中國科學院上海天文臺研究人員通過理論推導，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，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)表于流體力學期刊《流體物理評論》，并被美國物理學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)典科學問題，吸引了一批又一批科學家投入其中。

中國科學院上海天文臺研究員孔大力指導澳門科技大學博士研究生李文博，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)電機動力學等問題的影響將在后續(xù)同一系列的學術(shù)論文中深入探討。(科技日報記者 陸成寬)