? ?想象一下，要是你站在木星北極，你會(huì)看到八個(gè)巨大的氣旋像完美的幾何披薩那樣排列著，每個(gè)都比美國(guó)還大，而當(dāng)你飛往土星北極，迎接你的就是太陽(yáng)系最詭異的單體風(fēng)暴一個(gè)巨大的六邊形旋渦。
? ?為什么這兩顆在成分和體積上如此相似的“氣態(tài)兄弟”，會(huì)孕育出如此截然不同的極地天氣？
? ?長(zhǎng)久以來(lái)，這是一個(gè)困擾天文學(xué)界的巨大謎題。
? ?如今，麻省理工學(xué)院（MIT）的一項(xiàng)突破性研究告訴我們：答案不在云端，而在那個(gè)我們看不見(jiàn)的、深不可測(cè)的行星“內(nèi)心”。

核心技術(shù)解析
? ?這項(xiàng)發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）的研究，由MIT科學(xué)家康婉瑩（WanyingKang）和石佳茹（JiaruShi）主導(dǎo)。它們并沒(méi)有直接飛入風(fēng)暴中心，而是運(yùn)用流體力學(xué)模型，提出了一個(gè)全新的物理機(jī)制：渦旋底部邊界的“軟硬程度”（stiffness）決定了風(fēng)暴的命運(yùn)。
? ?通俗地說(shuō)，我們可以把行星表面的風(fēng)暴想象成在行星內(nèi)部延伸的“旋轉(zhuǎn)圓柱體”。研究發(fā)現(xiàn)：
? ?木星模式（軟底部），要是深層大氣的界面是軟的（密度差異小，流體更易混合），風(fēng)暴在這個(gè)底部沒(méi)法得到足夠支撐去無(wú)限擴(kuò)張，就好比在松軟的沙地上蓋房子，地基限制了高度，這種限制讓大風(fēng)暴分裂或者沒(méi)法合并，最后形成好幾個(gè)共存的小渦旋群（木星的八角陣。
? ?土星模式（硬底部），要是深層界面是硬的，就像密度分層特別明顯，跟一堵墻似的，那它就能有效反射能量，讓風(fēng)暴圓柱體不受阻礙地合并、壯大，最后，所有能量都會(huì)匯聚成一個(gè)巨大的單體極地氣旋，也就是土星模式。
? ?這一個(gè)發(fā)現(xiàn)把行星表面的天氣圖很巧妙地變成了能透視它深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“CT掃描片

應(yīng)用場(chǎng)景展示
? ?這個(gè)看起來(lái)挺遠(yuǎn)的天體物理研究，實(shí)際上對(duì)好幾個(gè)領(lǐng)域都有很深遠(yuǎn)的影響
? ?1.系外行星探測(cè)（BeforevsNow）：
? ?Before：天文學(xué)家在觀測(cè)幾百光年外的系外氣態(tài)巨行星時(shí)，只能通過(guò)光譜分析其表面成分，對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一無(wú)所知。
? ?目前，用這個(gè)理論，往后的太空望遠(yuǎn)鏡只要觀測(cè)系外行星的極地風(fēng)暴數(shù)量（到底是單個(gè)大風(fēng)暴還是氣旋群），反過(guò)來(lái)就能夠推斷那行星深部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和密度分層情況，這好像給人類提供了一個(gè)遠(yuǎn)程地質(zhì)錘。
? ?2.地球極端天氣預(yù)測(cè)（日常相關(guān)）
? ?這個(gè)研究用到的流體動(dòng)力學(xué)方程，其實(shí)是從模擬地球中緯度氣旋（像臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)這類）的數(shù)學(xué)模型改過(guò)來(lái)的
? ?在像木星高壓環(huán)境這類極端情況下面驗(yàn)證并且修改這些模型，進(jìn)行運(yùn)用，氣象學(xué)家就能夠優(yōu)化地球氣候模型的基礎(chǔ)算法，這樣子，我們對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的預(yù)測(cè)精確率就可以得到提升，從而讓沿海居民在防災(zāi)準(zhǔn)備這方面直接得到好處。
? ?3.未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)規(guī)劃
? ?有跟沒(méi)有，在還沒(méi)有這個(gè)理論指導(dǎo)之前，比如說(shuō)未來(lái)的天王星軌道器這類探測(cè)器，可能就會(huì)帶著昂貴的重力探測(cè)儀去胡亂測(cè)試內(nèi)部構(gòu)造。
? ?當(dāng)下，高精度極地成像設(shè)備能讓任務(wù)規(guī)劃人員先做安排，把細(xì)致描繪云頂風(fēng)暴輪廓當(dāng)作探測(cè)內(nèi)部構(gòu)造的低成本代替或者補(bǔ)充辦法，之后明顯優(yōu)化了幾十億美元的太空任務(wù)花費(fèi)。

