木星和土星的极地风暴揭示了深刻的大气差异

太阳系中最大的两颗行星——木星以及土星——有很多共同点。它们由非常相似的物质组成，旋转速度相近，内部散热方式也相似。甚至两人都好宝藏月亮在类似方式.

然而，科学家们长期以来对行星的困惑存在一个差异：它们极地的巨大涡旋风暴。

土星在每个极点各有一个巨大的风暴。

木星的两极各由一个大型风暴主导，周围环绕着一圈较小的风暴。

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现在，一对行星科学家认为他们可能已经解开了谜团。关键在于风暴如何形成并与行星内部相连：大气层是否允许自由生长，如土星的大气，还是有效施加风暴大小限制，如木星。

在团队模型中，这取决于风暴与更深层的联系强度。

“我们的研究表明，根据涡旋内部特性和底部的软硬度，这会影响你在地表观察到的流体模式类型。”行星科学家康婉英说麻省理工学院。

“我觉得没人把表面流体模式和这些行星内部属性联系起来。一种可能的情况是土星的底部比木星更硬。”

木星和土星的天气堪称传奇。每个行星都被膨胀的气态大气主导，被动荡风暴，强大风乐队，厚厚的云朵盘旋成图案类似于抽象表现主义.

这两颗行星都曾是专门的航天器观测任务对象——卡西尼号为土星，朱诺号为木星。这些开创性的探测器揭示了，尽管两颗行星有许多相似之处，但它们各自拥有独特的极地风暴配置。

“人们花了很多时间去解读木星和土星的区别，”大气科学家石家如说麻省理工学院。“这两颗行星大小差不多，主要由氢和氦组成。目前尚不清楚它们的极地涡旋为何差异如此之大。”

为此，两位科学家开发了一个二维表面流体动力学模型，以模拟两颗行星上观测到的表面涡旋。

“在快速旋转的系统中，流体运动沿旋转轴通常均匀，”康说.“所以，我们受到这样一个想法的启发：我们可以将三维动力学问题简化为二维问题，因为流体模式在三维中不会改变。这使得问题的模拟和研究速度快了数百倍，成本也降低了数百倍。”

在气态巨行星上，巨型风暴是由较小的运动构件（如对流）产生，这些积木会越来越大。然而，它们的最终大小由多种限制决定，包括大气层层的深度、大气被搅动的力量（这一现象称为'强迫'），以及摩擦被消散.

石氏和康氏发现，达到这些极限的顺序会极大影响大气可见表面出现的涡流图案。

木星的大气层足够深且充满能量，可以形成多个涡旋，但早期的湍流阻止它们融合成一个巨大的涡旋，因此它们表现为极地风暴中出人意料的几何感意大利辣香肠披萨。

换句话说，根据模型，木星的分层较弱，其强迫力更强，因为它从中心辐射热量，能量通过摩擦消耗的速度也较慢。综合而言，这意味着独立的风暴结构在地表保持完整。

相比之下，土星的大气层次更为深厚。在那里，弱力减弱导致深层湍流减少，或者更多能量因摩擦损失，亦或两者结合，消除阻碍涡旋融合的障碍，导致所有风暴撞击成一个巨大的风暴。

而这一切都可能受到涡旋形成的底层密度的影响。这并非确凿证据，但团队的发现表明，每颗行星上的极地风暴模式可能正在刻画它们形成环境的线索。

“我们从表面看到的木星和土星上的流体模式，或许能告诉我们内部的一些信息，比如底部有多柔软。”石说.

“这很重要，因为也许土星表面之下，内部金属含量更高，且含有更多可凝结物质，这使得它能提供比木星更强的分层作用。这将有助于我们对这些气态巨行星的理解。”

该研究已发表在美国国家科学院院刊.

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