中科院上海天文臺(tái)研究人員通過理論推導(dǎo)，深入分析了處于旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(duì)流動(dòng)力學(xué)，甚至可能被用于研究黑洞吸積盤等極端扁平的旋轉(zhuǎn)流體系統(tǒng)。10月28日，相關(guān)研究在《流體物理評(píng)論》上發(fā)表，并被美國物理學(xué)會(huì)選為媒體推薦成果。

(相關(guān)資料圖)

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(gòu)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(duì)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(dòng)的。”中科院上海天文臺(tái)研究員孔大力告訴《中國科學(xué)報(bào)》，“這些流體是否運(yùn)動(dòng)、如何運(yùn)動(dòng)對(duì)天體來說是至關(guān)重要的，甚至是決定天體命運(yùn)和面貌的。”

比如我們地球有活躍的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，比如火山、地震、板塊，就是因?yàn)榈厍虻牡睾伺c地幔都是非?；钴S運(yùn)動(dòng)的；而月球、火星都是死氣沉沉的行星，也主要可以歸因?yàn)樗鼈儍?nèi)部已經(jīng)失去了強(qiáng)烈的流體運(yùn)動(dòng)。

引起天體內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)的因素眾多，其中最重要的因素叫“熱對(duì)流”機(jī)制。

孔大力介紹說，熱對(duì)流在我們的日常生活里是很常見的一個(gè)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(gè)過程中熱量就逐漸從底部傳到整個(gè)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(huì)驅(qū)動(dòng)熱對(duì)流發(fā)生，這在流體力學(xué)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(duì)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(xué)問題，吸引了一批有一批科學(xué)家投入其中。但迄今為止，所有研究都忽略了天體由于自轉(zhuǎn)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(jié)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(yàn)。

在快速旋轉(zhuǎn)非球形穩(wěn)定分層模型的基礎(chǔ)上，孔大力指導(dǎo)澳門科技大學(xué)月球與行星科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生李文博，運(yùn)用全局漸進(jìn)展開的分析手段，深入分析了處于旋轉(zhuǎn)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(duì)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(duì)流動(dòng)力學(xué)分岔性質(zhì)之間的聯(lián)系。

“我們首次嚴(yán)格考慮天體快速自轉(zhuǎn)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(gè)經(jīng)典科學(xué)問題，系統(tǒng)地研究了橢球扁率（也就是天體自轉(zhuǎn)速率的不同）對(duì)熱不穩(wěn)定性發(fā)生條件的控制作用。”李文博說，“而在這個(gè)工作之前，沒有任何一個(gè)方法或模型有能力研究扁橢球的天體，沒有任何學(xué)者能判斷天體的非球形形狀會(huì)如何影響熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)。”

“研究結(jié)果證明，對(duì)于像木星這樣的快速自轉(zhuǎn)且扁率較大的行星，非球形旋轉(zhuǎn)對(duì)流的臨界參數(shù)與球形近似下的結(jié)果相比，會(huì)出現(xiàn)大幅度變化。”孔大力表示，“如果嚴(yán)格采用與天體自轉(zhuǎn)相自洽的非球形模型，很多快速自轉(zhuǎn)行星與恒星內(nèi)部的對(duì)流輸運(yùn)效率會(huì)與前人的預(yù)期相差很大。”

鑒于此，美國物理學(xué)會(huì)在媒體推薦信息中指出：像木星與土星這樣快速旋轉(zhuǎn)的行星，它們會(huì)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(huì)幫助研究理解這些行星中的對(duì)流過程。“同時(shí)，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(guān)論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.7.103502

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