木星和土星的極地渦旋之謎

極渦之謎

木星和土星是太陽系中最大的兩顆行星。這兩顆行星在許多方面都很相似——它們都是氣態巨行星，大小相近，且主要都由氫和氦構成。然而，多年來飛掠而過的航天器，卻在這兩顆行星的兩極觀測到了令人費解的天氣形態：它們擁有截然不同類型的極地渦旋（極渦），即在行星極區的巨大大氣渦旋。

在土星上，一個巨大的單一極渦似乎以一種奇特的六邊形形狀籠罩在北極之上；而在木星上，一個中央極渦被八個較小的渦旋環繞。這兩顆如此相似的行星，為何它們的極區會有如此迥異的天氣形態？

在一項新發表于《美國國家科學院院刊》的研究中，一個研究團隊提出了一種可能的解釋：渦旋圖樣如何、以及一個行星最終形成一個還是多個極渦，取決于渦旋底部的“柔軟度”——而這與行星內部成分有關。

用二維模型捕捉極渦演化

自2016年起，朱諾號探測器一直繞木星運行，并拍攝到木星北極及其多個旋轉渦旋的震撼圖像。根據這些圖像，科學家估算木星的每個渦旋都極其龐大，約4800千米——幾乎相當于地球直徑的一半。

木星北極的紅外三維圖像，顯示了8個渦旋呈環狀分布，圍繞著一個中央氣旋。（圖/NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM）

而在2017年墜入土星大氣中之前，卡西尼號探測器則曾圍繞這顆有環的行星運行了13年。它對土星北極的觀測，揭示了到一個單一的、呈六邊形的極渦，寬約29000千米。

土星只有一個巨大的、呈六邊形的渦旋，宛如“蓋帽”般籠罩在土星的極區之上。（圖/NASA/JPL-Caltech/SSI/Hampton University）

在新的研究中，研究人員著手尋找一種物理機制，可以解釋為何一顆行星可能演化出單一渦旋，而另一顆卻擁有多個渦旋。為此，他們采用了一個表面流體動力學的二維模型。

盡管極渦本質上是種三維結構，但研究團隊認為，由于木星和土星的快速自轉，會使流體沿自轉軸方向的運動趨于一致，這意味流體圖樣在三維方向上并未發生變化，因此仍可用二維方式準確描述其演化。如此一來，模擬與研究的速度能提升數百倍，而模擬成本則大幅降低。

基于這一思路，研究團隊以一個描述了旋轉流體如何隨時間演化的既有方程為基礎，建立了一個氣態巨行星上渦旋演化的二維模型。這一方程已在許多情境中使用過，包括用于模擬地球中緯度氣旋，研究人員將它調整為適用于木星與土星的極區。

底部的“柔軟度”

在新的研究中，研究人員用這個二維模型對氣態巨行星上的流體在不同情景下如何隨時間演化進行了模擬。在不同的模擬中，他們改變了行星的大小、自轉速率、內部加熱強度，以及旋轉流體的柔軟度等參數。隨后，他們設定一個隨機的“噪聲”初始條件：流體起初以隨機的圖樣在行星表面流動。最后，他們觀察在不同情景下，流體會如何隨時間演化。

他們將單個渦旋類比為一個旋轉的圓柱體，穿行于行星的多層大氣之中。在分析了各情景中參數與變量的組合及其與最終結果的對應關系后，他們最終鎖定了一個機制：當隨機流體運動開始匯聚成一個個獨立渦旋時，渦旋能夠長到多大，會受到其底部柔軟程度的限制。

具體來說，他們在多組模擬中觀察到，當這個旋轉的圓柱體的底部由更柔軟、更輕的物質構成時，演化出的渦旋規模只能增長到一定程度，于是最終的形態就可能容納多個較小的渦旋共存——類似木星上的情況；相反，如果渦旋底部由更堅硬、更致密的物質構成，它就能長得更大，并在隨后吞并其他渦旋，形成一個單一、巨大的渦旋——類似土星上的情況。

左側的模擬結果是多個渦旋，而右側的模擬中只形成一個渦旋。（圖/Shi & Kang）

如果這一機制確實同時作用于木星與土星這兩顆氣態巨行星，那么這將暗示：木星可能由更柔軟、更輕的物質構成，而土星內部可能蘊含更重的物質。

這一新的研究表明，行星內部性質以及渦旋底部的柔軟度，會影響行星表面的流體圖樣。這一發現不僅有助于科學家理解行星表面的天氣形態，也有助于推測云層之下、行星內部深處的情況，為刻畫那些塑造了行星大氣的關鍵內部性質提供了一種新方法。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/polar-weather-jupiter-saturn-hints-planets-interior-details-0119

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2500791123

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA