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科学家实验室内模拟木星大气层拥有极不稳定

发布时间:2019-09-14 10:38:51 编辑:笔名

木星的南极视角(左上和右下)和实验室模拟出来的木星风场(右上和左下)。

研究者用空气轴承打造了一张工作台。这些空气轴承的转速能达到每分钟120转,并且能承受1吨的重量。

北京时间1月29日消息,据国外媒体报道,木星拥有着极不稳定的气象系统,现在,科学家在实验室中对这一系统进行了重现。长期以来,天文学家都对木星的大气层十分着迷,那里有着巨大的风暴,有超音速的气流,还有著名的大红斑——太阳系中最大型的风暴。如今,研究人员突破性地重建了木星的风场——在一个垃圾桶里。

对于木星,天文学家一直以来都很困惑的一个问题是:速度超快的气流是否只存在于木星大气层的上层——就像地球的气流一样——还是会进入木星的气态内核?加州大学洛杉矶分校的地球物理学家乔纳森(Jonathan Aurnou)与在法国马赛的研究者合作,在实验室中首次模拟除了木星的风场,发现这些气流很可能在木星可见的大气层中向下延伸了数千公里。这项研究的结果发表在近日的《自然-物理学》(Nature Physics)期刊上。

“我们可以在计算机里做出这些特征,但无法在实验室里重现出来,”乔纳森说,“如果我们对一个系统有了理论上的理解,那我们应该能够做一个类似的模型出来。”乔纳森教授在加州大学洛杉矶分校从事地球、行星和空间科学的研究,过去十年主要研究的便是涡旋气流的计算机模型。

在实验室中重建涡旋风场的挑战在于如何实现气流形成的三个必要因素:快速旋转、湍流和模拟木星球面形状的“曲率效应”。乔纳森称,此前在实验室中的尝试往往以失败告终,因为研究者无法使模型达到足够的转速,从而也无法获得足够强度的湍流。

实验室模拟出来的木星风场示意图,显示了木星大气层的气流模式。

底部注入的湍流经过引导变产生了急速的水流,几分钟之内,水流就变成了6条方向交替变化的同心环。

乔纳森团队的突破点在于一个新的实验设备。他们用空气轴承制作了一个工作台。这些空气轴承的转速能达到每分钟120转,并且能承受达1吨的重量,这意味着它能带动一大罐液体以高速旋转,模拟木星的快速自转。

科学家在一个工业用垃圾桶内装了400升水,然后放在工作台上。当容器旋转时,水体与容器壁碰撞,形成一条类似木星弯曲表面的抛物线。“容器转动越快,对木星上大规模的旋转和曲面的模拟效果就越好,”乔纳森说道。

不过,研究团队发现,每分钟75转的转速是一个很实用的限值:足够使液体形成幅度较大的曲面形状,但又不会抛洒出来。在容器旋转的同时,研究者用容器底部下方的水泵注入有色水流(通过一系列进出孔),产生湍流——实验所要求的3个关键因素之一。

底部注入的湍流经过引导变产生了急速的水流,几分钟之内,水流就变成了6条方向交替变化的同心环。乔纳森说:“这次实验第一次揭示出,木星上类似这样的强气流可以发展成真正的流体。”研究者推测木星上的气流可能延伸很深,因为在实验中可以在水体表面看到急速的水流,而这些水流是由底部注入的湍流所形成的。

研究人员希望用来自木星的真实数据来验证他们的推测,他们也不会等待太久:美国航空航天局(NASA)的朱诺号探测器此刻正在木星轨道上飞行,采集木星大气层、磁场和木星内部的数据。在2016年12月于美国旧金山举行的美国地球物理联盟会议上,朱诺号团队公布了初步结果,乔纳森也参加了会议。

今年早些时候,NASA公布了一张由朱诺号数据合成的木星全新图像,展现了大红斑以及一系列形似白色鹅蛋的风暴。图片拍摄时间是2016年12月11日,当时朱诺号正在进行第三次近距离飞掠木星

研究人员相信,这项实验将帮助他们模拟类似木星大红斑的结构

“朱诺号第一次飞掠木星时获得的数据显示,由氨气组成的结构延伸超过60英里(约合100公里),直达木星的内部,这对朱诺号科学团队来说是不小的震撼,”乔纳森说,“加州大学洛杉矶分校的研究者将在这些数据的解释中扮演重要的角色。”

2017年,乔纳森和他的团队将利用阿贡国家实验室的超级计算机模拟木星内部和大气层的动态变化。此外,他们还将继续在法国马赛的实验室工作,使旋转工作台的模拟更加复杂和准确。他们的目标之一是在旋转的水体上增加一个稳定的薄层,以模拟木星大气层中外侧较薄的云层——与木星的气象变化有关。

今年早些时候,NASA公布了一张由朱诺号数据合成的木星全新图像,展现了大红斑以及一系列形似白色鹅蛋的风暴

。NASA称,这张图片是由民间科学家Roman Tkachenko利用朱诺号探测器获得的数据制作出来的。图片拍摄时间是2016年12月11日,当时朱诺号正在进行第三次近距离飞掠木星,二者的距离约为458800公里。

天文学家近期发现,木星的“大红斑”——太阳系中最大的风暴,比地球还大——正在缩小。从新拍摄的图像可以看出,大红斑的面积在继续缩小,而且变得更圆,这一过程可能已经持续了许多年。大红斑的长轴在2014年时的长度要比现在缩短了240公里左右。

大红斑近期的缩小速率似乎变得比以往更快,但这种变化其实是与长期趋势相吻合的。大红斑其实是橙色多于红色,而它那通常颜色较深的核心,如今也变得没以往那么特别。这个巨大的反气旋风暴正受到速度高达150米每秒的大风冲击,变得比以往更“歪”了。(任天)

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