-1层）很厚，由硫化氢冰和行星大气与阳光相互作用产生的颗粒的混合物组成。顶层是一层延伸的雾霾（气溶胶-3层），类似于中间层，但更脆弱。在海王星上，大的甲烷冰粒也在这个层上方形成。

影响颜色的关键层是中间层，这是一层雾霾颗粒（在论文中称为气溶胶-2层），在天王星上比在海王星上更厚。研究小组怀疑，在这两颗行星上，甲烷冰凝结到这一层的颗粒上，在甲烷雪雨中将颗粒拉入大气层更深处。由于海王星的大气层比天王星更活跃，湍流，因此该团队认为海王星的大气层在将甲烷颗粒搅动到雾霾层。这去除了更多的雾霾，并使海王星的雾霾层比天王星上更薄，这意味着海王星的蓝色看起来更纯正。

为了创建这个模型，Irwin的团队分析了一组行星的观测结果，包括紫外线，可见光和近红外波长（从0.3到2.5微米），使用在夏威夷Maunakea山顶附近的双子座北望远镜上近红外积分场光谱仪（NIFS）拍摄，NSF的NOIRLab计划，以及来自NASA红外望远镜设施的档案数据，以及NASA / ESA哈勃太空望远镜。

双子座北上的NIFS仪器对这一结果特别重要，因为它能够为其视野中的每个点提供光谱 - 测量物体在不同波长下的亮度。这为该团队提供了详细的测量结果，以测量两颗行星的大气层在行星的整个圆盘和一系列近红外波长上的反射率。

该模型还有助于解释在海王星上偶尔可见的黑点，而在天王星上不太常见。虽然天文学家已经意识到两颗行星的大气中存在黑点，但他们不知道哪个气溶胶层导致了这些黑点，或者为什么这些层的气溶胶反射率较低。该团队的研究揭示了这些问题，表明他们模型最深层的变暗会产生类似于海王星和天王星上看到的黑点。