Astronomy 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Astronomy
标  题: 木星上的狂风
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Nov 20 16:12:17 2005), 转信

原文标题：Wind chaos on Jupiter

原文来自：http://www.spaceflightnow.com/  Posted: November 9, 2005

编译：Steed  审校：Linq  （编译版权所有，文章有删节，未经许可请勿转载。）

来自于德国马普太阳系研究所、加拿大艾伯塔大学和美国加州大学洛杉矶分校的科学家
们已经提出了一个新的三维计算机模型，成功地描述和解释了木星带状风圈的所有重要
特征。这项模拟暗示，木星上的风流系统也许一直深入到7000公里以下的深层大气之
中。

驱动这些风流的力量是一些较小的湍流，它们被行星弯曲的表面和迅速的自转整理成了
环绕行星的带状风圈。这个计算机模型还解释了为什么会存在两种类型的风圈：赤道附
近的是强劲而宽阔的风圈，而较高纬度则是狭窄的微风带。这些原因深藏在行星的内
部，在那里，极大的压强使得大气呈现出一种金属状态。（《自然（Nature）》杂志，
2005年11月10日）



http://nkbbs.org/up2/f/astrogeo/1116/11321533642.jpg

电脑模拟的木星。Image credit: UCLA. 点击放大

木星，我们太阳系中最大的行星，提供了一幅迷人的景色。许多不同色彩的云带就像腰
带一样环抱着这颗行星，这些云带反映出了一个极其强劲和稳定的，沿着东西方向吹动
的风流系统。将1979年的旅行者号（VOYAGER）和最近的卡西尼（CASSINI）飞船所做的
测量进行比较，结果显示这个系统几乎没有发生过变化。这些风随着云带的变化而改变
方向：赤道两边暗云带中的风吹向东方，而两极附近暗云带中的风则吹向西方。最强的
风圈位于赤道上，以每秒170米的速度吹向东方。这些风圈可以被分成两类 ：较强、较
宽的风圈集中在赤道附近，而较高纬度的风圈通常较弱、较窄。

德国、加拿大和美国的研究者组成的小组已经提出了第一个计算机模型，能够模拟木星
风圈系统的所有重要性质，并且可以解释它的起源。关于木星大气动力学的模型可以被
分 为两类：浅层模型和深层模型。浅层模型的支持者们将地球气象学中发展起来的技术
应用到木星的大气层之中。因为与行星的直径相比，地球的大气层是非常薄的，它的球
壳形态可以用一个简化的球面来近似，这使得计算机模拟可以运行得迅速得多。 这种模
型也成功地产生出了几条云带，但在其他方面却失败了：赤道风圈——木星上最强的风
圈吹错了方向，两类风圈之间的差别也消失了，所有的风圈都差不多。

在上世纪70年代，德国拜罗伊特大学的荣誉退休教授弗雷德里克·伯西（Friedrich
Busse）发展出第一个深层动力学模型。他指出，木星和地球大气之间，存在着一个重要
的差异：地球的大气是有行星的岩石表面做为边界的。而木星是一个气体行星。根本没
有一个底面能够将风限制在薄薄的 一层球面上。

木星的大气主要由氢和氦所组成。气压随着深度的增加而增大。在某个临界点，氢气分
子会被压缩得非常靠近，以至于形成了一种金属性的导电状态。木星的强磁场会在更深
层的导电区域中阻止任何速度较快的运动。这样，高速风流就被限制在了外侧10%的行星
半径之内。

基于弗雷德里克·伯西的这个想法，新的计算机模型模拟了深达7000公里的外层大气。
德国马普太阳系研究所的约翰尼斯·威屈（Johannes Wicht）已经发展了一种计算机程
序，可以在一个自转的球壳中模拟由对流驱动的流体运动。计算结果为木星风流系统的
发展过程和形成原因提供了一种新颖的看法。

在地球上，气候变化是由来自于太阳的热量驱动的。然而在木星上，来自于行星内部的
热量扮演了更重要的角色。这种强大的能源首先驱动了小尺度上狂暴的对流运动。但是
就像行星一样，自转系统中的流体动力学展示了一些特别的性质：这些系统的流动总是
趋向于保持自转轴方向不变。因此对流运动，比如地球上的飓风，就会试图将自己组织
成圆柱状的结构。但是柱状的结构与行星的球体形状是冲突的。

球面曲率很难影响较小的涡流结构。可是，存在着一个特定的临界涡流大小，此时球面
曲率的影响就会变得与对流力量同样重要了。这个由理论上计算出来的大小被称为莱茵
斯长度， 这是以华盛顿大学的一位教授彼得·莱茵斯（Peter B Rhines）的名字命名
的。当涡流的直径达到莱茵斯长度时，行星的曲率就开始将对流性的动能组织成环球性
的风圈。因此，莱茵斯长度不仅决定了行星表面风圈的宽度，还决定了风圈的数量。

但是为什么会存在两种不同类型的风圈呢？计算机模型也为这个问题提供了答案。环绕
着赤道的风圈可以向南北两个半球延伸。这在较高纬度的地区是不可能的，因为这些风
的延伸范围会被行星内部的导电区域所阻隔。导电区域形成的内侧边界拥有更高的曲
率，改变了高纬度区域莱茵斯长度的数值。当考虑了这种效 应之后，模拟和观测就完全
一致了：这些风圈比那些赤道周围的风圈更窄，形成了另一类不同的风圈。

（全文完）

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