追逐行星际风暴–土星神秘六角风暴的新解释

土星上较小的风暴与较大的系统相互作用，因此有效地夹住了东部喷气流并将其限制在地球的顶部。捏合过程将流变形为六边形。

土星凭借其令人眼花rings乱的冰环系统，自古以来就一直是人们着迷的主题。即使是现在，距离太阳的第六颗行星也有许多奥秘，部分是由于其距离太远使得直接观察变得困难，部分原因是该气体巨人（是我们行星大小的倍数）具有组成和大气，主要是氢和氦，因此不像地球。了解更多有关它的知识可以对太阳系本身的产生产生一些见解。

土星的奥秘之一是在北极的六边形大风暴。六边形涡流是一种大气现象，自1980年代美国旅行者计划发现它以来，一直吸引着行星科学家的注意，随后美国-欧洲卡西尼号-惠更斯号任务于2006年对它进行了访问。风暴的直径约为20,000英里，周围是每小时300英里的狂风。类似的飓风在任何其他已知的行星或月球上都不存在。

致力于发现这一奇妙秘密的许多科学家，转为行星际风暴追逐者，其中两位是马林克罗特地球物理学教授杰里米·布洛瑟姆（Jeremy Bloxham）和研究助理拉克什·K·亚达夫（Rakesh K. Yadav），后者在哈佛大学地球与地球科学系的布洛瑟姆实验室工作。行星科学。在PNAS上最近发表的一篇论文中，研究人员开始围绕旋涡的产生来思考。

Yadav说：“我们经常在地球上看到风暴，它们总是呈螺旋形，有时是圆形的，但从来没有六角形或多边形的边缘。”“这确实是惊人的，完全是出乎意料的。[关于土星的问题是：这么大的系统是如何形成的？在如此大的星球上，如此大的系统如何保持不变？”

通过创建土星大气层的3D模拟模型，Yadev和Bloxham相信他们正在寻找答案。

在他们的论文中，科学家们说，看起来不自然的飓风是在土星深处的大气流产生大小涡旋（又称为旋风）时发生的，涡旋围绕着在地球北极附近向东吹的更大的水平射流，也有许多风暴在它里面。较小的风暴与较大的系统相互作用，因此有效地挤压了东部喷气流并将其限制在地球的顶部。捏合过程将流变形为六边形。

该研究的主要作者亚达夫说：“这架喷气机正在绕地球旋转，必须与这些局部的（较小的）风暴共存。”这样想：“想象一下，我们有一个橡皮筋，然后在其周围放一捆较小的橡皮筋，然后我们从外面挤压整个东西。该中心环将被压缩几英寸，并形成具有一定数量边缘的怪异形状。这基本上就是发生的事情的物理原理。我们有这些较小的风暴，它们基本上是在两极地区挤压较大的风暴，并且由于它们必须共存，因此它们必须以某种方式找到基本容纳每个系统的空间。这样，他们最终制作出了这种多边形形状。”

研究人员创建的模型表明，这场风暴深达数千公里，远低于土星的云层。模拟模仿了行星的外层，仅覆盖了其半径的10％。在科学家进行的为期一个月的实验中，计算机模拟显示出一种称为深度热对流的现象（当热量通过流体或气体的运动从一个地方转移到另一个地方时发生）会意外地引起大气流动，从而产生大的极性。气旋和高纬度的东喷模式。科学家们说，当这些物质在顶部混合时，就形成了意外的形状，并且由于风暴在行星的深处形成，因此使六角形充满了愤怒和持久性。

对流与在地球上引起龙卷风和飓风的力相同。这类似于煮一壶水：来自底部的热量传递到较冷的表面，导致顶部冒泡。据认为，这是造成土星上许多风暴的原因，土星作为天然气巨人，没有像地球一样坚固的表面。

研究人员在六月的论文中写道：“土星上的六角形流动模式是湍流自组织的一个显着例子。”“我们的模型同时且自洽地产生了交替的纬向射流，极地气旋和类似于土星的六边形多边形结构。”

但是，该模型没有生产的是六角形。相反，研究人员看到的形状是一个九边形的多边形，其移动速度比土星的风暴快。尽管如此，形状仍然是整个论文的概念证明，关于宏伟的形状是如何形成的以及为什么它在近40年中相对没有变化。

对土星六边形风暴的兴趣可以追溯到1988年，当时天文学家David A. Godfrey分析了旅行者号飞船1980和1981年土星经过的飞越数据并报告了这一发现。几十年后的2004年至2017年，NASA的卡西尼号飞船在坠入地球之前捕获了一些最清晰，最著名的异常图像。

对风暴的了解相对较少，因为行星要花30年的时间才能绕太阳公转，而此时任一个极都留在了黑暗中。例如，卡西尼号（Cassini）仅在2004年首次到达时才拍摄了风暴的热像图。即使太阳照在土星的北极，云层也是如此浓密，以至于光没有穿透到地球的深处。

无论如何，关于风暴如何形成存在许多假设。多数集中在两种思想流派：有人认为六边形很浅，只延伸了几百公里深。另一个表明纬向射流深达数千公里。

Yadev和Bloxham的发现建立在后一种理论的基础上，但需要包括更多土星大气数据，并进一步完善其模型，以更准确地了解风暴的发生情况。总的来说，两人希望他们的发现可以帮助大致描绘土星上的活动情况。

“从科学的角度来看，大气层对于确定行星的冷却速度非常重要。从表面上看，所有这些东西基本上都是行星降温的表现，而行星降温告诉我们很多关于行星内部发生的事情，” Yadav说。“科学动机基本上是了解土星是如何形成的以及它随着时间的推移如何演变。”

参考：Rakesh K. Yadav和Jeremy Bloxham撰写的“深层旋转对流在土星上产生极性六边形”，2020年6月8日，美国国家科学院院刊。DOI：
10.1073 / pnas.2000317117

这项工作得到了FAS研究计算，NASA高端计算计划和NASA Juno项目的支持。