科学家揭示巨大的极地气旋风暴如何在木星的两极保持稳定

在最近发表在《自然-地球科学》上的一篇文章中，来自魏兹曼科学研究所的研究人员揭示了木星气旋风暴的奥秘：哪些力量在起作用，将这些巨大的风暴固定在它们的极地位置，以及为什么它们的数量和位置随着时间的推移或多或少保持不变。

“我们可以把木星看作是一个理想的气候实验室，”魏兹曼地球和行星科学部的 Yohai Kaspi 教授说。地球是一个错综复杂的多变系统：它有海洋和大气层、大陆、生物–当然还有人类活动。另一方面，木星是我们太阳系中最大的行星，由气体组成，因此是一个更容易研究的系统，我们可以对其进行预测和测试假设。这些预测和假设所需的数据是由朱诺号收集的–这是一个由美国宇航局（NASA）在2011年发射的研究探测器，2016年中进入木星轨道。 Kaspi是NASA朱诺任务中的共同研究者，他见证了其中一个更令人兴奋的发现：围绕该行星两极旋转的气旋风暴。

“如果我们看一下2016年之前拍摄的木星的老照片，” Kaspi 说，“我们看到，两极通常表现为大片的灰色区域，因为当时没有人知道它们实际上是什么样子。” 其原因在于，太阳系是在同一平面上组织的，这与木星的赤道平面非常接近。因此，过去从地球或早期太空任务对该行星进行的观测，大部分只能捕捉到木星的低纬度地区。因此，朱诺号任务值得注意的创新之一是它的极地轨道，这使研究人员第一次能够详细地观察木星动荡的两极。这正是气旋暴露的方式，令人惊讶的是，沿着北纬84度和南纬84度，气旋有条不紊，像一个圆盘的肉桂卷。此外，从朱诺号围绕木星的多次轨道上收集的数据表明，气旋的数量仍然是固定的–8个在北极活动，5个在南极活动。“这一发现在当时非常令人惊讶，” Kaspi 说，“因为我们预计两极或多或少是对称的。”在之前的一项研究中，Kaspi利用木星引力场的不对称性来确定强烈的东西向风带的深度，这是木星大气的特点。

在地球上，热带气旋风暴在水温超过26摄氏度的地区形成–通常是在大西洋和太平洋的中心–它们以圆周运动的方式向两极漂移，这是由于地球自旋产生的拉力。另一方面，在木星上，强大的喷流阻止这些风暴在纬度60度以下形成–只有在它上方的气流足够弱，才能让气旋肆虐。是什么导致木星上的这些特殊风暴在纬度84º处保持稳定？根据这项新的研究，木星的气旋确实被吸引到两极，但是位于气旋环中心的极地风暴将它们推开，阻止它们到达极地本身。

“只要气旋与极地保持一定的距离–它们就会被吸引过来。但是，它们越是靠近–就越是受到强烈的排斥。”Kaspi研究小组的博士生Nimrod Gavriel说，他的论文主要是阐释这一现象。“问题是这种排斥效应是否强大到足以抵御磁极的吸引力。纬度84º是这些力量均衡的地方。”Gavriel和Kaspi提出了一个数学模型，该模型考虑了极地气旋的直径（在南极比在北极更大），每个气旋之间可能的最小距离，纬度84º周围的表面积以及气旋的大小和它们的旋转，并准确预测了整个北极存在八个气旋。至于南极，根据他们的计算，气旋的数量应该是5.62个。这个数字与朱诺号收集的数据是一致的：实际上这个数字不可能存在，但南部的五个风暴经常分离成六个风暴，正如在探测器围绕木星的第十八和第三十四个轨道上观察到的那样。提出的模型也解释了为什么在木星最近的邻星–土星上没有这种现象。

“我们正在努力了解大规模的大气动力学，为木星的极地气旋现象提供一个成功的解释，使我们有信心真正知道那里发生了什么，” Kaspi 说。这种信心对我们地球上的人来说可能是最重要的，因为对气旋的深入了解可以帮助气象学家预测，例如，我们星球的升温将如何影响风暴在地球上的移动–这是人类在不久的将来最有可能面临的挑战。但 Kaspi 对木星的探索的迷恋更为直接。“太平洋上没有新的岛屿可以发现，太阳系中的大多数行星体都已经被绘制成地图。木星和其他气态行星的两极，也许是太阳系中最后一个仍有待探索的点。”

每个木星气旋的直径约为4000-5000公里，它们的旋转速度高达每小时360公里。

“我们期待在未来几年内从朱诺号上获得更多有价值的数据，”Kaspi 补充说，在最近将朱诺号任务延长至2025年之后。他总结说：“由于航天器的极地轨道的逐渐变化，它现在越来越接近木星的北极，使我们能够从几个专门的仪器中获得关于这个极地地区的信息。”