上海天文台在木星大气环流研究中取得进展

来源：中国科技论文在线

　　透过望远镜看过木星的人都会对木星表面靓丽的条纹结构所惊叹。其实，木星条纹是沿着纬线方向横扫木星全球的大气环流，风力强劲（高达120m/s）且持久。与木星相比，地球大气环境要平静许多。木星与地球在大气动力学特征上的巨大反差虽在情理之中，但原因却也十分复杂。木星是颗典型的气体行星，它的外层大气与内部结构之间缺乏清晰的物理界面，因此大气环流是受到内部流体运动影响的。谜团的关键就在于这种“影响”究竟是通过怎样的机制产生。这个问题的答案甚至关系到木星内部结构、化学成分分布、磁场产生过程乃至内核的一些物理性质，不可谓不重大。

　　为了研究木星内部深处的环流结构和物理性质，2012年，美国宇航局（NASA）发射了“朱诺（JUNO）号”木星探测器，于2017年夏天进入环绕木星的轨道。“朱诺号”的一个重要科学使命就是尝试通过测量引力场来研究木星深部的结构和流体运动。在高质量的测量数据不断产出之际，要想有效解读飞船测量数据、进而得出有科学价值的结论，关键就在于要正确地对木星环流扰动进行建模，如何从引力场获取木星深处的质量分布和流体运动。

　　2018年3月，《自然》（Nature）杂志发表了Y. Kaspi等人对木星大气环流结构的建模反演成果（Kaspi et al. 2018, Nature, doi:10.1038/nature25793），认为木星的大气环流可以深入其表面以下3000公里左右。中国科学院上海天文台行星物理与磁流体力学课题组研究员孔大力表示，“该研究提出的环流模型缺乏数学物理意义、采用的反演途径不符合流体力学原理，所得结论的可靠性和科学性存在显著的缺陷。”

　　基于“朱诺”飞船提供的高精度引力场数据，孔大力与合作者在多年行星物理与行星磁流体力学研究的基础上，共同发展了逻辑上自洽、物理上正确、数学上严谨的木星环流模型和反演方法，提出了两类可能的木星环流形态。近日，该研究已发表在最新一期的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上（Kong et al. 2018, PNAS, doi: 10.1073/pnas.1805927115）。文章中明确指出并纠正了Kaspi等人的错误观点与方法。“我们认为，本研究的发表不仅为木星环流问题给出了科学上更加可靠的研究成果，也间接的为木星内部物理的其它研究提供了真正有效的约束条件。”该研究的第二作者、上海天文台特聘专家、英国Exeter大学教授张可可说。

　　第一作者、中组部“青年千人”计划入选者孔大力表示，基于上海天文台的这项最新研究，人们知道了目前在“朱诺号”对木星引力场的测量方式和水平下，对木星的环流结构以及内部其它物理状态的推测仍然存在显著的不确定性。

图：基于朱诺飞船提供的引力场测量数据，上海天文台的研究工作所提出的两类木星环流形态