html

一团巨大的云带,长约3,700英里(6,000公里),每几天就横扫金星一次,它是由上升的硫酸蒸气生成的;这些蒸气被推向大气层高处,其背后的驱动力本质上与厨房水槽中的水流扩散现象相同,即水从水龙头流出后在厨房水槽里散开。

2016年,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的晓(Akatsuki)任务在金星稠密大气层中约31英里(50公里)高处发现了这片云带。这个天气系统与金星赤道平行,但科学家一直无法解释其巨大的规模、速度以及明显清晰的前缘。

然而,这个谜团在十年内就迎来了答案。通过建立描述气体动态流动以及气团上升方式的数学模型,一个国际天文学家团队现已弄清了这一巨大大气现象的来源。答案是一种名为“水跃”(hydraulic jump)的现象:当浅而快速流动的气体或流体突然减速并变深时,就会发生这种现象。一个日常例子是水从水龙头流出,落入厨房水槽中;水撞击水槽底部时,起初又浅又急,但随着水向外扩散,它迅速变得又深又慢。

金星大气里也有类似情况。那里的大气几乎全是二氧化碳,还有少量氮气,以及包括二氧化硫在内的微量气体,这些气体能形成云层。就在金星滚烫地表上方不远,有一股朝东移动的大气波。这是一种行星波,也就是说,它绵延数千公里,并且主要出现在金星赤道一带。(金星本身的直径为7,520英里/12,104公里,所以这道波宽约3,700英里/6,000公里,算是很大了。)

在地球上,我们管这种波叫“开尔文波”,这种波在海洋和大气里都会出现。当然,金星表面温度高达华氏860度(摄氏460度),所以它没有海洋,它的开尔文波完全只存在于大气里。

当金山的开尔文波减缓时,它会引发水跃,这使得一股强大的硫酸蒸气上升气流能够升至约31英里(50公里)的高度,在那里凝结成一片巨大得骇人的硫酸云带。这些云随后紧跟在那道开尔文波后面,而这道波正是云带的前缘。

“我们现在能够证明,这种云层错乱是由太阳系中已知最大的水跃引起的,”该研究负责人、来自东京大学的今村刚在一份声明中说。“我们在金星上发现的水跃,把规模非常大的水平过程和局地强烈的垂直波联系在了一起,这很出人意料,因为在流体动力学中,二者通常是毫无关联的。”

这是人类首次在地球以外的行星上发现水跃现象。因此,金星上的水跃表现得出人意料,但这也并不算太奇怪,它提醒我们,其他行星上的大气现象可能跟地球上的完全不同。

金星的大气与地球截然不同——富含二氧化碳,厚重得足以在地表产生高达92巴的气压,而且金星大气还会发生超自转,只需四个地球日就能绕金星转一圈,而金星本身自转一圈却要243天。

这一发现也填补了我们对金星稠密大气理解中的一个空白。

“到目前为止,我们使用了一个与地球相似的金星全球环流模型,但该模型并未包含我们现已识别出的水跃现象,”今村(Imamura)说。“我们的下一步将是用一个更全面的气候模型来验证这一发现,该模型将包含其他大气过程。由于运行此类模拟需要巨大的处理能力,我们将面临一些挑战。即使使用现代超级计算机,这也不容易。”

今村团队的研究结果4月24日发在了《地球物理研究杂志—行星》上。