科学家终于解开了木星风为何向东吹，海王星向西吹的谜团 _科学

气态巨行星木星和土星表现出向东流动的赤道急流，而冰巨行星天王星和海王星则表现出向西流动的赤道急流。这项工作表明，在类似的条件下，急流可以在任一方向形成，这表明一个共同的潜在机制可能控制着所有四颗行星的大气动力学。两个模拟快照说明了这些可能的结果。图片来源：Keren Duer-Milner
据今日科学新闻：几个世纪以来，太阳系的巨行星——木星、土星、天王星和海王星——一直激起人们的敬畏和好奇。这些巨大的世界被比地球本身还大的漩涡云带和风暴所包裹，是我们宇宙附近已知的最极端风的家园。它们的赤道承载着急流，以难以想象的速度咆哮，达到每小时 500 至 2,000 公里——远远超过我们在自己的星球上经历的任何东西。
然而，一个谜题长期以来一直困扰着科学家：为什么其中一些行星上的风向东吹，而在另一些行星上，它们向西移动？木星和土星是气态巨行星，它们有向东流动的赤道急流，与行星的自转方向相同。天王星和海王星这座冰巨星恰恰相反——它们的赤道风向西奔跑，逆着自转。几十年来，这种奇怪的分歧无法解释。
现在，由莱顿天文台的 Keren Duer-Milner 和 SRON（荷兰空间研究所）领导的科学家团队首次找到了一个优雅的解决方案。他们的新模型不仅解释了一颗行星的风，还解释了所有四颗行星的风——揭示了这些雄伟的、行星大小的急流背后存在相同的物理过程。
巨行星的秘密引擎
该团队发现，关键在于一种称为快速旋转对流的过程——一种发生在巨行星大气层深处的强大环流模式。对流是热量上升和较冷物质下沉的机制，这是驱动地球天气模式的常见过程。但在气态巨星和冰巨星上，对流的行为方式要极端得多。
这些行星中的每颗行星都快速自转——例如，木星每十小时自转一次，使其成为太阳系中最快的自转器之一。这种快速旋转将大气层内的对流运动扭曲成长而稳定的喷流，可以横跨整个地球。
杜尔-米尔纳的团队发现，大气层的深度——对流向下延伸的距离——决定了赤道风的方向。在木星和土星等行星上，大气层深入内部，喷流向东移动。在对流层较浅的天王星和海王星上，相同的物理过程会产生向西的急流。
这一发现揭示了一个令人着迷的“分叉”——一个描述系统如何演变成两种稳定状态之一的科学术语。在类似的自转、热量和内能条件下，行星的大气层可以稳定为向东或向西的急流，这完全取决于大气层的深度。换句话说，驱动这些风的不是不同的机制——它是一种机制，根据大气的深度以不同的方式运作。
太阳系中最快的风
这些发现揭示了我们太阳系的一些最暴力和最神秘的特征。木星和土星上的赤道风可以超过每小时1800公里，比飞驰的子弹还要快。这些不是转瞬即逝的阵风，而是稳定的全球急流，已经持续了几个世纪，塑造了我们在望远镜图像中看到的彩色带和风暴。
在距离太阳最远的行星海王星上，风速接近每小时 2,000 公里——这是太阳系有记录以来最快的风速。这些强大的阵风席卷了一个如此寒冷的世界，以至于阳光比地球上暗 900 倍。几十年来，科学家们一直想知道，在如此冰冻的环境中，如何存在如此巨大的能量。
答案似乎不在于阳光，而在于行星的内部热量。巨行星通过其深处内部的缓慢收缩和运动产生自己的温暖。这种热量驱动对流，将物质向上推，使整个大气层开始运动。然后，快速旋转将上升和下沉的气流塑造成巨大的风带。
宇宙传送带
想象一下，一条巨大的传送带围绕着行星的赤道延伸，以平稳、稳定的气流输送数十亿吨气体。这本质上就是木星、土星、天王星和海王星大气层中发生的事情。
