深入木星涡旋：木星涡旋的三维结构

我的博士课题聚焦于木星上的涡旋。人类对木星涡旋的观测可以追溯到罗伯特·胡克（Robert Hooke）在1665年的发现。木星涡旋往往寿命极长，其中最著名的当属“大红斑”（GRS），一个在木星大气中长期存在的反气旋 （自从1857年以来持续存在！）。与观测时间之长截然相反的是，过往的观测数据大多仅局限于追踪二维的表面云层特征。直到最近，借助于 Juno（朱诺号）和 JWST（韦伯空间望远镜）等探测设备，我们才首次获得了有关大红斑垂直结构及其深层活动的间接证据。尽管取得了上述进展，目前关于这些涡旋三维结构的可靠观测数据依然十分匮乏。

由于木星上的动力学时间尺度跨度极大，模拟这些涡旋的演化过程极具挑战。例如，浮力时间尺度仅约10分钟，科里奥利时间尺度约为10小时，而涡旋的旋转周期则长达5天左右。系统中十分快速的动力学过程使得直接进行长期模拟的计算成本极高。为此，我基于拟谱法（pseudo-spectral method）开发了课题组自主研发的程序，专门应对木星大气的复杂情况，不仅处理了其显著的可压缩性（流体力学中的“滞弹性（anelastic）流”），还攻克了跨时间尺度模拟的难题。借助这一新方法，我们关于木星涡旋三维结构的研究已顺利发表在《流体力学杂志》（Journal of Fluid Mechanics）上。基于数值模拟和稳定性分析，我们预测木星涡旋的三维结构应该是随高度衰减的雪糕状锥状结构。

以下幻灯片总结了我博士期间对木星涡旋进行的研究。此为纯幻灯片录像，不含语音讲解。