土星六角形大气层的解释

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土星的北六边形是一个在78°N时环绕土星北极的云带,第一次被旅行者号在1980-81年的飞掠中观测到。这种显著的模式现在已经持续了一个多土星年(29.5个地球年)。

三十多年来,我们一直在收集关于环绕土星北极的神秘六边形云系的观测资料。现在,研究人员相信他们有一个模型可以更好地解释它的形成。

迷人的几何

土星的北六边形是一个在78°N时环绕土星北极的云带,第一次被旅行者号在1980-81年的掠中观测到。这种显著的模式现在已经持续了一个多土星年(29.5个地球年)。

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2012年,卡西尼号对Hexagon进行了观测,观测范围从紫外线到红外线。. [NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University]

土星的六边形

“旅行者”号和最近的卡西尼号的观测帮助我们确定了这个奇异结构的许多关键特征。我们学到了两件有趣的事:

1、六边形与一股东移的纬向急流有关,其速度超过每小时200英里。

2、六边形的成因被认为是一种急流,类似于我们在地球上所经历的。喷射的路径看起来是沿着六边形的轮廓。

六边形的旋转速度与土星的整体旋转速度大致相同。

虽然我们观察到个别风暴和云模式在六边形内以不同的速度移动,但六边形的顶点的移动速度几乎与土星本身的旋转速度相同。
用急流来模拟六边形的形成的尝试还没有完全重现所有观察到的特征和行为。但是现在,新墨西哥矿业技术研究所的Raul Morales-Juberias领导的一个团队相信他们已经创造了一个更好地匹配我们所看到的模型。

模拟蜿蜒的急流

研究小组对围绕土星极点的一股东向高斯分布的喷流进行了一系列模拟。他们在射流中引入了微小的扰动,并证明了扰动的结果是射流可以弯曲成六边形。在团队模型的初始条件下,蜿蜒的喷流能够稳定地形成一个六边形,其旋转周期几乎与土星的旋转周期相同。

这种六边形的形成取决于射流的初始振幅和曲率等因素。该模型对土星大气中的风廓线的处理是另一个关键的组成部分,使它们能够匹配观测到的六边形特征,如其形状、涡度行为、温度梯度和季节稳定性。

下面的图展示了作者在他们的模型中制作的射流演化动画的一部分。在模拟过程中,你可以看到一个六边形在230天左右开始形成,到400天左右它就变得稳定而不旋转了(我们从一个与土星一起旋转的参考系中观察它)。完整的动画可以在这里观看。[Morales-Juberias等人,2015]

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