根据杜尔-米尔纳的模型，这些传送带是由赤道附近的对流单元形成的。随着温暖的物质上升和寒冷的物质下沉，行星的快速旋转将气流扭曲成水平射流。这些喷流的方向——向东或向西——取决于行星的内部结构和对流穿透的深度。
这个过程创造了一种可以持续数千年的自我维持模式。它不仅解释了风向，还解释了为什么它们如此稳定和强大。尽管这些行星接受的阳光很少，但它们的内部热量和快速自转创造了一种动态、不安的大气层，永远不会停止运动。
复杂系统中简单之美
多年来，科学家们对这颗巨行星上相反的风向提出了不同的解释。一些人认为木星和土星的东风是由阳光驱动的，而天王星和海王星的西风则是由更深的内部热量驱动的。但这些想法都没有完全体现观察的复杂性。
Duer-Milner 和她的同事现在已经将这些理论统一在一个单一的、简单的框架下。“我们希望证明，我们认为在气态巨行星木星和土星中起作用的相同机制也可以解释冰巨行星天王星和海王星中的赤道急流， ”她解释道。“我们很兴奋，因为我们终于找到了对复杂现象的简单、优雅的解释。”
这种简单性使这一发现如此深刻。在自然界中，复杂性往往源于简单的规则，而这个新模型表明，相同的物理定律——旋转、对流和流体运动——可以产生截然不同的结果，这取决于一个因素：大气深度。
了解外星世界的窗口
这一发现的影响远远超出了我们的太阳系。行星科学家现在正在应用杜尔-米尔纳的模型来研究系外行星——围绕其他恒星运行的世界。这些遥远的行星中有许多是“热木星”或“迷你海王星”，具有厚厚的气态包层和类似于我们自己的巨行星的快速自转。
通过了解对流和旋转如何相互作用来塑造风，科学家们现在可以预测这些外星世界可能存在什么样的急流。该模型为研究人员提供了一种新工具来解释来自望远镜和太空任务的大气数据，帮助他们揭示不同行星如何分布热量和发展天气系统。
它还有助于解释为什么行星大气层如此多样化。一些系外行星可能具有永久的东风，而另一些则可能具有西风，具体取决于它们的内部结构。了解这些差异使我们离解码光年外世界的气候系统又近了一步。
在木星上测试理论
为了验证他们的发现，杜尔-米尔纳的团队现在正在转向美国宇航局朱诺号航天器的数据，该飞船自 2016 年以来一直绕木星运行。朱诺号的灵敏仪器可以窥视这颗行星五颜六色的云层下方，测量磁场、重力和大气流动的细微变化。
如果朱诺号的观测证实了木星赤道附近预测的对流模式的存在，这将是在实践中证明该理论的重要一步。这样的确认不仅可以解开关于木星风的长期谜团，还可以加强我们对整个太阳系大气动力学的理解。
风的通用语言
这一发现之所以如此引人注目，是因为它如何将看似完全不同的世界联系起来。木星，一颗巨大的暴风雨气态巨行星，有着巨大的红色飓风;土星，装饰着冰环;天王星，侧倾;海王星，黑暗而遥远，被看不见的风暴鞭打——都遵循相同的基本物理定律。
尽管它们的大小、成分和阳光不同，但它们有着相同的宇宙心跳。塑造云层的相同力量也控制着地球上的天气模式，并可能控制着银河系中无数世界的天气模式。
这种认识为我们对宇宙的理解带来了一种新的统一感。席卷海王星冰冻天空的风并不是外星人——它们是搅动地球微风的同一物理学的回声。在木星大红斑中驱动风暴的对流塑造了我们自己大气层中的云层。
更多信息：Keren Duer-Milner 等人，从气体到冰巨星：赤道急流的统一机制，科学进展（2025 年）。DOI：10.1126/sciadv.ads8899