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行星内部对流和较差转动研究

冯天厚  
【摘要】: 随着国际深空探测计划的不断实施,行星科学引起了国际天文学和地球科学界的极大关注,人们期望深入研究行星演化过程中诸如磁场是如何产生的、液态核和大气的动力学性质等,以逐步加深人们对太阳系演化的理解。 文章中选用准地转流近似模型,利用有限差分方法集中讨论快速旋转行星内部对流和较差转动问题。本文中主要进行了以下一些方面的研究工作: 1、针对快速旋转行星流体基本展现二维运动基本特征,提取动力学方程中的主要项,建立了一个能较好反映行星内部对流的二维行星准地转流模型,并对线性问题进行了详细的理论分析,给出了对流和较差转动的基本物理形态; 2、采用区域分解的思想,对非线性问题编写了一套高效的并行差分数值模拟软件,在此基础上,分别数值模拟了地球液态外核、木星大气以及太阳系外飞马座51号b-型行星的流体动力学过程,发现它们具有一个共同的动力学特征:当非线性效应弱时,系统基本呈现小尺度对流模式;当非线性效应强时,一些小尺度对流胞会将其能量转移到带状环流,系统主要呈现大尺度平均流模式,此时较差转动特征显著,这与实际观测到的现象相符。 3、基于二维准地转流模型,首次清楚揭示了行星带状环流产生、维持以及变化的动力学过程:热不稳定性产生小尺度对流胞,由于Coriolis力的作用使其不断将能量输送到具有减弱热输送作用的大尺度带状环流,一定时间后热对流接近停止,而粘滞效应逐步损耗带状环流的能量,从而系统的热输送逐步加强,开始新的热不稳定。此过程说明,带状环流随时间是变化的,这与深空探测结构相符。


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