木星上奇怪的風暴

2020-09-25 科技領航人

一個覆蓋著五顏六色的帶狀氣體的巨型行星——木星，在其南極，有一個引人注目的景象，隱藏著一個比地球還大的紅色斑點。在行星的南極附近，大部分是隱藏在人類窺視之下的漩渦風暴集合，以不尋常的幾何圖案排列著。

自從它們於2019年首次被美國國家航空航天局（NASA）的朱諾（Juno）太空探測器發現以來，這些風暴對科學家來說是一個謎。風暴類似於地球上的颶風。但是，在我們的星球上，颶風不會像五星或六邊形那樣聚集在極點，並以五邊形或六邊形的形狀互相纏繞。

現在，加州理工學院行星科學教授安迪·英格索爾（Andy Ingersoll）的實驗室中的一個研究小組發現了為什麼木星的風暴表現得如此奇怪。他們是使用將近150年前英國數學物理學家和工程師開爾文勳爵（Lord Kelvin）撰寫的證明得出的數學運算來實現的。

英格索爾（Juger團隊的成員）說，木星的風暴與每年夏天和秋天襲擊美國東海岸的風暴非常相似，只是規模更大。

「如果您走到雲層之下，您可能會發現液態水滴，冰雹和大雪，」 英格索爾說，「風將是颶風風。地球上的颶風很好地模擬了我們在木星上看到的這些分布中的單個渦旋，但是這裡看不到令人驚嘆的五顏六色的景象。」

與在地球上一樣，木星的風暴趨向於靠近赤道，然後向兩極漂移。但是，地球的颶風和颱風在它們離赤道太遠之前就已經消散。木星颶風會繼續前進直到它們到達極點。


英格索爾說：「不同之處在於，颶風在地球上慢慢消減，而溫暖的水又流進了各大洲。」木星不是巖石行星，沒有土壤和巖石，「所以摩擦少了很多，因為沒有什麼可與之抗衡的。在雲層下面只有更多的氣體。木星的形成過程留下的熱量與太陽的熱量相當，因此其赤道和兩極之間的溫差沒有地球上那麼大。」

然而，英格索爾說，這種解釋仍然不能解釋風暴一旦到達木星南極的行為，即使與其他天然氣巨頭相比，這也是不尋常的。土星，也是一個天然氣巨人，在其兩極都有一個巨大的風暴，而不是幾何上排列的風暴集合。

圖註：（單擊動畫）在某些模擬條件下，在土星上，氣旋風暴相互融合而不是相互排斥。

英格索爾和他的同事們發現，為什麼木星具有這些幾何形狀而其他行星卻沒有這樣的謎，在過去，特別是美國物理學家阿爾弗雷德·梅耶（Alfred Mayer）和開爾文勳爵（Lord Kelvin），在1878年所做的工作中就可以找到答案。 梅耶將漂浮的圓形磁鐵放在水池中，觀察到它們會自發地排列成幾何形狀，類似於木星上看到的形狀，其形狀取決於磁鐵的數量。開爾文（Kelvin）使用梅耶（Mayer）的觀察結果開發了一個數學模型來解釋磁體的行為。

「追溯到19世紀，人們一直在思考如何將流體旋轉成多邊形，」英格索爾說，「儘管對這些流體多邊形進行了大量的實驗室研究，但沒有人想到將其應用於行星表面。」

為此，研究團隊使用了一組稱為淺水方程組的方程式，建立了木星上可能發生的情況的計算機模型，並開始進行模擬。

「我們想探索使這些旋風分離器穩定的參數組合，」加州大學伯克利分校的主要作者，51 Pegasi b博士後研究員成力（Phd '17）說，「已有理論預測，由於行星的旋轉，氣旋會在極點合併，這就是我們在最初的試驗中發現的。」

圖注:（單擊動畫）在某些實驗條件下，在木星上，氣旋風暴相互排斥，而不是合併。

最終，研究小組發現，如果每個風暴都被一圈與自旋風暴相反方向旋轉的風環或所謂的反氣旋環所包圍，則會形成類似於木星的穩定風暴結構。反氣旋環的存在使風暴相互排斥，而不是合併。

英格索爾說，這項研究可以幫助科學家更好地了解地球上的天氣如何運轉。他說：「其他行星提供的行為比您在地球上看到的行為要普遍得多，因此您需要研究其他行星的天氣，以便對理論進行壓力測試。」

​該論文的標題為「模擬朱諾太空飛行器揭示的木星兩極渦旋多邊形圖案的穩定性」，該論文發表在9月8日的美國國家科學院院刊上。

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