利用海洋学了解木星上的锋面和气旋

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 领导的新研究表明，木星极地地区的暴风雨是由研究地球海洋和大气的物理学家所熟知的过程所驱动的。两颗行星之间 4.52 亿英里范围内的地球物理共同点甚至有助于更好地了解地球上的这些过程。

2018 年，西格尔曼首次将我们的星球与这颗气态巨星联系起来，当时她注意到木星巨大气旋的图像与她正在研究的海洋湍流有着惊人的相似之处。西格尔曼说，对物理学家来说，空气和水都被视为流体，因此将海洋物理学应用于木星并不像听起来那么牵强。“木星基本上是一片气体海洋。”

这一初步观察促使西格尔曼与他人合作撰写了一项 2022 年发表在 《自然物理学》上的研究，该研究分析了美国宇航局朱诺号航天器拍摄的木星气旋的高分辨率透视 图像 。分析显示， 一种类似于地球上看到的对流有助于维持木星的风暴，这种风暴可能宽达数千英里，持续数年。

2022 年的研究直接关注木星的气旋，但西格尔曼还在气体涡旋之间的空间中看到了纤细的卷须，研究人员称之为细丝。这些细丝也有地球上的类似物，西格尔曼利用朱诺号的详细图像来研究这种与我们星球的海洋和大气过程的相似性是否仅仅是表面现象。

西格尔曼的后续研究于 6 月 6 日发表在 《自然物理学》 (LINK TK)上，由斯克里普斯和美国国家科学基金会资助，研究发现木星气旋的形成过程与地球上的气旋之间存在更多相似之处。研究表明，木星气旋之间的细丝与对流协同作用，促进并维持了地球上的巨型风暴。具体来说，木星细丝的作用方式类似于海洋学家和气象学家所说的地球上的锋面。

锋面经常在天气预报中讨论， 例如冷锋或风暴锋，但它们既适用于气体也适用于液体。锋面是气体或液体之间的边界，由于温度等特性的差异，它们的密度不同。在海洋中，锋面也可能是由于盐度的差异造成的，这会影响海水的密度和温度。锋面的一个主要特征是其前缘具有强大的垂直速度，可以产生风或洋流。

为了理解朱诺号图像中木星气旋之间清晰可见的细丝的作用，西格尔曼查看了朱诺号的一系列透视 图像。这批图像是木星北极地区，以 30 秒为增量拍摄的。

由于这些图像是透视 图像，西格尔曼和她的合著者、美国宇航局喷气推进实验室、加州理工学院和巴黎高等师范学院的帕特里斯·克莱因能够计算出温度——明亮区域温度较高，区域温度较低。在木星上，大气层较热的部分对应于薄云，较冷的部分代表厚云层，阻挡了更多来自 木星过热核心的热量。然后，研究人员在拍摄照片的 30 秒间隔内跟踪了云层和细丝的运动，以计算水平风速。

这两部分信息让西格尔曼和克莱因能够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。一旦团队计算出垂直风速，他们就能看到木星的细丝确实表现得像地球上的锋面。

木星锋面边缘的垂直风速也意味着锋面参与将能量以热量的形式从行星炎热的内部输送到其高层大气——为巨型气旋提供动力。虽然对流是主要驱动力，但锋面占驱动木星气旋的总动能的四分之一，占垂直热量输送的百分之四十。

“自 2016 年首次观测到以来，木星两极的气旋一直持续存在，”西格尔曼说。“大型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存在且具有影响力，这很有趣——这表明这些过程也可能存在于宇宙中的其他湍流流体体中。”

西格尔曼还表示，木星的巨大规模和朱诺号的高分辨率图像可以让我们更清楚地看到锋面等小规模现象与气旋和大气等大规模现象之间的联系，而这些联系在地球上往往很难观察到，因为地球上的联系要小得多，也更短暂。不过，她补充说， 研究人员期待已久的一颗新卫星 SWOT有望让这类海洋现象更容易被观察到。

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