中科院上海天文臺研究人員通過理論推導，深入分析了處于旋轉自引力平衡的橢球Boussinesq流體中的熱不穩(wěn)定性問題，首次得到快速旋轉橢球形天體內(nèi)部流體熱不穩(wěn)定性的判據(jù)，這一理論不僅可以直接用于理解木星與土星這樣顯著非球形行星內(nèi)部的對流動力學，甚至可能被用于研究黑洞吸積盤等極端扁平的旋轉流體系統(tǒng)。10月28日，相關研究在《流體物理評論》上發(fā)表，并被美國物理學會選為媒體推薦成果。
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橢球流體內(nèi)線性熱不穩(wěn)定三維數(shù)值模擬 受訪者供圖
“包括吸積盤、恒星、行星在內(nèi)，宇宙中的天體絕大多數(shù)主要由流體構成。吸積盤和恒星由熾熱的等離子體組成，木星和土星這樣的巨行星主要由氫氦氣體組成，即使對于地球這樣的巖石行星，地殼之下絕大部分的地幔和地核也是流動的。”中科院上海天文臺研究員孔大力告訴《中國科學報》，“這些流體是否運動、如何運動對天體來說是至關重要的，甚至是決定天體命運和面貌的。”
比如我們地球有活躍的地質構造運動，比如火山、地震、板塊，就是因為地球的地核與地幔都是非?；钴S運動的；而月球、火星都是死氣沉沉的行星，也主要可以歸因為它們內(nèi)部已經(jīng)失去了強烈的流體運動。
引起天體內(nèi)部流體運動的因素眾多，其中最重要的因素叫“熱對流”機制。
孔大力介紹說，熱對流在我們的日常生活里是很常見的一個現(xiàn)象，比如燒熱水，隨著水壺底部溫度升高，熱水向上涌，這個過程中熱量就逐漸從底部傳到整個水壺。與此類似，天體內(nèi)部熱、外部冷，如果內(nèi)外溫差過大，就會驅動熱對流發(fā)生，這在流體力學上被稱作“發(fā)生熱不穩(wěn)定性”。
因此，“天體中熱不穩(wěn)定性怎樣才能發(fā)生？不同情況下的熱對流有怎樣不同的特征？”就成為了延續(xù)幾十年的經(jīng)典科學問題，吸引了一批有一批科學家投入其中。但迄今為止，所有研究都忽略了天體由于自轉產(chǎn)生的離心力而形成的非球形形狀，因此這一系列基于球形近似條件所獲得的研究結論的合理性和有效性從未得到任何理論或數(shù)值分析的檢驗。
在快速旋轉非球形穩(wěn)定分層模型的基礎上，孔大力指導澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室博士研究生李文博，運用全局漸進展開的分析手段，深入分析了處于旋轉自引力平衡的橢球Boussinesq流體中的熱不穩(wěn)定性問題，首次獲得了全局熱對流線性臨界模式和臨界參數(shù)的解析解，并系統(tǒng)地探討了非球形形狀與對流動力學分岔性質之間的聯(lián)系。
“我們首次嚴格考慮天體快速自轉產(chǎn)生了偏離球形的形狀，通過理論分析和數(shù)值模擬回答了上面的兩個經(jīng)典科學問題，系統(tǒng)地研究了橢球扁率（也就是天體自轉速率的不同）對熱不穩(wěn)定性發(fā)生條件的控制作用。”李文博說，“而在這個工作之前，沒有任何一個方法或模型有能力研究扁橢球的天體，沒有任何學者能判斷天體的非球形形狀會如何影響熱對流運動。”
“研究結果證明，對于像木星這樣的快速自轉且扁率較大的行星，非球形旋轉對流的臨界參數(shù)與球形近似下的結果相比，會出現(xiàn)大幅度變化。”孔大力表示，“如果嚴格采用與天體自轉相自洽的非球形模型，很多快速自轉行星與恒星內(nèi)部的對流輸運效率會與前人的預期相差很大。”
鑒于此，美國物理學會在媒體推薦信息中指出：像木星與土星這樣快速旋轉的行星，它們會很顯著地偏離球形。因此研究扁橢球流體中的熱不穩(wěn)定性就會幫助研究理解這些行星中的對流過程。“同時，這一新方法甚至可能幫助探索黑洞吸積盤這種極其扁的盤狀系統(tǒng)”。
相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.7.103502
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