潮汐锁定系外行星地幔对流动力学：揭示极端温度梯度下的持续环流与潜在宜居性

本研究针对潮汐锁定超级地球地幔对流这一前沿问题，通过创新性实验室模拟实验，揭示了极端日-夜温度梯度(Δθ/ΔT=Θ)与垂直温度梯度(ΔT)协同作用下形成的永久性系统尺度环流。研究人员构建了混合瑞利数(Ra=(1+Θ)Raz)理论框架，发现这种环流导致热物质在向阳点持续上涌、背阳点持续下沉，形成空间锚定的热通量分布。该研究为理解极端环境下行星内部动力学提供了普适性模型，并指出潮汐锁定可能通过维持中高纬度适度地热活动，为液态水存在创造有利条件，重塑了对此类行星宜居性的认知。

　　

在浩瀚宇宙中，潮汐锁定的超级地球系外行星展现着极端的环境特征——永久炽热的向阳面与永恒冰冻的背阳面形成高达1000K的温度对比。这种独特的"阴阳脸"行星是否可能孕育生命？传统观点认为如此极端的热力学环境难以维系生命，但越来越多的研究表明，行星内部的对流活动可能通过热化学输运重塑表面环境。然而，潮汐锁定行星的地幔动力学研究面临重大挑战：极端温度梯度如何影响地幔对流模式？这种对流会如何重新分配行星内部热量？这些问题的解答对评估系外行星宜居性至关重要。

日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)的Daisuke Noto团队在《Nature Communications》发表的研究，通过精妙的实验室模拟与理论建模，首次系统揭示了潮汐锁定超级地球的地幔对流规律。研究人员构建了混合瑞利数(Ra=(1+Θ)Ra_z)理论框架，将水平温度梯度(Δθ)与垂直温度梯度(ΔT)的协同效应量化为统一参数。实验采用高普朗特数(Pr=10²-10⁴)甘油溶液模拟岩石地幔，通过四区独立温控系统精确复现行星表面温度分布，并利用热致变色液晶粒子(TLC)实现流动可视化。

关键实验技术：

1. 矩形流体槽设计实现水平(Δθ)与垂直(Δθ)温度梯度的独立控制
2. 高Pr甘油溶液体系模拟地幔的高粘特性
3. 热致变色液晶粒子(TLC)光学测温与粒子图像测速(PIV)技术联用
4. 基于速度场重构温度场的逆向热传导算法
5. 混合瑞利数(Ra)与佩克莱数(Pe)的无量纲分析框架

结果解析：
Convective dynamics of tidally-locked mantle
实验捕捉到三种典型对流状态：稳态层流、周期性振荡和湍流状态。所有工况均呈现顺时针系统尺度环流，热羽流在向阳侧上涌、背阳侧下沉。这种环流源自水平温度梯度产生的斜压扭矩，而非经典瑞利-贝纳德对流(RBC)的自组织湍流结构。

How vigorous is the convective motion?
通过雷诺数(Re)和佩克莱数(Pe=Re Pr)分析发现，对流强度严格遵循Pe∝Ra^0.58的标度律。值得注意的是，即使垂直温度梯度ΔT减小，大Δθ仍可维持强烈对流，暗示潮汐锁定行星在热演化后期仍能保持活跃的地质活动。

How much heat is transported?
热通量分布呈现显著空间异质性：向阳侧底部热通量(Nu_bot^D)可达背阳侧顶部(Nu_top^N)的10倍。全局努塞尔数(Nu)在Θ>1时呈现Nu∝Ra^0.21的标度关系，与水平对流(HC)理论一致。中纬度区域形成热通量过渡带，可能维持液态水稳定存在。

讨论与意义：
这项研究建立了潮汐锁定行星地幔对流的普适性理论框架，揭示了三个革命性认知：(1)系统尺度环流具有永久空间锚定特性，将导致向阳面形成巨型火山群，而中高纬度缺乏热点型火山活动；(2)水平温度梯度可补偿垂直梯度的衰减，使行星在热演化后期仍保持活跃对流；(3)非均匀热通量分布可能在日-夜交界区创造"宜居口袋"。这些发现颠覆了对潮汐锁定行星宜居性的传统认知，为系外行星探测提供了新的理论依据——未来望远镜应重点关注中纬度区域可能存在的水循环与构造活动特征。研究提出的混合瑞利数概念还可推广到其他具有复杂热强迫的系统，如地热加热的海洋环流、金属泡沫中的混合对流等工程应用领域。