木星和土星的极地天气暗示了这两颗行星内部的细节
这张木星北极的红外3D图像展示了气旋和反气旋。图片来源：uux.cn/NASA/喷气推进实验室-加州理工学院/西南研究院/澳大利亚战略研究院/印度空军/JIRAM组织
（神秘的地球uux.cn）据麻省理工学院：多年来，路过的航天器在木星和土星两极观测到了令人费解的天气模式。这两颗行星拥有截然不同类型的极地涡旋，极地涡旋是巨大的大气漩涡，在行星的极地上旋转。在土星上，一个巨大的极地涡旋似乎以奇特的六边形覆盖北极，而在木星上，一个中心极地涡旋被八个较小的涡旋包围，就像一盘旋转的肉桂卷。
鉴于两颗行星在许多方面相似——它们大小大致相同，且由相同的气态元素组成——它们极地气候模式的巨大差异一直是个长期的谜团。
现在，麻省理工学院的科学家们已经确定了两种不同系统可能演化的可能解释。他们的发现不仅有助于科学家了解行星表面的天气模式，还能揭示云层内部深处可能隐藏着什么。
在本周发表于《美国国家科学院院刊》的一项研究中，团队模拟了气态巨行星随机刺激中，如何形成有序的涡旋图案的多种方式。气态巨行星是由主要由气态元素组成的大型行星，如木星和土星。在多种可能的行星配置中，团队发现在某些情况下，洋流汇聚成一个大型涡旋，类似于土星的模式，而其他模拟则产生多个大型环流，类似木星的涡旋。
通过模拟对比，团队发现涡旋模式以及行星是否形成一个或多个极地涡旋，归结于一个主要特性：涡旋基底的“柔软度”，这与内部成分相关。科学家们将单个漩涡比作一个旋转的圆柱体，穿梭于行星的多层大气层中。
当这个旋转圆柱体的底部由更柔软、更轻的材料构成时，任何进化出来的涡旋只能变大到一定程度。最终的图案可以形成多个较小的涡旋，类似于木星上的涡旋。相比之下，如果涡旋的基底由更坚硬、更密集的物质组成，它可以膨胀得更大，随后吞噬其他涡旋，形成一个巨大的漩涡，类似于土星上的怪兽气旋。
“我们的研究表明，根据涡旋内部特性和底部的软度，这会影响你在地表观察到的流体模式类型，”研究作者、麻省理工学院地球、大气与行星科学系（EAPS）助理教授康万英说。“我觉得没人把表面流体模式和这些行星内部属性联系起来。一种可能的情况是土星的底部比木星更硬。”
该研究的第一作者是麻省理工学院的研究生石嘉鲁。
旋转
姜和石的新作灵感来自朱诺号和卡西尼号任务拍摄的木星和土星图像。美国宇航局的朱诺号飞船自2016年以来一直在木星轨道运行，拍摄到了木星北极及其多重旋转涡旋的惊艳影像。通过这些图像，科学家估计木星的每个涡旋都非常巨大，直径约3000英里——几乎是地球宽度的一半。
卡西尼号飞船在2017年故意在土星大气层燃烧前，绕着这颗环状行星运行了13年。它对土星北极的观测记录到一个单一的六角形极地涡旋，宽约18,000英里。
“人们花了很多时间去解读木星和土星的区别，”石说。“这两颗行星大小差不多，主要由氢和氦组成。目前尚不清楚它们的极地涡旋为何差异如此之大。”
施和康着手寻找一种物理机制，解释为何一颗行星可能演化出单一涡旋，而另一颗行星却拥有多个涡旋。为此，他们使用了二维表面流体动力学模型。虽然极地涡旋具有三维性质，但团队认为它们可以在二维空间中准确表现涡旋演化，因为木星和土星的快速自转强化了沿旋转轴的均匀运动。
“在快速旋转系统中，流体运动沿旋转轴趋向均匀，”姜解释道。“所以，我们受到这样一个想法的启发：我们可以将三维动力学问题简化为二维问题，因为流体模式在三维中不会改变。这使得问题的模拟和研究速度快了数百倍，成本也降低了数百倍。”
探究真相
基于这一推理，团队基于现有的方程，开发了一个二维的气态巨行星涡旋演化模型，该方程描述了旋转流体随时间的演化。
“这个方程已被用于许多情境，包括模拟地球上的中纬度气旋，”姜说。“我们将该方程调整到木星和土星的极地区域。”
团队应用二维模型模拟在不同情景下气态巨行星流体随时间的演变。在每种情景中，团队调整行星大小、自转速率、内部加热以及旋转流体的软硬等参数。然后设置随机“噪声”条件，使流体最初以随机模式在行星表面流动。最后，他们观察流体在特定情景条件下随时间演变的过程。
在多次不同的模拟中，他们观察到有些情景演化成一个大型极地涡旋，如土星，而另一些则形成多个较小涡旋，如木星。
在分析了每种情景中参数和变量的组合及其与最终结果的关系后，他们得出了一个解释单一涡旋还是多个涡旋演化的机制：随着随机流体运动开始汇聚成单个涡旋，涡旋的大小受限于涡旋底部的软弱程度。涡旋底部旋转的气体越软或越轻，涡旋最终越小，这使得多个较小尺度的涡旋能够在行星极地共存，类似于木星上的涡旋。
相反，涡底越坚硬或越密实，系统可以越大，最终可以沿着行星曲率形成一个单一的行星级涡旋，就像土星上的涡旋一样。
如果这确实是两颗气态巨行星上发生的机制，那么木星可能由更软、更轻的物质构成，而土星内部可能蕴藏更重的物质。
“我们从表面看到的，木星和土星上的流体模式，可能告诉我们内部的一些信息，比如底部有多软，”石说。“这很重要，因为也许土星表面之下，内部金属含量更高，且有更多可凝结物质，这使得它能提供比木星更强的分层作用。这将有助于我们对这些气态巨行星的理解。”
