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上海天文臺在木星大氣環流研究中取得重要成果
2018-08-10 | 編輯: | 【】【打印】【關閉

  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征上的巨大反差雖在情理之中,但原因卻也十分復雜。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。謎團的關鍵就在于這種“影響”究竟是通過怎樣的機制產生。這個問題的答案甚至關系到木星內部結構、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,于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,關鍵就在于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。 

  20183月,《自然(Nature)》雜志發表了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。上海天文臺行星物理與磁流體力學課題組的孔大力研究員表示,“該研究提出的環流模型缺乏數學物理意義、采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。” 

  基于“朱諾”飛船提供的高精度引力場數據,上海天文臺行星物理與磁流體力學課題組的孔大力研究員和他的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報(PNAS)上(Kong et al. 2018, PNAS, doi: 10.1073/pnas.1805927115)。文章中明確指出并糾正了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、上海天文臺特聘專家、英國Exeter大學張可可教授說。 

  第一作者,中組部“青年千人”計劃入選者孔大力研究員表示,基于上海天文臺的這項最新研究,我們知道了目前在“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。他也相信,我國在未來也將躋身國際深空探測的先進行列。在中國的木星探測計劃中,通過巧妙的探測器軌道構型設計與高精度的引力場測量,結合完善的內部模型反演,將非常可能顯著提高人類對木星內部結構和流體運動模式的理解。屆時,上海天文臺相關行星物理研究團隊力量或將可以發揮獨特而重要的作用。 

圖片說明:基于朱諾飛船提供的引力場測量數據,上海天文臺的研究工作所提出的兩類木星環流形態 

  科研論文鏈接:https://doi.org/10.1073/pnas.1805927115 

  科學聯系人: 孔大力,中國科學院上海天文臺,[email protected] 

  新聞聯系人: 左文文,中國科學院上海天文臺,[email protected]

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