木星和土星的極地風(fēng)暴揭示了深刻的大氣差異

太陽系中最大的兩顆行星——木星以及土星——有很多共同點。它們由非常相似的物質(zhì)組成，旋轉(zhuǎn)速度相近，內(nèi)部散熱方式也相似。甚至兩人都好寶藏月亮在類似方式.

然而，科學(xué)家們長期以來對行星的困惑存在一個差異：它們極地的巨大渦旋風(fēng)暴。

土星在每個極點各有一個巨大的風(fēng)暴。

木星的兩極各由一個大型風(fēng)暴主導(dǎo)，周圍環(huán)繞著一圈較小的風(fēng)暴。

相關(guān)報道：我們或許終于能知道木星那些奇特的極地風(fēng)暴是如何保持在一起的

現(xiàn)在，一對行星科學(xué)家認(rèn)為他們可能已經(jīng)解開了謎團。關(guān)鍵在于風(fēng)暴如何形成并與行星內(nèi)部相連：大氣層是否允許自由生長，如土星的大氣，還是有效施加風(fēng)暴大小限制，如木星。

在團隊模型中，這取決于風(fēng)暴與更深層的聯(lián)系強度。

“我們的研究表明，根據(jù)渦旋內(nèi)部特性和底部的軟硬度，這會影響你在地表觀察到的流體模式類型?！?a>行星科學(xué)家康婉英說麻省理工學(xué)院。

“我覺得沒人把表面流體模式和這些行星內(nèi)部屬性聯(lián)系起來。一種可能的情況是土星的底部比木星更硬?！?/p>

木星和土星的天氣堪稱傳奇。每個行星都被膨脹的氣態(tài)大氣主導(dǎo)，被動蕩風(fēng)暴，強大風(fēng)樂隊，厚厚的云朵盤旋成圖案類似于抽象表現(xiàn)主義.

這兩顆行星都曾是專門的航天器觀測任務(wù)對象——卡西尼號為土星，朱諾號為木星。這些開創(chuàng)性的探測器揭示了，盡管兩顆行星有許多相似之處，但它們各自擁有獨特的極地風(fēng)暴配置。

“人們花了很多時間去解讀木星和土星的區(qū)別，”大氣科學(xué)家石家如說麻省理工學(xué)院。“這兩顆行星大小差不多，主要由氫和氦組成。目前尚不清楚它們的極地渦旋為何差異如此之大。”

為此，兩位科學(xué)家開發(fā)了一個二維表面流體動力學(xué)模型，以模擬兩顆行星上觀測到的表面渦旋。

“在快速旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中，流體運動沿旋轉(zhuǎn)軸通常均勻，”康說.“所以，我們受到這樣一個想法的啟發(fā)：我們可以將三維動力學(xué)問題簡化為二維問題，因為流體模式在三維中不會改變。這使得問題的模擬和研究速度快了數(shù)百倍，成本也降低了數(shù)百倍?！?/p>

在氣態(tài)巨行星上，巨型風(fēng)暴是由較小的運動構(gòu)件（如對流）產(chǎn)生，這些積木會越來越大。然而，它們的最終大小由多種限制決定，包括大氣層層的深度、大氣被攪動的力量（這一現(xiàn)象稱為'強迫'），以及摩擦被消散.

石氏和康氏發(fā)現(xiàn)，達到這些極限的順序會極大影響大氣可見表面出現(xiàn)的渦流圖案。

木星的大氣層足夠深且充滿能量，可以形成多個渦旋，但早期的湍流阻止它們?nèi)诤铣梢粋€巨大的渦旋，因此它們表現(xiàn)為極地風(fēng)暴中出人意料的幾何感意大利辣香腸披薩。

換句話說，根據(jù)模型，木星的分層較弱，其強迫力更強，因為它從中心輻射熱量，能量通過摩擦消耗的速度也較慢。綜合而言，這意味著獨立的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)在地表保持完整。

相比之下，土星的大氣層次更為深厚。在那里，弱力減弱導(dǎo)致深層湍流減少，或者更多能量因摩擦損失，亦或兩者結(jié)合，消除阻礙渦旋融合的障礙，導(dǎo)致所有風(fēng)暴撞擊成一個巨大的風(fēng)暴。

而這一切都可能受到渦旋形成的底層密度的影響。這并非確鑿證據(jù)，但團隊的發(fā)現(xiàn)表明，每顆行星上的極地風(fēng)暴模式可能正在刻畫它們形成環(huán)境的線索。

“我們從表面看到的木星和土星上的流體模式，或許能告訴我們內(nèi)部的一些信息，比如底部有多柔軟?！?a>石說.

“這很重要，因為也許土星表面之下，內(nèi)部金屬含量更高，且含有更多可凝結(jié)物質(zhì)，這使得它能提供比木星更強的分層作用。這將有助于我們對這些氣態(tài)巨行星的理解。”

該研究已發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊.

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