挑戰(zhàn)與限制分析
? ?雖然這個(gè)理論比較讓人興奮的，不過(guò)在朝著真理走的過(guò)程中還是有阻礙存在
? ?為了去處理復(fù)雜計(jì)算，把維度簡(jiǎn)化之后，研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在主要用二維（2D）流體動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬三維（3D）的行星大氣。雖然在大尺度旋轉(zhuǎn)下這還是一種合理的近似，但是真實(shí)的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)可能會(huì)帶來(lái)未知的變化。
? ?數(shù)據(jù)的缺失：目前我們只有朱諾號(hào)（Juno）和卡西尼號(hào)（Cassini）提供的部分重力與磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。要完全驗(yàn)證“軟硬底部”理論，需要更精確的深層大氣密度數(shù)據(jù)，而這是目前的技術(shù)難以直接測(cè)量的。
? ?科學(xué)界的爭(zhēng)論，行星科學(xué)界對(duì)于深層大氣是對(duì)流還是穩(wěn)定分層還有爭(zhēng)議，這個(gè)理論靠著特定的內(nèi)部分層假設(shè)，可能會(huì)碰到其他競(jìng)爭(zhēng)理論（像深對(duì)流驅(qū)動(dòng)模型）的挑戰(zhàn)。

• 結(jié)尾
  ? ?展望未來(lái)3到5年，隨著韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）對(duì)系外行星觀測(cè)越來(lái)越深入，我們說(shuō)不定會(huì)發(fā)現(xiàn)木星型和土星型不是二元對(duì)立的，而是一個(gè)連續(xù)的光譜。
  ? ?這兒有個(gè)大膽的觀點(diǎn)哈，天氣就是地質(zhì)，我們平常老是把天氣（大氣運(yùn)動(dòng)）和地質(zhì)（內(nèi)部結(jié)構(gòu)）分開(kāi)來(lái)看，但在這項(xiàng)研究里，它們是同一個(gè)物理過(guò)程的兩個(gè)端點(diǎn)，說(shuō)不定以后，咱們都不用去鉆探，就瞅一眼天空的云卷云舒，就能曉得腳下好幾萬(wàn)公里深的地方是啥情況。
  ? ?對(duì)于人類而言，這可不單單關(guān)乎木星的風(fēng)暴，更是關(guān)乎我們?nèi)绾稳ダ斫饬黧w，流體乃是宇宙中最為普遍的物質(zhì)形態(tài)，當(dāng)人們注視著木星極地那完美的八邊形幾何風(fēng)暴時(shí)，人們所看到的其實(shí)就是物理學(xué)定律在宇宙尺度上的壯麗展現(xiàn)。
  1.美國(guó)國(guó)家航空航天局木星探測(cè)任務(wù):理解木星的內(nèi)部和大氣層
  2.自然天文視角:巨型行星的流體動(dòng)力學(xué)
  ?聲明：本文的內(nèi)容90%以上為自己的原創(chuàng)，少量素材借助AI幫助。但是，本文所有內(nèi)容都經(jīng)過(guò)自己嚴(yán)格審核。圖片素材全部都是來(lái)源真實(shí)素材簡(jiǎn)單加工。所寫文章宗旨為：專注科技熱點(diǎn)的解讀，用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言拆解復(fù)雜的問(wèn)題，無(wú)低俗等不良的引導(dǎo)，望讀者知悉。