木星大氣環流研究取得進展

透過望遠鏡看過木星的人都會對木星表面靚麗的條紋結構所驚嘆。其實，木星條紋是沿著緯線方向橫掃木星全球的大氣環流，風力強勁（高達120m/s）且持久。與木星相比，地球大氣環境要平靜許多。木星與地球在大氣動力學特徵上的巨大反差雖在情理之中，但原因卻也十分複雜。木星是顆典型的氣體行星，它的外層大氣與內部結構之間缺乏清晰的物理界面，因此大氣環流是受到內部流體運動影響的。謎團的關鍵就在於這種「影響」究竟是通過怎樣的機制產生。這個問題的答案甚至關係到木星內部結構、化學成分分布、磁場產生過程乃至內核的一些物理性質，不可謂不重大。

為了研究木星內部深處的環流結構和物理性質，2012年，美國宇航局（NASA）發射了「朱諾（JUNO）號」木星探測器，於2017年夏天進入環繞木星的軌道。「朱諾號」的一個重要科學使命就是嘗試通過測量引力場來研究木星深部的結構和流體運動。在高質量的測量數據不斷產出之際，要想有效解讀飛船測量數據、進而得出有科學價值的結論，關鍵就在於要正確地對木星環流擾動進行建模，如何從引力場獲取木星深處的質量分布和流體運動。

2018年3月，《自然》（Nature）雜誌發表了Y. Kaspi等人對木星大氣環流結構的建模反演成果（Kaspi et al. 2018,Nature, doi:10.1038/nature25793），認為木星的大氣環流可以深入其表面以下3000公里左右。中國科學院上海天文台行星物理與磁流體力學課題組研究員孔大力表示，「該研究提出的環流模型缺乏數學物理意義、採用的反演途徑不符合流體力學原理，所得結論的可靠性和科學性存在顯著的缺陷。」

基於「朱諾」飛船提供的高精度引力場數據，孔大力與合作者在多年行星物理與行星磁流體力學研究的基礎上，共同發展了邏輯上自洽、物理上正確、數學上嚴謹的木星環流模型和反演方法，提出了兩類可能的木星環流形態。近日，該研究已發表在最新一期的《美國國家科學院院刊》（PNAS）上（Kong et al. 2018,PNAS, doi: 10.1073/pnas.1805927115）。文章中明確指出並糾正了Kaspi等人的錯誤觀點與方法。「我們認為，本研究的發表不僅為木星環流問題給出了科學上更加可靠的研究成果，也間接的為木星內部物理的其它研究提供了真正有效的約束條件。」該研究的第二作者、上海天文台特聘專家、英國Exeter大學教授張可可說。

第一作者、中組部「青年千人」計劃入選者孔大力表示，基於上海天文台的這項最新研究，人們知道了目前在「朱諾號」對木星引力場的測量方式和水平下，對木星的環流結構以及內部其它物理狀態的推測仍然存在顯著的不確定性。

圖：基於朱諾飛船提供的引力場測量數據，上海天文台的研究工作所提出的兩類木星環流形態

來源：中國科學院上海天文台

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