極渦之謎

木星和土星是太陽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，多年來飛掠而過的航天器，卻在這兩顆行星的兩極觀測到了令人費解的天氣形態(tài)：它們擁有截然不同類型的極地渦旋（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，一個中央極渦被八個較小的渦旋環(huán)繞。這兩顆如此相似的行星，為何它們的極區(qū)會有如此迥異的天氣形態(tài)？

在一項新發(fā)表于《美國國家科學院院刊》的研究中，一個研究團隊提出了一種可能的解釋：渦旋圖樣如何、以及一個行星最終形成一個還是多個極渦，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，朱諾號探測器一直繞木星運行，并拍攝到木星北極及其多個旋轉(zhuǎn)渦旋的震撼圖像。根據(jù)這些圖像，科學家估算木星的每個渦旋都極其龐大，約4800千米——幾乎相當于地球直徑的一半。

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

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

土星只有一個巨大的、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渦旋。為此，他們采用了一個表面流體動力學的二維模型。

盡管極渦本質(zhì)上是種三維結(jié)構(gòu)，但研究團隊認為，由于木星和土星的快速自轉(zhuǎn)，會使流體沿自轉(zhuǎn)軸方向的運動趨于一致，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確描述其演化。如此一來，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，研究團隊以一個描述了旋轉(zhuǎn)流體如何隨時間演化的既有方程為基礎(chǔ)，建立了一個氣態(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，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，研究人員用這個二維模型對氣態(tài)巨行星上的流體在不同情景下如何隨時間演化進行了模擬。在不同的模擬中，他們改變了行星的大小、自轉(zhuǎn)速率、內(nèi)部加熱強度，以及旋轉(zhuǎn)流體的柔軟度等參數(shù)。隨后，他們設(shè)定一個隨機的“噪聲”初始條件：流體起初以隨機的圖樣在行星表面流動。最后，他們觀察在不同情景下，流體會如何隨時間演化。

他們將單個渦旋類比為一個旋轉(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)果的對應(yīng)關(guān)系后，他們最終鎖定了一個機制：當隨機流體運動開始匯聚成一個個獨立渦旋時，渦旋能夠長到多大，會受到其底部柔軟程度的限制。

具體來說，他們在多組模擬中觀察到，當這個旋轉(zhuǎn)的圓柱體的底部由更柔軟、更輕的物質(zhì)構(gòu)成時，演化出的渦旋規(guī)模只能增長到一定程度，于是最終的形態(tài)就可能容納多個較小的渦旋共存——類似木星上的情況；相反，如果渦旋底部由更堅硬、更致密的物質(zhì)構(gòu)成，它就能長得更大，并在隨后吞并其他渦旋，形成一個單一、巨大的渦旋——類似土星上的情況。

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

如果這一機制確實同時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，會影響行星表面的流體圖樣。這一發(fā)現(xiàn)不僅有助于科學家理解行星表面的天氣形態(tài)，也有助于推測云層之下、行星內(nèi)部深處的情況，為刻畫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

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA