金星云層中發(fā)現(xiàn)的巨型圖案

根據(jù)曉號(hào)宇宙飛船的觀測(cè)，一個(gè)研究小組在覆蓋金星的云層中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的條紋結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)還利用大規(guī)模氣候模擬揭示了這種結(jié)構(gòu)的起源。該小組由該項(xiàng)目的助理教授(神戶(hù)大學(xué)科學(xué)研究生院)Hiroki Kashimura領(lǐng)導(dǎo)，研究成果于1月9日發(fā)表在《自然通訊》上。

金星經(jīng)常被稱(chēng)為地球的雙胞胎，因?yàn)樗鼈兊拇笮『椭亓ο嗨?，但金星的氣候卻大不相同。金星以與地球相反的方向旋轉(zhuǎn)，速度要慢得多(一次大約243個(gè)地球日)。與此同時(shí)，在金星表面上方約60公里處，一股快速的東風(fēng)在大約四個(gè)地球日(360公里/小時(shí))內(nèi)環(huán)繞地球，這被稱(chēng)為大氣替代。

金星的天空完全被厚厚的硫酸云覆蓋，硫酸云位于45-70公里的高度，因此很難通過(guò)地球望遠(yuǎn)鏡和金星周?chē)能壍肋\(yùn)動(dòng)來(lái)觀察行星表面。表面溫度達(dá)到灼熱的460攝氏度，對(duì)于任何進(jìn)入探測(cè)器的觀察來(lái)說(shuō)，這都是一個(gè)嚴(yán)酷的環(huán)境。由于這些條件，關(guān)于金星的大氣現(xiàn)象仍有許多未知。

為了解決金星大氣層問(wèn)題，宇宙飛船曉號(hào)于2015年12月啟動(dòng)了金星軌道。曉的觀測(cè)儀器之一是紅外照相機(jī)“IR2”，它能測(cè)量2？米(0.002毫米)的波長(zhǎng)。該相機(jī)可以捕捉到距離地面約50公里的低層云的詳細(xì)云圖。上層云層阻擋了光學(xué)和紫外線(xiàn)，但由于紅外技術(shù)，下層云層的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)逐漸顯露出來(lái)。

在曉任務(wù)開(kāi)始之前，研究小組開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為“AFES-金星”的程序來(lái)計(jì)算金星大氣的模擬。在地球上，數(shù)值模擬被用來(lái)研究和預(yù)測(cè)各種規(guī)模的大氣現(xiàn)象，從日常天氣預(yù)報(bào)和臺(tái)風(fēng)報(bào)告到全球變暖導(dǎo)致的預(yù)期氣候變化。對(duì)于金星來(lái)說(shuō)，觀測(cè)的難度使得數(shù)值模擬更加重要，但同樣的問(wèn)題也使得模擬的精度難以確定。

AFES-金星成功再現(xiàn)了金星大氣的超級(jí)氣旋和極地溫度結(jié)構(gòu)。該研究團(tuán)隊(duì)利用JAMSTEC提供的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)“地球建模器”，創(chuàng)建了具有高空間分辨率的數(shù)值模擬。然而，由于曉之前的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較低，很難證明這些模擬是否是準(zhǔn)確的重建。

本研究將曉IR2相機(jī)拍攝的低云級(jí)詳細(xì)觀測(cè)數(shù)據(jù)與AFES-金星項(xiàng)目的高分辨率模擬進(jìn)行了比較。上圖左半部分為IR2相機(jī)拍攝的下方金星云。注意南北半球近乎對(duì)稱(chēng)的巨大條紋。每個(gè)條紋寬數(shù)百公里，對(duì)角延伸約1萬(wàn)公里。IR2相機(jī)首次揭示了這種模式，團(tuán)隊(duì)將其命名為星條紋結(jié)構(gòu)。這種條紋結(jié)構(gòu)的尺度在地球上從未觀測(cè)到，可能是金星特有的現(xiàn)象。利用AFES-金星高分辨率模擬，團(tuán)隊(duì)重建了模型(上圖右側(cè))。

接下來(lái)，通過(guò)對(duì)AFES-金星模擬結(jié)果的詳細(xì)分析，研究小組揭示了這種巨大條紋結(jié)構(gòu)的起源。這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是一種與地球日常天氣密切相關(guān)的現(xiàn)象：極地急流。在地球的中高緯度地區(qū)，強(qiáng)風(fēng)的動(dòng)力(斜壓不穩(wěn)定)形成溫帶氣旋、遷移的高壓系統(tǒng)和極地急流。模擬結(jié)果表明，在金星云層中工作的機(jī)理是相同的，這表明噴流可能在高緯度地區(qū)形成。在低緯度地區(qū)，大尺度氣流分布產(chǎn)生的大氣波和行星旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(羅斯比波)在赤道上產(chǎn)生大渦，在兩個(gè)方向上產(chǎn)生60度緯度。當(dāng)急流加入這種現(xiàn)象時(shí)，渦旋傾斜和伸展，南北風(fēng)的輻合區(qū)形成條紋。輻合區(qū)推出的南北風(fēng)變成強(qiáng)烈的向下氣流，形成行星尺度的條帶結(jié)構(gòu)。羅斯比波還與赤道上的大氣壓力波動(dòng)(赤道開(kāi)爾文波)結(jié)合在一起，保持了半球之間的對(duì)稱(chēng)性。

本研究揭示了金星低層云層中行星尺度上的巨大條紋結(jié)構(gòu)，并通過(guò)模擬復(fù)制了這種結(jié)構(gòu)，表明這種條紋結(jié)構(gòu)是由斜壓不穩(wěn)定和急流兩種大氣波動(dòng)(波)形成的。對(duì)幾種大氣現(xiàn)象形成的行星尺度條紋結(jié)構(gòu)的成功模擬，證明了在此過(guò)程中計(jì)算的個(gè)別現(xiàn)象模擬的準(zhǔn)確性。

到目前為止，對(duì)金星氣候的研究主要集中在東西方平均計(jì)算上。這一發(fā)現(xiàn)將金星氣候的研究提高到了一個(gè)新的水平，在這個(gè)水平上可以討論金星的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)。下一步，通過(guò)與曉和AFES-金星的合作，解決了隱藏在厚厚的硫酸云中的地球雙金星的氣候問(wèn)題。

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