深度解析土星纬向急流：重力测量揭示其强度与深度奥秘

为探究土星纬向急流（zonal jets）的强度和深度，研究人员基于卡西尼号（Cassini）任务重力测量数据，解析重力谐波至 J20 。结果发现高纬急流深度浅于 3000km，低纬急流延伸至约 11000km 且强度近地面两倍。该研究有助于深入理解土星大气结构。

　　在浩瀚的太阳系中，土星犹如一颗璀璨的明珠，吸引着无数天文学家的目光。土星大气中存在着强烈的纬向风，其独特的结构包括宽阔的赤道西向东气流、两侧的逆向急流以及半球中高纬度的一系列急流。然而，对于这些纬向急流在云层以下的结构，科学界一直存在诸多疑问。此前基于卡西尼号任务重力测量至 J₁₀ 的分析表明，这些风可穿透至约 9000km，但该分析高度依赖受内部结构主导的低阶偶数谐波，而土星内部结构的精确信息尚不明确，这使得研究结果存在较大不确定性。此外，与木星的研究相比，土星纬向急流的研究在重力谐波使用、与观测风速匹配以及影响重力信号的纬度范围确定等方面都存在差异。为了更深入地了解土星纬向急流的真实面貌，来自以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）和意大利罗马大学（Sapienza University of Rome）的研究人员展开了一项重要研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过重建卡西尼号在大结局轨道（Grand Finale orbits）上的轨迹来确定土星的重力场。为解决高次谐波估计问题，他们在极区对表面重力加速度施加约束，将其作为额外观测值加入估计滤波器。其次，利用热成风平衡（thermal wind balance）关系，结合重力测量数据，探究纬向流结构。同时，通过优化控制向量来寻找最佳风结构，最小化模型解与测量值之间的差异。
研究结果如下：

1. 约束重力测量：卡西尼号在大结局轨道时，其高度偏心的轨道使得在赤道区域靠近行星，在极区远离行星，导致低纬度地区表面重力估计不确定性小，极区大。研究人员对 J₁₃ 至 J₂₀ 的表面重力加速度施加约束，成功降低了高次谐波系数之间的相关性，且赤道区域灵敏度基本不变。
2. 风相关重力场：利用约束重力分析，研究人员不仅使用低阶重力谐波 J₃ 、J₅ 、J₇ 、J₉ ，还运用高次谐波 J₁₁ 至 J₁₆ 探索风致重力场。优化云顶风深度时发现，将观测风在纬度 45° 极向截断并延伸至约 11000km 深度时，能更好地匹配测量值。此外，高纬度地区的急流对重力信号影响较小。
3. 云层下更强的急流：考虑到云顶风可能并非最终影响重力场的最大风速，研究人员通过分析发现，将风速增强 1.8 倍且保持纬向结构不变时，能与所有低阶偶数重力谐波完美匹配，此时风的深度约为 11000km。
4. 深层纬向风的修改纬向剖面：研究人员进一步探讨深层高纬度急流与云顶急流不同时是否能解释重力测量结果，以及 1.8 倍风速增强是否适用于所有区域。结果表明，强的高纬度深层急流不太可能存在，赤道深层风强度可能比观测值更强。
   研究结论和讨论部分指出，该研究通过解析至 J₂₀ 的纬度相关重力场，扩展了归因于风的观测重力谐波数量。研究发现，忽略 45° 纬度极向的纬向急流时，云顶风沿圆柱延伸并在约 11000km 深度径向衰减，能很好地匹配测量值，且风速最大值比云顶风强 1.8 倍时，与测量重力场拟合度极佳。同时，观测到的高纬度云顶风穿透深度可达约 3000km，对重力解影响较小，这意味着高纬度风更具斜压性，比显著电子导电深度更浅。综合来看，该研究揭示了土星纬向急流的深度和强度特征，为深入理解土星大气结构和动力学提供了重要依据，也为研究其他气态巨行星的大气流动提供了参考。