MIT行星科学家的新研究表明，木星和土星极涡模式的显著差异可能由其深层内部性质驱动，为气态巨行星的结构提供了新线索。“我们的研究显示，根据内部性质和涡旋底部的‘柔软度’，这会影响你在表面观察到的流体模式，”麻省理工学院的康婉莹博士说">MIT行星科学家的新研究表明，木星和土星极涡模式的显著差异可能由其深层内部性质驱动，为气态巨行星的结构提供了新线索。“我们的研究显示，根据内部性质和涡旋底部的‘柔软度’，这会影响你在表面观察到的流体模式，”麻省理工学院的康婉莹博士说">MIT行星科学家的新研究表明，木星和土星极涡模式的显著差异可能由其深层内部性质驱动，为气态巨行星的结构提供了新线索。“我们的研究显示，根据内部性质和涡旋底部的‘柔软度’，这会影响你在表面观察到的流体模式，”麻省理工学院的康婉莹博士说。
该研究的灵感来自美国国家航空航天局朱诺号和卡西尼号任务拍摄的木星和土星图像。朱诺号自2016年以来一直在木星轨道运行，捕捉到了该行星北极及其多个旋转涡旋的惊人图像。从这些图像中，科学家估计木星的每个涡旋都非常巨大，跨度约为5000公里（3000英里）。
卡西尼号在2017年有意冲入土星大气层烧毁之前，已环绕这颗带环行星13年。它对土星北极的观测记录到一个单一的六边形极涡，宽度约为29000公里（18000英里）。
“人们花了很多时间解读木星和土星之间的差异，”麻省理工学院研究生石佳如说，“这两颗行星大小相近，且主要由氢和氦组成。目前尚不清楚它们的极涡为何如此不同。”
研究作者旨在找出一种物理机制，解释为何一颗行星会演化出单一涡旋，而另一颗则拥有多个涡旋。为此，他们使用了表面流体动力学的二维模型。虽然极涡本质上是三维的，但他们认为可以用二维模型准确描述涡旋的演化，因为木星和土星的快速自转迫使流体沿自转轴做均匀运动。
“在快速自转系统中，流体运动往往沿自转轴均匀分布，”康博士说，“因此，我们受到启发，将三维动力学问题简化为二维问题，因为流体模式在三维空间中不会发生变化。这使得模拟和研究的速度和成本降低了数百倍。”
基于这一思路，研究人员开发了气态巨行星涡旋演化的二维模型，该模型基于描述旋转流体随时间演化的现有方程。“这个方程已在许多领域应用，包括模拟地球的中纬度气旋，”康博士说，“我们将其调整适用于木星和土星的极地地区。”
科学家们应用他们的二维模型，模拟了不同情景下气态巨行星表面流体随时间的演化。在每个情景中，他们改变了行星的大小、自转速率、内部加热以及旋转流体的柔软度或硬度等参数。然后，他们设置了随机“噪声”条件，即流体最初在行星表面以随机模式流动。最后，他们观察了在特定情景条件下流体随时间的演化。
在多次不同模拟中，他们发现一些情景演化形成了单一的大型极涡（如土星），而另一些则形成了多个较小的涡旋（如木星）。分析每个情景中的参数组合及其与最终结果的关系后，他们找到了一个单一机制来解释极涡是单一还是多个。
当随机流体运动开始聚集成单个涡旋时，涡旋能生长到的大小受其底部柔软度的限制。涡旋底部旋转的气体越柔软或越轻，最终涡旋的尺寸越小，从而允许多个较小尺度的涡旋在行星极地共存，类似于木星上的情况。相反，涡旋底部越坚硬或越密集，系统能生长到的尺寸就越大，最终可形成一个跟随行星曲率的单一行星尺度涡旋，如土星上的极涡。
如果这种机制确实在两颗气态巨行星上起作用，这表明木星内部可能由更柔软、更轻的物质组成，而土星内部可能含有更重的物质。“我们从表面看到的木星和土星的流体模式，可能告诉我们关于其内部的一些信息，比如底部的柔软度，”石佳如说，“这很重要，因为土星表面之下的内部可能富含金属，且有更多可凝结物质，使其分层结构比木星更强。这将加深我们对这些气态巨行星的理解。”
该团队的研究结果将发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。石佳如和康婉莹. 2026. 气态巨行星的极涡动力学：来自二维能量级联的洞见. PNAS, 待刊.