土星神秘的六邊形風(fēng)暴后可能存在地下漩渦

【內(nèi)容簡(jiǎn)介】：土星北極的六邊形風(fēng)暴也是令人著迷土星標(biāo)志之一，但這種奇怪的現(xiàn)象只出現(xiàn)在了土星的北極。 在一項(xiàng)新的研究中，一對(duì)研究人員調(diào)查了土星大量氣體的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，以此來(lái)弄清楚到底，是什么樣的行星流體動(dòng)力學(xué)創(chuàng)造了這種神秘的結(jié)構(gòu)。

土星的星環(huán)并不是它唯一的標(biāo)志性特征。

在土星的北極還有一個(gè)六邊形的標(biāo)志性特征。這一特征于1981年由科學(xué)家們?cè)诿绹?guó)宇航局的旅行者2號(hào)航天器訪(fǎng)問(wèn)土星時(shí)首次發(fā)現(xiàn)。土星的六邊形令人著迷，但也很奇怪：這種奇怪的現(xiàn)象只出現(xiàn)在土星的北極。在一項(xiàng)新的研究中，一個(gè)研究二人組調(diào)查了土星攪動(dòng)氣體的動(dòng)力學(xué)，他們希望弄清是什么樣的流體動(dòng)力學(xué)創(chuàng)造了這種神秘的結(jié)構(gòu)。

去年，來(lái)自馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)地球和行星科學(xué)系的Rakesh Yadav和Jeremy Bloxham進(jìn)行了為期一個(gè)月的計(jì)算機(jī)模擬，以了解土星六角形背后的物理學(xué)。

根據(jù)他們的論文，土星內(nèi)部的大氣流動(dòng)在這顆環(huán)狀行星的北極附近產(chǎn)生了大大小小的渦旋。在土星赤道上方約60度的地方，強(qiáng)大水平噴流被這些旋渦限制住，從而形成了六邊形的邊緣輪廓。

圖解：2013年7月22日，美國(guó)宇航局卡西尼號(hào)航天器在約611,000英里（984,000公里）的距離上拍攝到的土星北極的自然色視圖。(圖源：NASA/JPL-Caltech/空間科學(xué)研究所)

Yadav表示，該論文的其中一個(gè)主要觀點(diǎn)是：旋渦確實(shí)存在，但是是在云頂下的深處攪動(dòng)，因此像旅行者2號(hào)和美國(guó)宇航局的卡西尼航天器任務(wù)飛過(guò)土星時(shí)大多看不到這個(gè)六邊形的漩渦。在旅行者2號(hào)的數(shù)據(jù)傳回地球后，科學(xué)家們假設(shè)，六邊形可能是由地下氣旋造成的，就像這項(xiàng)新的研究表明的那樣。

Yadav說(shuō)，盡管卡西尼號(hào)從2004年到2017年對(duì)土星的觀測(cè)幫助科學(xué)家了解了更多關(guān)于這顆行星的流體動(dòng)力學(xué)，但當(dāng)航天器沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它們存在的突出跡象時(shí)，關(guān)于地表下旋渦的理論并沒(méi)有多少立足點(diǎn)。

Yadav對(duì)深層湍流可壓縮對(duì)流進(jìn)行了模型模擬，這種現(xiàn)象發(fā)生在液體或氣體的厚重的多層物質(zhì)的底部，這種物質(zhì)往往呈現(xiàn)底部熱，頂部冷的狀態(tài)。這種溫度差異導(dǎo)致物質(zhì)以循環(huán)的方式上下運(yùn)動(dòng)。對(duì)流現(xiàn)象在自然界中無(wú)處不在，對(duì)流現(xiàn)象也是形成颶風(fēng)和龍卷風(fēng)的原因。

Yadav說(shuō)，這種現(xiàn)象就像是有人將冷水放入鍋中，點(diǎn)燃爐灶并開(kāi)始加熱這些水時(shí)發(fā)生的情況。當(dāng)水將熱量向上傳遞到較冷的表面時(shí)，來(lái)自鍋底的熱量便攪動(dòng)了水。

圖解：該gif圖由卡西尼號(hào)的成像相機(jī)獲得的圖像制作的，是第一部以彩色濾光片顯示土星六邊形的電影，也是第一部顯示從北極向下到北緯70度左右的完整視圖的電影。我們可以看見(jiàn)六邊形左下角存在一個(gè)漩渦，但研究人員Rakesh Yadav和Jeremy Bloxham的新模擬顯示出了無(wú)數(shù)看不見(jiàn)的漩渦，這些漩渦可能正在形成六角形。(圖源：NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton大學(xué))

Yadav表示，他們捕捉到了單極六邊形背后的物理學(xué)原理，同時(shí)他們提供了一種新的可能性——在過(guò)去，土星可能在南極有一個(gè)六邊形，而在北極沒(méi)有，或者在每個(gè)極點(diǎn)都可能有一個(gè)六邊形。

但模擬并沒(méi)有形成六邊形的形狀；它產(chǎn)生了一個(gè)有角度的物體，有九個(gè)邊而不是六個(gè)。Yadav說(shuō)，他們模擬背后的力學(xué)原理表明，地表下的渦流存在于幾何特征的背后。"在不同的條件下，我們或許可以更容易地得到六個(gè)邊而不是九個(gè)邊。"

計(jì)算機(jī)模擬的運(yùn)行具有挑戰(zhàn)性，研究人員只能在現(xiàn)有的參數(shù)內(nèi)進(jìn)行小規(guī)模的研究。這篇論文報(bào)告了其中一個(gè)案例，Yadav希望研究人員在未來(lái)可以運(yùn)行更多的案例，以更好地了解土星這個(gè)的美麗的六邊形印記。

BY: Doris Elin Urrutia

FY: 秋白

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