金星云層中發(fā)現(xiàn)的巨型圖案

根據(jù)曉號宇宙飛船的觀測，一個研究小組在覆蓋金星的云層中發(fā)現(xiàn)了一個巨大的條紋結(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個地球日)。與此同時，在金星表面上方約60公里處，一股快速的東風(fēng)在大約四個地球日(360公里/小時)內(nèi)環(huán)繞地球，這被稱為大氣替代。

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，因此很難通過地球望遠(yuǎn)鏡和金星周圍的軌道運(yùn)動來觀察行星表面。表面溫度達(dá)到灼熱的460攝氏度，對于任何進(jìn)入探測器的觀察來說，這都是一個嚴(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題，宇宙飛船曉號于2015年12月啟動了金星軌道。曉的觀測儀器之一是紅外照相機(jī)“IR2”，它能測量2？米(0.002毫米)的波長。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，但由于紅外技術(shù)，下層云層的動態(tài)結(jié)構(gòu)逐漸顯露出來。

在曉任務(wù)開始之前，研究小組開發(fā)了一個名為“AFES-金星”的程序來計(jì)算金星大氣的模擬。在地球上，數(shù)值模擬被用來研究和預(yù)測各種規(guī)模的大氣現(xiàn)象，從日常天氣預(yù)報和臺風(fēng)報告到全球變暖導(dǎo)致的預(yù)期氣候變化。對于金星來說，觀測的難度使得數(shù)值模擬更加重要，但同樣的問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)拍攝的低云級詳細(xì)觀測數(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稱的巨大條紋。每個條紋寬數(shù)百公里，對角延伸約1萬公里。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，通過對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，在兩個方向上產(chǎn)生60度緯度。當(dāng)急流加入這種現(xiàn)象時，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(赤道開爾文波)結(jié)合在一起，保持了半球之間的對稱性。

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(波)形成的。對幾種大氣現(xiàn)象形成的行星尺度條紋結(jié)構(gòu)的成功模擬，證明了在此過程中計(jì)算的個別現(xiàn)象模擬的準(zhǔn)確性。

到目前為止，對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新的水平，在這個水平上可以討論金星的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)。下一步，通過與曉和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題。

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