1989年，NASA的航海家2號探測器飛掠海王星，完成了人類對太陽系四大外行星的首次近距離探索。自1977年航海家1號與2號發射以來，這兩艘探測器揭示了木星、土星、天王星與海王星的複雜性，遠超出科學家的預期，顯示這些行星仍有無數未解之謎等待發掘。
隨後，哈伯太空望遠鏡的上線開啟了外行星觀測的新篇章。透過其「外行星大氣層長期觀測計畫」，哈伯對木星、土星、天王星和海王星的大氣進行長期觀測，深入研究其大氣動態與演化。這些觀測揭示了航海家未能呈現的更多細節。如今，該計畫已迎來十週年，成為科學界研究這些行星動態與演化的重要里程碑。哈伯的高解析度影像清晰度媲美航海家近距離觀測的成果，並涵蓋從紫外線到近紅外線的廣泛波段。作為唯一能長期穩定以高解析度追蹤外行星大氣運動與雲層顏色變化的望遠鏡，哈伯為研究外行星的氣象與氣候系統運作機制提供了無可取代的資料。
木星、土星、天王星與海王星的大氣層深厚且無固態表面，大氣湍流形成了獨特的天氣系統，包括色彩斑斕的雲帶和持續多年的大型風暴。此外，這些行星的季節變化可長達數十年。近年來，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡以其強大的紅外線觀測能力，對這些行星的大氣層進行更深入探測，補充了哈伯的觀測成果，使科學家得以更精確地追蹤這些行星複雜的動態氣候系統。同時，這些研究也幫助我們瞭解太陽對太陽系行星氣候的影響，並為研究其他恆星系統中的類似行星提供重要參考。
自「外行星大氣層長期觀測計畫」啟動以來，過去十年間資料庫持續擴充套件，成為科學家追蹤行星繞太陽執行過程中大氣層長期變化的重要資源，為未來的行星氣候與天氣研究奠定了堅實基礎。以下是哈伯「外行星大氣層長期觀測計畫」十年來的一些亮點。
木星
木星的雲帶形狀與色彩千變萬化，變幻不定。其表面展現出劇烈的天氣現象，包括氣旋、反氣旋、風切變，以及太陽系中最大的風暴「大紅斑」。木星的大氣層深達數萬公里，表面覆蓋著主要由氨冰晶構成的雲層。哈伯的持續觀測能精準的追蹤這些雲層的動態，測量風速、風暴與渦流，並持續監測大紅斑的大小、形狀與行為變化。哈伯的觀測顯示，大紅斑的體積正持續縮小，但其風速卻在加快。
圖說：哈伯太空望遠鏡「外行星大氣層長期觀測計畫」拍攝的木星影像，記錄其隨時間的演化。Credits: NASA, ESA, Amy Simon (NASA-GSFC), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI)
與地球不同，木星自轉軸的傾角僅約3度，因此通常不會出現顯著的季節變化。然而，由於木星繞太陽公轉時距離會有約5%的變化，其12年的軌道週期中仍可能出現些微的季節效應。哈伯密切監測木星大氣層，深入研究這些變化。
值得一提的是，在監測木星方面，哈伯相較地表天文臺具有顯著優勢。地面望遠鏡無法連續觀測木星完整的兩個自轉週期（約20小時），因為地球的白晝會中斷觀測，需等到下一晚才能再次觀測木星。哈伯的高解析度和全天候觀測能力，為瞭解木星大氣的動態提供了關鍵資料。
圖說：哈伯太空望遠鏡所拍攝的木星影像。左側影像為接近人眼可見色彩真實影像。右側影像則將波長範圍擴充套件至可見光之外，涵蓋紫外線與紅外線範圍。這些影像呈現出鮮明的木星表面特徵。Credits: NASA, ESA, Amy Simon (NASA-GSFC), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI)
土星
哈伯太空望遠鏡於9月12日拍攝的最新影像顯示，土星北半球的顏色變化迅速且顯著，延續了卡西尼號探測器檢測到的趨勢。哈伯的長時間觀測也發現標誌性的六邊形風暴（航海家2號於1981年首次發現）在2020年一度模糊，但2021年的觀測再次清晰可見。另外，哈伯捕捉到南半球冬季後的景象，顯示南極呈現持續的藍色調。這些觀測使研究人員能追蹤土星的季節性變化，並精確辨識帶狀區域的細微變化。這樣的精細程度是地面望遠鏡難以達成的。
