木星的巨型旋风由类似锋面的地球大气过程驱动

朱诺号飞船拍摄的木星北半球云层系统。新的研究显示地球的大气过程与木星的大气过程有相似之处，有助于了解木星风暴是如何维持的。资料来源：美国国家航空航天局

这两颗行星之间的地球物理共性横跨 4.52 亿英里，甚至可以帮助人们更好地了解地球上的这些过程。这项研究由加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的物理海洋学家 Lia Siegelman 领导。

2018年，当西格曼注意到木星巨大气旋的图像与她正在研究的海洋湍流之间惊人的相似性时，她首次将我们的星球与这颗气体巨行星联系起来。对物理学家来说，空气和水都被认为是流体，因此将海洋物理学应用于木星并不像听起来那么牵强，西格曼说："木星基本上就是一个气体海洋"。

这一初步观测结果促使西格曼与他人合作撰写了2022年发表在《自然-物理》上的研究报告，该报告分析了美国宇航局朱诺号飞船拍摄的木星气旋的高分辨率红外图像。分析结果表明，一种与地球上类似的对流有助于维持木星风暴，木星风暴的宽度可达数千英里，持续时间长达数年。

2022 年的研究直接关注木星的气旋，但 Siegelman 也看到了气体漩涡之间的空隙中出现的缕缕卷须，研究人员称之为细丝。这些细丝在地球上也有类似之处，Siegelman利用朱诺号的详细图像研究了这种与我们星球的海洋和大气过程的相似性是否只是表象。

今天（6月6日），由斯克里普斯大学和美国国家科学基金会资助的《自然-物理》杂志发表了西格曼的后续研究报告，他发现木星气旋的形成过程与地球上的气旋形成过程有更多相似之处。研究表明，木星气旋之间的细丝与对流协同作用，促进并维持了木星的巨大风暴。具体来说，作用方式类似于地球上海洋学家和气象学家所说的锋面。

天气预报中经常讨论锋面--例如冷锋或风暴锋面--但它们既适用于气体，也适用于液体。锋面是由于温度等性质不同而导致密度不同的气体或液体之间的边界。在海洋中，锋面也可能是由盐度差异造成的，盐度与温度一起影响着海水的密度。锋面的一个主要特征是其前缘具有强大的垂直速度，可以形成风或洋流。

分析朱诺号红外图像

为了弄清她在朱诺号的图像中清楚看到的木星气旋之间的细丝所起的作用，西格曼查看了朱诺号拍摄的一系列红外图像。这批图像拍摄的是木星的北极区域，每30秒拍摄一次。

由于这些图像是红外图像，因此西格曼和她的合著者、美国宇航局喷气推进实验室、加州理工学院和高等师范学院的帕特里斯-克莱因（Patrice Klein）可以计算出温度--亮区较热，暗区较冷。在木星上，大气层中较热的部分与稀薄的云层相对应，较冷的部分代表厚厚的云层，阻挡了更多来自木星超热核心的热量。研究人员随后跟踪了照片之间 30 秒间隔内云层和细丝的移动情况，从而计算出水平风速。

有了这两个信息，Siegelman 和 Klein 就能将海洋和大气科学的方法应用到木星上，从而计算出与研究人员从图像中得出的温度和水平风速相对应的垂直风速。研究小组计算出垂直风速后，就发现木星的细丝确实表现得像地球上的锋面。

木星上锋面边缘的垂直风速也意味着锋面以热量的形式将能量从木星炎热的内部输送到上层大气--为巨大的气旋提供动力。虽然对流是主要的驱动力，但锋面占木星气旋总动能的四分之一，占垂直热传输的百分之四十。

对理解宇宙现象的影响

"木星两极上的这些气旋自2016年首次被观测到以来一直持续存在，"西格曼说。"大涡旋之间的这些细丝相对较小，但它们是维持气旋的重要机制。锋面和对流在地球和木星上的存在和影响令人着迷--这表明这些过程也可能存在于宇宙中的其他湍流体上。"

西格曼还说，木星的巨大尺度和朱诺号的高分辨率图像可以让我们更清楚地看到像锋面这样的小尺度现象与气旋等大尺度现象以及整个大气层之间的联系--在地球上，这些联系往往难以观察到，因为它们要小得多，也更短暂。不过，她补充说，研究人员期待已久的一颗名为"SWOT"的新卫星将使这类海洋现象的观测变得更加容易。

编译来源：ScitechDaily