诺桑比亚大学研究人员借助詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）对土星北极光区开展连续观测，获得此前仪器难以实现的精细数据，并据此解释了行星科学领域一项长期疑问：为何土星的自转速度在不同测量方法下会呈现差异。相关成果发表于《地球物理研究杂志：空间物理学》。

这一问题由来已久。美国国家航空航天局（NASA）“卡西尼”号探测器在2004年的测量曾显示，土星自转速率似乎在缓慢变化。但研究人员指出，行星不可能以这种方式简单加速或减速自转。

诺桑比亚大学行星天文学教授汤姆·斯托拉德（Tom Stallard）团队在2021年的研究提出，所谓“变化”并非源于土星自转本身，而与土星上层大气中的风有关：风场可产生电流，进而形成会误导测量的极光信号。随后出现的新问题是，这些驱动电流的大气风从何而来。

在最新研究中，斯托拉德及其英国、美国合作者利用JWST对土星北极光区进行了覆盖一个完整“土星日”的连续观测。研究团队通过分析三氢阳离子（H_3+）的红外辐射——该分子在土星上层大气中形成，可作为温度指示——首次绘制出土星极光区高分辨率的温度与粒子密度分布图。

研究人员表示，相比以往约50摄氏度量级的不确定性，新数据的精度提升约十倍，使团队能够识别极光区加热与冷却的细微变化。团队发现，观测到的温度与密度结构与十多年前的计算机模型预测高度一致，但前提是热源位于主要极光辐射进入大气的特定位置。

研究据此指出，土星极光不仅是可见的发光现象，还会在特定区域对大气进行局部加热；这种加热驱动风场，风场产生维持极光所需的电流，而极光又进一步加热大气，从而形成自我维持的反馈循环。

斯托拉德表示，观测结果显示的是一个“自我维持”的系统：极光加热大气，大气驱动风，风产生电流为极光供能，循环持续进行。他称，团队此前已证明表观自转率异常与大气风有关，而JWST的新观测为解释风的来源提供了所需证据。

研究还指出，土星大气变化会影响其周围磁层状态，而磁层作为由行星磁场塑造的空间区域，又会将能量反馈回系统。研究人员认为，这种大气与磁层之间的双向耦合，可能与该效应的稳定与持久有关。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是当前重要的空间科学观测平台之一。韦伯项目由NASA牵头，欧洲航天局（ESA）与加拿大航天局（CSA）参与合作。

该研究由诺桑比亚大学牵头，合作者来自波士顿大学、莱斯特大学、阿伯里斯特威斯大学、雷丁大学、伦敦帝国学院、兰卡斯特大学以及约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室等机构，并获得英国科学与技术设施委员会（STFC）支持。