風(fēng)暴數(shù)量竟能揭示行星內(nèi)部？

? ?想象一下，要是你站在木星北極，你會看到八個巨大的氣旋像完美的幾何披薩那樣排列著，每個都比美國還大，而當(dāng)你飛往土星北極，迎接你的就是太陽系最詭異的單體風(fēng)暴一個巨大的六邊形旋渦。
? ?為什么這兩顆在成分和體積上如此相似的“氣態(tài)兄弟”，會孕育出如此截然不同的極地天氣？
? ?長久以來，這是一個困擾天文學(xué)界的巨大謎題。
? ?如今，麻省理工學(xué)院（MIT）的一項突破性研究告訴我們：答案不在云端，而在那個我們看不見的、深不可測的行星“內(nèi)心”。

核心技術(shù)解析
? ?這項發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）的研究，由MIT科學(xué)家康婉瑩（WanyingKang）和石佳茹（JiaruShi）主導(dǎo)。它們并沒有直接飛入風(fēng)暴中心，而是運用流體力學(xué)模型，提出了一個全新的物理機制：渦旋底部邊界的“軟硬程度”（stiffness）決定了風(fēng)暴的命運。
? ?通俗地說，我們可以把行星表面的風(fēng)暴想象成在行星內(nèi)部延伸的“旋轉(zhuǎn)圓柱體”。研究發(fā)現(xiàn)：
? ?木星模式（軟底部），要是深層大氣的界面是軟的（密度差異小，流體更易混合），風(fēng)暴在這個底部沒法得到足夠支撐去無限擴張，就好比在松軟的沙地上蓋房子，地基限制了高度，這種限制讓大風(fēng)暴分裂或者沒法合并，最后形成好幾個共存的小渦旋群（木星的八角陣。
? ?土星模式（硬底部），要是深層界面是硬的，就像密度分層特別明顯，跟一堵墻似的，那它就能有效反射能量，讓風(fēng)暴圓柱體不受阻礙地合并、壯大，最后，所有能量都會匯聚成一個巨大的單體極地氣旋，也就是土星模式。
? ?這一個發(fā)現(xiàn)把行星表面的天氣圖很巧妙地變成了能透視它深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“CT掃描片

應(yīng)用場景展示
? ?這個看起來挺遠的天體物理研究，實際上對好幾個領(lǐng)域都有很深遠的影響
? ?1.系外行星探測（BeforevsNow）：
? ?Before：天文學(xué)家在觀測幾百光年外的系外氣態(tài)巨行星時，只能通過光譜分析其表面成分，對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一無所知。
? ?目前，用這個理論，往后的太空望遠鏡只要觀測系外行星的極地風(fēng)暴數(shù)量（到底是單個大風(fēng)暴還是氣旋群），反過來就能夠推斷那行星深部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和密度分層情況，這好像給人類提供了一個遠程地質(zhì)錘。
? ?2.地球極端天氣預(yù)測（日常相關(guān)）
? ?這個研究用到的流體動力學(xué)方程，其實是從模擬地球中緯度氣旋（像臺風(fēng)、颶風(fēng)這類）的數(shù)學(xué)模型改過來的
? ?在像木星高壓環(huán)境這類極端情況下面驗證并且修改這些模型，進行運用，氣象學(xué)家就能夠優(yōu)化地球氣候模型的基礎(chǔ)算法，這樣子，我們對臺風(fēng)路徑和強度的預(yù)測精確率就可以得到提升，從而讓沿海居民在防災(zāi)準備這方面直接得到好處。
? ?3.未來深空探測任務(wù)規(guī)劃
? ?有跟沒有，在還沒有這個理論指導(dǎo)之前，比如說未來的天王星軌道器這類探測器，可能就會帶著昂貴的重力探測儀去胡亂測試內(nèi)部構(gòu)造。
? ?當(dāng)下，高精度極地成像設(shè)備能讓任務(wù)規(guī)劃人員先做安排，把細致描繪云頂風(fēng)暴輪廓當(dāng)作探測內(nèi)部構(gòu)造的低成本代替或者補充辦法，之后明顯優(yōu)化了幾十億美元的太空任務(wù)花費。

挑戰(zhàn)與限制分析
? ?雖然這個理論比較讓人興奮的，不過在朝著真理走的過程中還是有阻礙存在
? ?為了去處理復(fù)雜計算，把維度簡化之后，研究團隊現(xiàn)在主要用二維（2D）流體動力學(xué)模型來模擬三維（3D）的行星大氣。雖然在大尺度旋轉(zhuǎn)下這還是一種合理的近似，但是真實的垂直對流運動可能會帶來未知的變化。
? ?數(shù)據(jù)的缺失：目前我們只有朱諾號（Juno）和卡西尼號（Cassini）提供的部分重力與磁場數(shù)據(jù)。要完全驗證“軟硬底部”理論，需要更精確的深層大氣密度數(shù)據(jù)，而這是目前的技術(shù)難以直接測量的。
? ?科學(xué)界的爭論，行星科學(xué)界對于深層大氣是對流還是穩(wěn)定分層還有爭議，這個理論靠著特定的內(nèi)部分層假設(shè)，可能會碰到其他競爭理論（像深對流驅(qū)動模型）的挑戰(zhàn)。

• 結(jié)尾
  ? ?展望未來3到5年，隨著韋伯望遠鏡（JWST）對系外行星觀測越來越深入，我們說不定會發(fā)現(xiàn)木星型和土星型不是二元對立的，而是一個連續(xù)的光譜。
  ? ?這兒有個大膽的觀點哈，天氣就是地質(zhì)，我們平常老是把天氣（大氣運動）和地質(zhì)（內(nèi)部結(jié)構(gòu)）分開來看，但在這項研究里，它們是同一個物理過程的兩個端點，說不定以后，咱們都不用去鉆探，就瞅一眼天空的云卷云舒，就能曉得腳下好幾萬公里深的地方是啥情況。
  ? ?對于人類而言，這可不單單關(guān)乎木星的風(fēng)暴，更是關(guān)乎我們?nèi)绾稳ダ斫饬黧w，流體乃是宇宙中最為普遍的物質(zhì)形態(tài)，當(dāng)人們注視著木星極地那完美的八邊形幾何風(fēng)暴時，人們所看到的其實就是物理學(xué)定律在宇宙尺度上的壯麗展現(xiàn)。
  1.美國國家航空航天局木星探測任務(wù):理解木星的內(nèi)部和大氣層
  2.自然天文視角:巨型行星的流體動力學(xué)
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