压缩$\beta$效应：行星纬向风的来源？

像木星和土星这样的巨行星在其表面呈现出强烈的纬向风模式。尽管过去几十年已提出几种可能驱动这些喷流的机制，但纬向风的起源仍不清楚。在此，我们探讨了行星自转与对流流体的压缩和膨胀相互作用是否可以通过 Ingersoll 和 Pollard (1982) 最初提出的压缩 Rhines 型机制驱动多个深层纬向喷流。在某种极限下，这种深层机制在数学上被证明类似于可能在云层高度运作的经典 Rhines 机制。预测喷流将出现在压缩 Rhines 长度 $l_R = (2 \Omega \langle H_\rho^{-1} \rangle v_{jet}^{-1} )^{-1/2}$ 上，其中 $\Omega$ 是角速度，$\langle H_\rho^{-1} \rangle$ 是平均逆密度标高，$v_{jet}$ 是典型喷流速度。使用非弹性近似进行的二维数值模拟表明，该机制能稳健地生成预测宽度的喷流，并且通常在深度超过 $O(l_R)$ 的系统中主导动力学。观察到位涡阶梯自发形成，并通常伴随着不稳定分层的浮力阶梯。该机制仅在大旋转速率下运作，超过了球壳中深层对流三维模拟中通常达到的速率。应用于木星和土星时，压缩 Rhines 标度合理地拟合了现有观测结果。有趣的是，即使是像地核中那样微弱的垂直密度变化也能产生大量喷流，导致与此处通常使用的 Boussinesq 模型预测 fundamentally 不同的流动结构。