作业帮土星是一个怎样的行星?
来源：学生作业帮 编辑：作业帮 分类：物理作业 时间：2024/05/18 17:39:46
土星是一个怎样的行星?
再测土星的自转周期
行星的自转的速率是它的基本特性.对一颗行星自转周期的测定,将有助于我们理解行星的形成、演化、内部动力学以及它的动力气象.如果一颗行星具有固体表面,为了决定其自转速率,只需追踪它的标志性地形的旋转运动.然而,对于气态巨行星（木星、土星、天王星和海王星）,要想知道它内部结构的旋转速率,上述办法不再适用.木星、天王星和海王星的磁偶极矩与自转轴之间有一个倾角,于是在行星磁气圈中太阳风的行为受旋转的行星磁场支配；因此,通过测量来自行星的射电发射,可以决定行星磁场的旋转周期,从而决定产生磁场的行星内部结构之周期.不幸,土星的磁偶极矩与自转轴之间没有这样一个倾角,以至于射电波的周期是起伏的,不能代表其内部结构的旋转.
关于土星,尽管它的内部具有流体的性质,作为一个整体其各个部分仍应保持接近一致的旋转周期,这其中的原因在于：内部结构整体导电,电磁力对整体起作用.接下来的问题是：土星大气中的云,其旋转速率是比内部结构快（表现为西风）还是比内部结构慢（表现为东风）?最近,来自牛津大学物理系的Read等,使用土星的动力气象数据,对土星自转的周期做出了新的估计.
Read等的动力气象方法的关键在于,考察土星急流（jet streams）的动力学稳定性.在分析风和温度观察数据的基础上,研究者证明,急流的分布图是处于中性稳定（非常接近稳定与不稳定之边界）.按照相关理论,大气东-西风的速度与位势涡度（potential vorticity）的纬向梯度之间有确定关系（注：所谓位势涡度,即个别空气柱旋转的速率被空气柱的垂直厚度除）.因为位势涡度独立于参考系,已知位势涡度就可以确定关于东-西风的参考系,进而估算土星内部结构的自转周期.长期以来,人们一直认为,土星的大气风仅仅包括西风急流,只不过在强度上随纬度的增加而递减.Read的新结果表明：土星上大气风的风向是交替变化的——在赤道附近是西风,纬度高一些变成东风,纬度再高一些又变成西风,直到极点可能有许多次反复.直接跟踪土星的大气风,观察表明,赤上道的急流空气,转一圈需10小时12分钟；而在较高纬度转一圈可能耗时10小时42分钟.关于土星内部结构(包括可能的岩质核)的自转周期,Read等给出的最新估算值是10小时34分13秒.
（戴闻 编译自 Nature 460 (2009):582 和 608）
行星的自转的速率是它的基本特性.对一颗行星自转周期的测定,将有助于我们理解行星的形成、演化、内部动力学以及它的动力气象.如果一颗行星具有固体表面,为了决定其自转速率,只需追踪它的标志性地形的旋转运动.然而,对于气态巨行星（木星、土星、天王星和海王星）,要想知道它内部结构的旋转速率,上述办法不再适用.木星、天王星和海王星的磁偶极矩与自转轴之间有一个倾角,于是在行星磁气圈中太阳风的行为受旋转的行星磁场支配；因此,通过测量来自行星的射电发射,可以决定行星磁场的旋转周期,从而决定产生磁场的行星内部结构之周期.不幸,土星的磁偶极矩与自转轴之间没有这样一个倾角,以至于射电波的周期是起伏的,不能代表其内部结构的旋转.
关于土星,尽管它的内部具有流体的性质,作为一个整体其各个部分仍应保持接近一致的旋转周期,这其中的原因在于：内部结构整体导电,电磁力对整体起作用.接下来的问题是：土星大气中的云,其旋转速率是比内部结构快（表现为西风）还是比内部结构慢（表现为东风）?最近,来自牛津大学物理系的Read等,使用土星的动力气象数据,对土星自转的周期做出了新的估计.
Read等的动力气象方法的关键在于,考察土星急流（jet streams）的动力学稳定性.在分析风和温度观察数据的基础上,研究者证明,急流的分布图是处于中性稳定（非常接近稳定与不稳定之边界）.按照相关理论,大气东-西风的速度与位势涡度（potential vorticity）的纬向梯度之间有确定关系（注：所谓位势涡度,即个别空气柱旋转的速率被空气柱的垂直厚度除）.因为位势涡度独立于参考系,已知位势涡度就可以确定关于东-西风的参考系,进而估算土星内部结构的自转周期.长期以来,人们一直认为,土星的大气风仅仅包括西风急流,只不过在强度上随纬度的增加而递减.Read的新结果表明：土星上大气风的风向是交替变化的——在赤道附近是西风,纬度高一些变成东风,纬度再高一些又变成西风,直到极点可能有许多次反复.直接跟踪土星的大气风,观察表明,赤上道的急流空气,转一圈需10小时12分钟；而在较高纬度转一圈可能耗时10小时42分钟.关于土星内部结构(包括可能的岩质核)的自转周期,Read等给出的最新估算值是10小时34分13秒.
（戴闻 编译自 Nature 460 (2009):582 和 608）
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