稳定分层在湍流木星发电机模型中促进多重纬向急流

NASA 正在进行的 Juno 任务对木星内部动力学提出了新的约束。其搭载磁力计收集的数据揭示了一个偶极子主导的表面磁场，并伴有强局地化磁通斑块。重力测量表明，剧烈的表面纬向急流在云层以下延伸数千公里，随后在 $0.94-0.96\,R_J$（$R_J$ 为 1 bar 水平面处木星平均半径）以下迅速衰减。若干内部模型暗示复杂的内部结构，其中存在一个薄的中间区域，氦在此从氢中分离，形成成分分层层。本文中，我们开发了首个全局木星发电机模型，其在 $0.82\,R_J$ 与 $0.86\,R_J$ 之间纳入了稳定分层的中间层。能量平衡分析揭示，金属区中磁能几乎比动能大一个数量级，而大部分动能被泵入分子包层中的纬向运动。这些源于不同的底层力层级：金属核内洛伦兹力、阿基米德力与非地转科里奥利力三重平衡，而外层由惯性、浮力与非地转科里奥利力控制。本文模拟首次证明，多重纬向急流与偶极子主导的发电机作用可在全局模拟中统一存在。稳定层的引入是必要因素，它使纬向急流能在外包层中发展而不参与更深层金属区的发电机作用。然而，稳定分层也通过趋肤效应平滑了磁场的小尺度特征。这些约束表明，木星中可能的稳定层应位于更靠近表面处（$0.9-0.95\,R_J$）。