木星上奇特的风暴之谜，其异常的几何图案在19世纪物理学的帮助下得以解决

如朱诺探测器所拍摄的，风暴聚集在木星的南极。

在木星的南极，有一个引人注目的景象，甚至是一个巨大的天然气星球，上面覆盖着五颜六色的波段，上面有一个比地球大的红色斑点。在行星的南极附近，大部分被人类窥探的眼睛所隐藏，以不寻常的几何图案排列着一系列漩涡状的风暴。

自从2019年美国国家航空航天局（NASA）的朱诺（Juno）太空探测器首次发现它们以来，这些风暴对科学家来说是一个谜。风暴类似于地球上的飓风。但是，在我们的星球上，飓风不会像五星或六边形那样聚集在极点并以五边形或六边形的形状互相缠绕。

现在，加州理工学院行星科学教授安迪·英格索尔（Andy Ingersoll）的实验室中的一个研究小组发现了为什么木星的风暴表现得如此奇怪。他们使用了将近150年前由英国数学物理学家和工程师Lord Kelvin撰写的证明得出的数学运算来实现此目的。

曾担任Juno小组成员的英格索尔（Ingersoll）说，木星的风暴与每年夏天和秋天袭击美国东海岸的风暴极为相似，只是规模更大。

他说：“如果您走到云顶之下，您可能会发现液态水滴，冰雹和大雪。”“风将是飓风风。地球上的飓风很好地模拟了我们在木星上看到的这些布置中的单个涡流，但这里没有那么令人惊叹的美丽。”

在某些模拟条件下，在土星上，气旋风暴相互融合而不是相互排斥。

与地球上一样，木星的风暴趋向于靠近赤道，然后向两极漂移。但是，地球的飓风和台风在它们离赤道太远之前就已经消散。木星只会继续前进直到他们到达极点。

英格索尔说：“不同之处在于，飓风在地球上用尽了温暖的水，而后又流入了各大洲。”木星没有土地，“所以摩擦要少得多，因为没有什么可对抗的。云层下只有更多的天然气。木星的形成过程中还剩下热量，其热量与太阳产生的热量相当，因此，赤道和两极之间的温差不如地球上大。

在某些实验条件下，在木星上，气旋风暴彼此排斥而不是合并。

然而，英格索尔说，这种解释仍然不能解释暴风雨一旦到达木星南极的行为，即使与其他天然气巨头相比，这也是不寻常的。土星，也是一个天然气巨人，在其两极都有一个巨大的暴风雨，而不是按照几何形状排列的暴风雨。

英格索尔和他的同事们发现，木星为何具有这些几何形状而其他行星却没有这种神秘现象的答案，可以在过去找到，特别是在美国物理学家阿尔弗雷德·梅耶（Alfred Mayer）和开尔文勋爵（Lord Kelvin）于1878年所做的工作中。梅耶将漂浮的圆形磁铁放在水池中，观察到它们会自发地排列成几何形状，类似于在木星上看到的形状，其形状取决于磁铁的数量。开尔文（Kelvin）利用梅耶（Mayer）的观察结果开发了一个数学模型来解释磁体的行为。

Ingersoll说：“回到19世纪，人们一直在思考旋转的流体如何将自己布置成多边形。”“尽管对这些流体多边形进行了大量的实验室研究，但没有人想到将其应用于行星表面。”

为此，研究团队使用了一组称为浅水方程组的方程式，建立了木星上可能发生的情况的计算机模型，并开始进行模拟。

“我们想探索使这些旋风分离器稳定的参数组合，”加州大学伯克利分校的主要作者，51 Pegasi b博士后研究员成力（Phd ’17）说。“已有理论预测，由于行星的旋转，气旋会在极点合并，这就是我们在最初的试运行中发现的。”

最终，研究小组发现，如果每个风暴都被与旋转的风暴相反方向旋转的风环或所谓的反气旋环包围，则会形成类似于木星的稳定风暴结构。反气旋环的存在使风暴相互排斥，而不是合并。

英格索尔说，这项研究可以帮助科学家更好地了解地球上的天气如何运转。

他说：“其他行星提供的行为比您在地球上看到的行为要广泛得多，因此您需要研究其他行星的天气，以便对理论进行压力测试。”

参考：Cheng Li，Andrew P. Ingersoll，Alexandra P. Klipfel和Harriet Brettle的Juno航天器于2020年9月8日发表的美国国家科学院院刊上
的模型为木星两极的涡旋多边形模式的稳定性建模。 DOI：10.1073 / pnas.2008440117

该论文发表在2020年9月8日的美国国家科学院院刊上。合著者是加州大学伯克利分校的李成（Cheng Li），加州理工学院的哈丽特·布雷特（Harriet Brettle）（MS ’19）和本科生亚历山德拉·克里普费尔（Alexandra Klipfel）。