木星和土星的极地涡旋之谜|土星|巨行星|木星|极区|极地涡旋|超级地球

极涡之谜

木星和土星是太阳系中最大的两颗行星。这两颗行星在许多方面都很相似——它们都是气态巨行星，大小相近，且主要都由氢和氦构成。然而，多年来飞掠而过的航天器，却在这两颗行星的两极观测到了令人费解的天气形态：它们拥有截然不同类型的极地涡旋（极涡），即在行星极区的巨大大气涡旋。

在土星上，一个巨大的单一极涡似乎以一种奇特的六边形形状笼罩在北极之上；而在木星上，一个中央极涡被八个较小的涡旋环绕。这两颗如此相似的行星，为何它们的极区会有如此迥异的天气形态？

在一项新发表于《美国国家科学院院刊》的研究中，一个研究团队提出了一种可能的解释：涡旋图样如何、以及一个行星最终形成一个还是多个极涡，取决于涡旋底部的“柔软度”——而这与行星内部成分有关。

用二维模型捕捉极涡演化

自2016年起，朱诺号探测器一直绕木星运行，并拍摄到木星北极及其多个旋转涡旋的震撼图像。根据这些图像，科学家估算木星的每个涡旋都极其庞大，约4800千米——几乎相当于地球直径的一半。

木星北极的红外三维图像，显示了8个涡旋呈环状分布，围绕着一个中央气旋。（图/NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM）

而在2017年坠入土星大气中之前，卡西尼号探测器则曾围绕这颗有环的行星运行了13年。它对土星北极的观测，揭示了到一个单一的、呈六边形的极涡，宽约29000千米。

土星只有一个巨大的、呈六边形的涡旋，宛如“盖帽”般笼罩在土星的极区之上。（图/NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University）

在新的研究中，研究人员着手寻找一种物理机制，可以解释为何一颗行星可能演化出单一涡旋，而另一颗却拥有多个涡旋。为此，他们采用了一个表面流体动力学的二维模型。

尽管极涡本质上是种三维结构，但研究团队认为，由于木星和土星的快速自转，会使流体沿自转轴方向的运动趋于一致，这意味流体图样在三维方向上并未发生变化，因此仍可用二维方式准确描述其演化。如此一来，模拟与研究的速度能提升数百倍，而模拟成本则大幅降低。

基于这一思路，研究团队以一个描述了旋转流体如何随时间演化的既有方程为基础，建立了一个气态巨行星上涡旋演化的二维模型。这一方程已在许多情境中使用过，包括用于模拟地球中纬度气旋，研究人员将它调整为适用于木星与土星的极区。

底部的“柔软度”

在新的研究中，研究人员用这个二维模型对气态巨行星上的流体在不同情景下如何随时间演化进行了模拟。在不同的模拟中，他们改变了行星的大小、自转速率、内部加热强度，以及旋转流体的柔软度等参数。随后，他们设定一个随机的“噪声”初始条件：流体起初以随机的图样在行星表面流动。最后，他们观察在不同情景下，流体会如何随时间演化。

他们将单个涡旋类比为一个旋转的圆柱体，穿行于行星的多层大气之中。在分析了各情景中参数与变量的组合及其与最终结果的对应关系后，他们最终锁定了一个机制：当随机流体运动开始汇聚成一个个独立涡旋时，涡旋能够长到多大，会受到其底部柔软程度的限制。

具体来说，他们在多组模拟中观察到，当这个旋转的圆柱体的底部由更柔软、更轻的物质构成时，演化出的涡旋规模只能增长到一定程度，于是最终的形态就可能容纳多个较小的涡旋共存——类似木星上的情况；相反，如果涡旋底部由更坚硬、更致密的物质构成，它就能长得更大，并在随后吞并其他涡旋，形成一个单一、巨大的涡旋——类似土星上的情况。