上海科学家首次揭示旋转天体内部热对流运动新机制

图说：以木星的扁率情况为例，展示了全局热不稳定性发生时的临界对流模式 采访对象供图

新民晚报讯（记者 郜阳）近期，中国科学院上海天文台研究人员通过理论推导，深入分析了处于旋转自引力平衡的椭球Boussinesq流体中的热不稳定性问题，首次得到快速旋转椭球形天体内部流体热不稳定性的判据，这一理论不仅可以直接用于理解木星与土星这样显著非球形行星内部的对流动力学，甚至可能被用于研究黑洞吸积盘等极端扁平的旋转流体系统。相关研究成果27日发表在流体力学国际权威期刊《流体物理论评》（Physical Review Fluids）上，并被美国物理学会选为媒体推荐成果。

包括吸积盘、恒星、行星在内，宇宙中的天体绝大多数都主要由流体构成。那么如何能引起一个天体内部流体的运动呢？答案不止一个，但最主要、也是最重要的一个因素就是叫作“热对流”的机制。

热对流运动是天体内部普遍存在的动力学现象，对能量传递、物质输运、磁场产生和演化路径起到支配性的作用。热对流在我们日常生活里也是很常见的现象。中国科学院上海天文台行星物理与磁流体力学课题组研究员孔大力打比方说，在烧热水时，随着水壶的底部的加热，热水向上涌，而顶部的冷水向下沉，这一过程中热量就逐渐从底部传播到整个水体中。与烧开水类似，天体内部热、外部冷，如果内外的温差过大，就会驱动热对流的发生，这个在流体力学上就叫作“发生热不稳定性”。

如果一个天体没有自转，可以简单地依据实际温度梯度和绝热温度梯度之间的比较来判断该天体内部是否发生热对流。但实际上，行星与恒星总是自转的，科里奥利力（即地转偏向力）破坏了对流方程的对称性，导致动力系统的临界特性完全改变。

“天体中热不稳定性怎样才能发生？不同情况下的热对流有怎样不同的特征？”成为了延续几十年的经典科学问题，吸引了一批又一批科学家投入其中。不过，绝大多数研究都忽略了天体由于自转产生的离心力而形成的非球形形状，因此这一系列基于球形近似条件所获得的研究结论的合理性和有效性从未得到任何理论或数值分析的检验。但随着人们对木星、土星和α Eridani等快速自转天体观测和研究的不断加深，椭球形天体内部全局热不稳定性判据变得愈发必要。

在快速旋转非球形稳定分层模型的基础上，孔大力研究员指导澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室博士研究生李文博，运用全局渐进展开的分析手段深入分析了处于旋转自引力平衡的椭球Boussinesq流体中的热不稳定性问题，首次获得了全局热对流线性临界模式和临界参数的解析解，并系统地探讨了非球形形状与对流动力学分岔性质之间的联系。

“研究结果证明，对于像木星这样的快速自转且扁率较大的行星，非球形旋转对流的临界参数与球形近似下的结果相比，会出现大幅度变化。”孔大力表示，“如果严格采用与天体自转相自洽的非球形模型，很多快速自转行星与恒星内部的对流输运效率会与前人的预期相差很大。”

他还指出，这一研究成果对天体热演化、磁场发电机动力学等问题的影响将在后续同一系列的学术论文中深入探讨。

美国物理学会在其媒体推荐信息中也指出：像木星与土星这样快速旋转的行星，它们会很显著地偏离球形。因此研究扁椭球流体中的热不稳定性就会帮助研究理解这些行星中的对流过程。同时，这一新方法甚至可能帮助探索黑洞吸积盘这种极其扁的盘状系统。