气态巨行星木星距离地球高达 4.52 亿英里，体积是地球的 11 倍多，但在至少一个方面却很相似。导致这颗巨大行星臭名昭著的风暴的一些地球物理力，其运行方式与地球上的相似。新的研究表明，位于这颗行星极地地区的翻腾的风暴，是由研究地球大气和海洋的物理学家所熟知的过程驱动的。这些发现被描述在一项于 6 月 6 日发表在《自然物理学》杂志上的研究中，并为理解地球上类似的 the meteorological processes 提供了新的视角。
木星上的风暴
圣迭戈大学斯克里普斯海洋研究所的物理海洋学家 Lia Siegelman 于 2018 年首次发现了这种联系。她注意到地球上的海洋湍流与木星上一些巨大旋风的图像之间存在一些相似之处。
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根据 Siegelman 的说法，在物理学中，空气和水都被视为流体，因此将海洋物理动力学应用于木星这样的气态巨行星，并没有听起来那么“脱离实际”。
“木星基本上是一个气体海洋，”Siegelman 在一份声明中说。
2022 年，Siegleman 和她的团队根据这一初步观察发表了一项研究。他们分析了美国宇航局朱诺号探测器拍摄的木星旋风的高分辨率红外图像，发现一种类似于地球上发生的对流有助于维持木星上的风暴。这些漩涡可以有数千英里宽，持续数年。这颗行星标志性的“大红斑”已经肆虐了 300 多年。这项初步研究关注的是木星的旋风，但该团队也对旋风气态涡旋之间的纤细卷须或长丝很感兴趣。
锋面和长丝
在新的研究中，该团队专注于这些长丝。他们发现，木星旋风之间的这些纤细长丝与对流一起，促进并维持了木星上的巨型风暴。具体来说，这些长丝在某种程度上类似于海洋学家和气象学家所说的“锋面”——这是由于温度等不同性质的差异而导致密度不同的气体或液体质量之间的边界。在地球上，这些就是天气预报中几乎每天都会提到的“暖锋”或“冷锋”。锋面最重要的特征之一是其前沿具有强烈的垂直速度，可以产生风或洋流。
为了更好地理解木星上旋风之间长丝的作用，Siegelman 与美国宇航局喷气推进实验室、加州理工学院和巴黎高等师范学院的合著者 Patrice Klein 合作。他们研究了朱诺号以 30 秒间隔拍摄的木星北极地区的一系列红外图像。探测器上的红外相机使该团队能够计算温度，因为图像中的亮区较热，暗区较冷。在木星上，大气中较热的部分对应于较薄的云层。较冷的部分代表着更厚的云层，阻挡了来自行星极热核心的更多热量。然后，该团队追踪了云层和长丝在 30 秒间隔内的移动，并计算了水平风速。
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他们计算了垂直风速，发现这些长丝确实表现得类似于地球上的锋面。木星锋面边缘的垂直风速意味着这些锋面参与了将能量（以热量的形式）从行星内部输送到其上层大气。这为巨大的旋风提供了能量。虽然对流是主要驱动力，但锋面为木星约 25% 的旋风和 40% 的行星垂直热量输送提供了动力。
Siegelman 说：“这些木星极地的旋风自 2016 年首次被观测以来一直存在。这些大型涡旋之间的长丝相对较小，但它们是维持旋风的重要机制。令人着迷的是，锋面和对流在地球和木星上都存在且有影响力——这表明这些过程也可能存在于宇宙中其他湍流的流体天体上。”
更好的联系
木星巨大的规模以及朱诺号提供的高分辨率图像，可以更清晰地可视化小尺度活动（如锋面）与大尺度活动（如旋风和整个大气层）之间的联系。这些联系在地球上通常很难观察到，因为它们更小、更短暂。
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Siegelman 说：“发现地球上的这些物理机制存在于其他遥远的行星上，这具有某种宇宙之美。”
