麻省理工学院行星科学家的新研究显示，木星和土星极地气旋模式的显著差异，可能由行星深层内部特性驱动，为气态巨行星内部结构提供了新的线索。

极地气旋观测差异明显

研究团队指出，相关工作受到美国国家航空航天局（NASA）朱诺号和卡西尼号探测任务的启发。

朱诺号自2016年起环绕木星运行，其搭载的红外成像仪器JIRAM获取的数据合成为一张木星北极复合图像，显示出中心气旋及其周围环绕的八个气旋。科学家据此估算，木星每个极地气旋的直径约为5000公里（约3000英里）。

JIRAM采集的是红外辐射数据，图像中不同颜色对应不同的辐射热：黄色区域为较薄云层，亮度温度约为华氏9度（摄氏零下13度）；深红色区域为最厚云层，温度约为华氏零下181度（摄氏零下83度）。

卡西尼号在结束任务并于2017年有意进入土星大气层之前，曾绕土星运行13年。其对土星北极的观测记录到一个单一的六边形极地气旋，宽约29000公里（约18000英里），与木星多涡旋结构形成鲜明对比。

麻省理工学院研究生石佳如表示，人们长期试图理解木星和土星在极地气旋形态上的差异。“这两颗行星大小相近，主要成分都是氢和氦，但极地气旋的表现却截然不同，原因并不清楚。”

二维模型模拟极地气旋演化

为寻找可能的物理机制，研究团队尝试解释为何一颗行星会形成单一极地气旋，而另一颗则呈现多个极地气旋。他们采用了一个二维的表面流体动力学模型来模拟气旋的形成与演化。

研究人员指出，尽管极地气旋本质上是三维结构，但木星和土星的快速自转使得沿自转轴方向的流体运动趋于均匀，因此可以用二维模型近似描述其演化过程。

“在快速旋转系统中，流体运动往往沿旋转轴保持均匀，”麻省理工学院的康婉莹博士表示。基于这一特性，团队将原本三维的动力学问题简化为二维处理，从而在不改变主要流体模式的前提下，大幅提高模拟效率并降低计算成本。

在此基础上，研究人员构建了一个用于描述极地气旋演化的二维模型，所用方程源自已有的旋转流体演化理论。“这一方程此前已被用于多种情景，包括模拟地球中纬度气旋，”康婉莹说，“我们对其进行了调整，使之适用于木星和土星的极地区域。”

模拟结果指向内部“柔软度”差异

团队利用该二维模型，对气态巨行星表面流体在不同条件下的长期演化进行了多组数值模拟。在各个情景中，他们改变了行星大小、自转速率、内部加热强度以及旋转流体的“柔软度”或“硬度”等参数，并在初始状态下引入随机“噪声”，使表面流体呈现随机流动模式。

随后，研究人员跟踪这些随机流动在不同参数组合下随时间的演变情况。多次模拟显示，在部分情景中，流体最终演化为单一的大型极地气旋，形态类似土星；在另一些情景中，则形成多个较小气旋，类似木星的极地结构。

通过对比不同情景下参数与最终气旋形态的对应关系，团队提出了一种可解释单一或多重极地气旋形成的机制：当随机流体运动开始聚合成一个气旋时，其可增长的规模受到气旋底部“柔软度”的限制。

研究结果显示，若气旋底部的旋转气体较为柔软或密度较低，气旋的最终尺度较小，从而允许多个较小气旋在极地共存，这与木星的观测结果相符；相反，如果底部较“硬”或密度更高，单个气旋可以扩展到行星曲率尺度，形成类似土星的行星级极地气旋结构。

为气态巨行星内部结构提供线索

研究人员指出，如果这一机制适用于木星和土星，则意味着两颗行星内部物质性质可能存在差异。模拟结果暗示，木星内部可能由相对更柔软、更轻的物质构成，而土星内部则可能含有更重的物质。

“我们在表面看到的流体模式，可能反映了行星内部的一些特性，比如底部的柔软度，”石佳如表示。她补充说，这一推断意味着土星表面以下的内部区域可能金属含量更高，含有更多可凝结物质，从而形成比木星更强的分层结构。

研究团队认为，这一工作为理解气态巨行星的内部结构提供了新的观测和理论线索。

相关成果将发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。论文题为《气态巨行星极地气旋动力学：来自二维能量级联的见解》（Polar cyclone dynamics on giant planets: insights from two-dimensional energy cascades），作者为石佳如和康婉莹，预计于2026年发表。