木星上的狂风

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。
< 1 > < 2 >

设为首页 | 加入收藏 | 广告服务 | 友情链接 | 版权申明