木星和土星的極地渦旋之謎

極渦之謎

木星和土星是太陽(yáng)系中最大的兩顆行星。這兩顆行星在許多方面都很相似——它們都是氣態(tài)巨行星，大小相近，且主要都由氫和氦構(gòu)成。然而，多年來(lái)飛掠而過(guò)的航天器，卻在這兩顆行星的兩極觀測(cè)到了令人費(fèi)解的天氣形態(tài)：它們擁有截然不同類(lèi)型的極地渦旋（極渦），即在行星極區(qū)的巨大大氣渦旋。

在土星上，一個(gè)巨大的單一極渦似乎以一種奇特的六邊形形狀籠罩在北極之上；而在木星上，一個(gè)中央極渦被八個(gè)較小的渦旋環(huán)繞。這兩顆如此相似的行星，為何它們的極區(qū)會(huì)有如此迥異的天氣形態(tài)？

在一項(xiàng)新發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種可能的解釋?zhuān)簻u旋圖樣如何、以及一個(gè)行星最終形成一個(gè)還是多個(gè)極渦，取決于渦旋底部的“柔軟度”——而這與行星內(nèi)部成分有關(guān)。

用二維模型捕捉極渦演化

自2016年起，朱諾號(hào)探測(cè)器一直繞木星運(yùn)行，并拍攝到木星北極及其多個(gè)旋轉(zhuǎn)渦旋的震撼圖像。根據(jù)這些圖像，科學(xué)家估算木星的每個(gè)渦旋都極其龐大，約4800千米——幾乎相當(dāng)于地球直徑的一半。

木星北極的紅外三維圖像，顯示了8個(gè)渦旋呈環(huán)狀分布，圍繞著一個(gè)中央氣旋。（圖/NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM）

而在2017年墜入土星大氣中之前，卡西尼號(hào)探測(cè)器則曾圍繞這顆有環(huán)的行星運(yùn)行了13年。它對(duì)土星北極的觀測(cè)，揭示了到一個(gè)單一的、呈六邊形的極渦，寬約29000千米。

土星只有一個(gè)巨大的、呈六邊形的渦旋，宛如“蓋帽”般籠罩在土星的極區(qū)之上。（圖/NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University）

在新的研究中，研究人員著手尋找一種物理機(jī)制，可以解釋為何一顆行星可能演化出單一渦旋，而另一顆卻擁有多個(gè)渦旋。為此，他們采用了一個(gè)表面流體動(dòng)力學(xué)的二維模型。

盡管極渦本質(zhì)上是種三維結(jié)構(gòu)，但研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，由于木星和土星的快速自轉(zhuǎn)，會(huì)使流體沿自轉(zhuǎn)軸方向的運(yùn)動(dòng)趨于一致，這意味流體圖樣在三維方向上并未發(fā)生變化，因此仍可用二維方式準(zhǔn)確描述其演化。如此一來(lái)，模擬與研究的速度能提升數(shù)百倍，而模擬成本則大幅降低。

基于這一思路，研究團(tuán)隊(duì)以一個(gè)描述了旋轉(zhuǎn)流體如何隨時(shí)間演化的既有方程為基礎(chǔ)，建立了一個(gè)氣態(tài)巨行星上渦旋演化的二維模型。這一方程已在許多情境中使用過(guò)，包括用于模擬地球中緯度氣旋，研究人員將它調(diào)整為適用于木星與土星的極區(qū)。

底部的“柔軟度”

在新的研究中，研究人員用這個(gè)二維模型對(duì)氣態(tài)巨行星上的流體在不同情景下如何隨時(shí)間演化進(jìn)行了模擬。在不同的模擬中，他們改變了行星的大小、自轉(zhuǎn)速率、內(nèi)部加熱強(qiáng)度，以及旋轉(zhuǎn)流體的柔軟度等參數(shù)。隨后，他們?cè)O(shè)定一個(gè)隨機(jī)的“噪聲”初始條件：流體起初以隨機(jī)的圖樣在行星表面流動(dòng)。最后，他們觀察在不同情景下，流體會(huì)如何隨時(shí)間演化。

他們將單個(gè)渦旋類(lèi)比為一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓柱體，穿行于行星的多層大氣之中。在分析了各情景中參數(shù)與變量的組合及其與最終結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，他們最終鎖定了一個(gè)機(jī)制：當(dāng)隨機(jī)流體運(yùn)動(dòng)開(kāi)始匯聚成一個(gè)個(gè)獨(dú)立渦旋時(shí)，渦旋能夠長(zhǎng)到多大，會(huì)受到其底部柔軟程度的限制。

具體來(lái)說(shuō)，他們?cè)诙嘟M模擬中觀察到，當(dāng)這個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓柱體的底部由更柔軟、更輕的物質(zhì)構(gòu)成時(shí)，演化出的渦旋規(guī)模只能增長(zhǎng)到一定程度，于是最終的形態(tài)就可能容納多個(gè)較小的渦旋共存——類(lèi)似木星上的情況；相反，如果渦旋底部由更堅(jiān)硬、更致密的物質(zhì)構(gòu)成，它就能長(zhǎng)得更大，并在隨后吞并其他渦旋，形成一個(gè)單一、巨大的渦旋——類(lèi)似土星上的情況。

左側(cè)的模擬結(jié)果是多個(gè)渦旋，而右側(cè)的模擬中只形成一個(gè)渦旋。（圖/Shi & Kang）

如果這一機(jī)制確實(shí)同時(shí)作用于木星與土星這兩顆氣態(tài)巨行星，那么這將暗示：木星可能由更柔軟、更輕的物質(zhì)構(gòu)成，而土星內(nèi)部可能蘊(yùn)含更重的物質(zhì)。

這一新的研究表明，行星內(nèi)部性質(zhì)以及渦旋底部的柔軟度，會(huì)影響行星表面的流體圖樣。這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于科學(xué)家理解行星表面的天氣形態(tài)，也有助于推測(cè)云層之下、行星內(nèi)部深處的情況，為刻畫(huà)那些塑造了行星大氣的關(guān)鍵內(nèi)部性質(zhì)提供了一種新方法。

#參考來(lái)源：

https://news.mit.edu/2026/polar-weather-jupiter-saturn-hints-planets-interior-details-0119

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2500791123

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：NASA