行星际风暴追逐 – 土星上神秘六边形风暴的新解释

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土星上较小的风暴与较大的系统相互作用,有效地挤压了东部急流,将其限制在行星的顶部,挤压过程将气流扭曲成六边形。

土星上较小的风暴与较大的系统相互作用,有效地挤压了东部急流,将其限制在行星的顶部。挤压过程将气流扭曲成六边形。来源:Jeremy Bloxham和Rakesh K. Yadav

一个新的3D模型可以解释土星上六边形风暴的形成

土星有着耀眼的冰环系统,从远古时代起,它就是一个令人着迷的星球。即使是现在,这颗离太阳第六远的行星仍有许多谜团,部分原因是它距离遥远,很难进行直接观测,部分原因是这颗气态巨星(体积是我们地球的好几倍)的成分和大气主要由氢和氦组成,与地球截然不同,了解更多关于它的知识可以帮助我们了解太阳系本身的形成。

土星的一个神秘之处在于它的北极有一个六边形的巨大风暴,六面涡旋是一种大气现象,自20世纪80年代被美国旅行者计划发现以来,一直吸引着行星科学家,随后在2006年被美国-欧洲的卡西尼-惠更斯任务所发现,风暴的直径约为2万英里,周围的风力最高可达每小时300英里,像这样的飓风在任何其他已知的行星或月球上都不存在。

在众多科学家中,有两位成为了追寻行星间风暴的科学家,致力于揭开这个奇迹的秘密,他们分别是马林克罗特(Mallinckrodt)地球物理学教授杰里米·布洛克汉姆(Jeremy Bloxham)和在哈佛大学地球与行星科学系布洛克汉姆实验室工作的研究助理拉凯什·k·亚达维(Rakesh K. Yadav)。在最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一篇论文中,研究人员开始思考漩涡是如何形成的。

亚达夫说:“我们在地球上经常看到风暴,它们总是呈螺旋状,有时是圆形的,但从来没有出现过六边形的部分或有边的多边形。”“这真的很惊人,完全出乎意料。(在土星上的问题是)这么大的一个现象是如何形成的,又如何能在这么大的行星上保持不变?”

通过创建一个土星大气的3D模拟模型,Yadev和Bloxham相信他们正在接近答案。

在他们的论文中,科学家们说,当土星内部的大气流动产生大大小小的涡旋(又称气旋)时,这种看起来不自然的飓风就会发生。这些涡旋围绕着一股更大的水平急流,这些急流在土星北极附近向东吹来,同时也有一些风暴。较小的风暴与较大的急流相互作用,结果有效地挤压了东部急流,将其限制在行星的顶部,挤压过程将气流扭曲成六边形。

该研究的主要作者亚达夫说:“这种喷射流绕着地球旋转,它不得不与这些局部的(较小的)风暴共存。”这样想:“想象一下,我们有一根橡皮筋,我们把一束小橡皮筋缠在它周围,然后我们从外面把整个东西挤压。中间的环会被压缩几英寸,形成一些有一定数量边的奇怪形状,这基本上就是发生的物理现象。我们有这些小风暴,它们基本上在挤压极地地区的大风暴,因为它们必须共存,它们必须找到一个空间容纳每个系统,最终做出了这个多边形形状。”

研究人员创建的模型表明,这场风暴有几千公里深,在土星云层顶部的下方,该模拟模拟了该行星的外层,只覆盖了其半径的大约10%。科学家跑了整整一个月的实验,计算机仿真表明,这种现象称为深热对流,当热量从一个地方转移到另一个通过液体或气体的运动,可以引起大气流动创造大极地气旋和高纬度地区向东喷射模式,当这些物质在顶部混合时,就形成了意想不到的形状,而且由于风暴是在行星内部深处形成的,科学家们说,它使六边形变得狂暴而持久。

对流是造成地球上龙卷风和飓风的同一种力量,这与烧开一壶水类似:底部的热量向上转移到较冷的表面,导致顶部起泡。这被认为是造成土星上许多风暴的原因,土星作为一个巨大的气态行星,没有像地球一样的固体表面。研究人员在6月的论文中写道:“土星上六边形的气流模式是湍流自组织的一个显著例子,我们的模型同时自洽地产生交替的纬向喷流、极地气旋和类似于在土星上观察到的六角形多边形结构。”

然而,这个模型并没有产生一个六边形,研究人员看到的形状是一个九边多边形,移动速度比土星风暴还要快,尽管如此,它的形状还是为整个主题的概念提供了证据,这个主题是关于宏伟的形状是如何形成的,以及为什么它在近40年里相对没有变化。

对土星的六角形风暴的兴趣可以追溯到1988年,当时天文学家大卫·a·戈弗雷分析了旅行者号飞船1980年和1981年土星通过时的飞掠数据,并报告了这一发现,几十年后,从2004年到2017年,美国国家航空航天局的卡西尼号飞船在坠入地球之前捕捉到了一些最清晰、最著名的图像。

相对而言,人们对这场风暴知之甚少,因为这颗行星绕太阳运行需要30年,其间两极都处于黑暗之中。例如,卡西尼号只在2004年第一次到达时拍摄了风暴的热图像,即使太阳照射到土星的北极,云层也很厚,光线无法穿透到土星的深处。

不管怎样,关于风暴是如何形成的有许多假设,最主要的观点有两种:一种认为六边形很浅,只有几百公里深;另一种说法是,这些带状喷射流有几千公里深。

Yadev和Bloxham的发现建立在后一种理论的基础上,但需要包括更多来自土星的大气数据,并进一步完善他们的模型,以创建一个关于风暴的更准确的图像。总的来说,二人希望他们的发现能帮助描绘出土星的总体活动。

“从科学的角度来看,大气在决定一颗行星冷却的速度方面非常重要。所有你在表面看到的东西,基本上都是行星变冷的表现,而行星变冷告诉我们很多关于行星内部正在发生的事情,”亚达夫说。“科学的动机基本上是了解土星是如何形成的,以及它是如何随时间演变的。”

参考:Rakesh K. Yadav和Jeremy Bloxham合著的《深度旋转对流在土星上产生极六边形》,《美国国家科学院院刊》2020年6月8日。
DOI: 10.1073 / pnas.2000317117

这项工作得到了FAS研究计算、NASA高端计算计划和NASA朱诺计划的支持。

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