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科技日報記者 陸成寬
中國科學院上海天文臺研究人員通過理論推導，首次得到快速旋轉橢球形天體內部流體熱不穩定性的判據，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流體系統。相關研究成果10月27日在線發表于流體力學期刊《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部普遍存在的動力學現象，對能量傳遞、物質輸運、磁場產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；再比如我們經常聽到天氣預報中說“強對流天氣”，就是地球大氣層中發生劇烈的冷熱氣團混合的過程。與燒開水類似，天體內部熱、外部冷，如果內外的溫差過大，就會驅動熱對流的發生，這個在流體力學上就叫作“發生熱不穩定性”。
天體中熱不穩定性是怎樣發生的？不同情況下的熱對流有怎樣不同的特征？這些延續了幾十年的經典科學問題，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自引力平衡的橢球Boussinesq流體中的熱不穩定性問題，首次獲得了全局熱對流線性臨界模式和臨界參數的解析解，并系統地探討了非球形形狀與對流動力學分岔性質之間的聯系。
“研究結果證明，對于像木星這樣的快速自轉且扁率較大的行星，非球形旋轉對流的臨界參數與球形近似下的結果相比，會出現大幅度變化。”孔大力研究員表示，“如果嚴格采用與天體自轉相自洽的非球形模型，很多快速自轉行星與恒星內部的對流輸運效率會與前人的預期相差很大。”他還指出，這一研究成果對天體熱演化、磁場發電機動力學等問題的影響將在后續同一系列的學術論文中深入探討。
（圖片由受訪者提供）
關鍵詞： 不穩定性
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