中國科學(xué)院上海天文臺研究人員通過理論推導(dǎo)，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)部的對流動力學(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)。相關(guān)研究成果10月27日在線發(fā)表于流體力學(xué)期刊《流體物理評論》，并被美國物理學(xué)會選為媒體推薦成果。

熱對流運動是天體內(nèi)部普遍存在的動力學(xué)現(xiàn)象，對能量傳遞、物質(zhì)輸運、磁場產(chǎn)生和演化路徑起到支配性的作用。在我們的日常生活中，熱對流也是很常見的一個現(xiàn)象，比如我們燒熱水，隨著水壺底部的加熱，熱水向上涌，而頂部的冷水向下沉，在這個過程中熱量就逐漸從底部傳播到整個水體中;再比如我們經(jīng)常聽到天氣預(yù)報中說“強對流天氣”，就是地球大氣層中發(fā)生劇烈的冷熱氣團混合的過程。與燒開水類似，天體內(nèi)部熱、外部冷，如果內(nèi)外的溫差過大，就會驅(qū)動熱對流的發(fā)生，這個在流體力學(xué)上就叫作“發(fā)生熱不穩(wěn)定性”。

天體中熱不穩(wěn)定性是怎樣發(fā)生的?不同情況下的熱對流有怎樣不同的特征?這些延續(xù)了幾十年的經(jīng)典科學(xué)問題，吸引了一批又一批科學(xué)家投入其中。

中國科學(xué)院上海天文臺研究員孔大力指導(dǎo)澳門科技大學(xué)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(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(xué)分岔性質(zhì)之間的聯(lián)系。

“研究結(jié)果證明，對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)對流的臨界參數(shù)與球形近似下的結(jié)果相比，會出現(xiàn)大幅度變化。”孔大力研究員表示，“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)部的對流輸運效率會與前人的預(yù)期相差很大。”他還指出，這一研究成果對天體熱演化、磁場發(fā)電機動力學(xué)等問題的影響將在后續(xù)同一系列的學(xué)術(shù)論文中深入探討。(科技日報記者 陸成寬)