圖說：哈伯望遠鏡拍攝的土星影像，每一格均使用不同濾鏡拍攝，每種濾鏡組合均突出了雲層高度或成分的細微差異。Credits: NASA, ESA, Amy Simon (NASA-GSFC), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI)
土星繞太陽公轉需29年，自2018年卡西尼號任務結束後，哈伯已追蹤約四分之一的土星年。由於自轉軸傾斜26.7度，土星的季節變化顯著，每個季節約持續七年。哈伯的觀測不僅解析了土星的環系統，還記錄了環幾乎「消失」的現象，大約每15年，厚度僅約10公尺的環會呈現邊緣朝向地球的狀態，使得看起來環會幾乎消失，這一現象將於2025年3月再次出現。
影片說明：這是一組哈伯太空望遠鏡於2018年至2024年間拍攝的土星影像。此序列展示了隨著土星繞太陽公轉，土星的環系統相對於地球視角的傾斜角度如何改變。大約每15年，厚度僅約10公尺的環會呈現邊緣朝向地球的狀態，使得看起來環會幾乎消失，這一現象將於2025年3月再次出現。Credits: NASA, ESA, Amy Simon (NASA-GSFC), Michael H. Wong (UC Berkeley), Joseph DePasquale (STScI)
此外，土星環中的暗色輻射狀條文是一種與環系統一起旋轉的短暫特徵，僅在環繞兩到三圈期間可見。1981年由航海家2號首次發現，卡西尼號在其任務中多次記錄到這些條文的活動。哈伯的觀測顯示，條文的出現頻率與土星的季節變化有關，其數量和對比度會隨季節不同而變化。
哈伯的長期觀測延續了航海家與卡西尼的研究，並揭示了土星環系統與大氣動態的更多細節，為探索土星的季節性與環系統演化提供了關鍵資料。
天王星
哈伯太空望遠鏡於10月25日拍攝的天王星影像，突顯其北極增亮的現象。隨著北半球進入春季，紫外線輻射增強使極地區域更明亮。由於天王星自轉軸幾乎平躺於軌道平面上，繞太陽公轉需84年，導致其經歷極端季節變化，其中一個半球可長達42年無法接受陽光。目前，哈伯正在追蹤北極，逐漸朝向太陽，伴隨風暴與甲烷冰晶雲的出現。哈伯的長期觀測為天文學家深入研究天王星的環系統與大氣動態提供了重要資料。
圖說：哈伯望遠鏡於2021年拍攝的天王星影像捕捉了其北半球的春季景象。太陽紫外線輻射的增加似乎使極地區域變得更加明亮。Credits: NASA, ESA, A. Simon (NASA-GSFC), and M. H. Wong (UC Berkeley); Image Processing: A. Pagan (STScI)
海王星
1989年，航海家2號飛掠海王星時，發現其大氣中存在一個相當於大西洋大小的巨大黑斑，引發天文學家對其是否類似木星大紅斑的長久現象的猜測。1994年，哈伯太空望遠鏡的觀測證實，這些黑色風暴是短暫的，通常在兩至六年內形成並消散。哈伯記錄了一個黑斑的消散過程以及另一個黑斑的完整生命週期，這些風暴通常向赤道移動後消失。持續觀測讓天文學家能追蹤黑斑的出現與演化。近期的9月7日觀測中，天文學家發現一個大黑斑依然存在，其軌跡從向赤道移動轉為逆向。同時，北半球呈現變暗現象，南極周圍則出現顯著的暗色細長圓環。
圖說：哈伯望遠鏡於2021年觀測海王星時發現，2018年新發現的「黑斑」風暴已改變方向，正向北移動。Credits: NASA, ESA, A. Simon (NASA-GSFC), and M. H. Wong (UC Berkeley); Image Processing: A. Pagan (STScI)
哈伯的觀測還揭示了海王星雲層豐度的變化與11年太陽週期之間的關聯性。這一發現令人驚訝，因為海王星距離太陽最遠，僅接收約千分之一的地球日照量，但其全球雲層天氣似乎受太陽活動影響。（編輯 / 段皓元）
資料來源：HST
相關影片：Hubble’s Grand Tour of the Outer Solar System
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