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Apr. 22 2026

模擬土衛六上的巨浪

  • 同樣的風力條件在土衛六(左)與地球(右)上引起的波浪狀態不同。Credit: Taylor Perron, Una Schneck, et al

    同樣的風力條件在土衛六(左)與地球(右)上引起的波浪狀態不同。Credit: Taylor Perron, Una Schneck, et al

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一項新研究表明,在地球上微風吹拂只能讓湖面泛起一絲漣漪,卻有可能在土衛六上掀起高達3公尺的巨浪。這種奇特現象由麻省理工學院的研究團隊所開發的新型波浪模型預測,該模型首次完整捕捉波浪複雜的流體動力學過程,以及在不同行星環境下波浪產生的條件。

這個被團隊命名為行星波(PlanetWaves)的新模型用來預測波浪在可能擁有液態湖泊或海洋的行星上的行為模式,包括土衛六、古代火星以及三顆系外行星。模型預測,在土衛六上即使是微風也足以掀起巨浪,因為土衛六的湖泊充滿了輕質的液態碳氫化合物。相較之下,在系外行星巨蟹座55e(55 Cancri e)上就算是颶風等級的暴風也難以撼動湖面,因為那裡是由熾熱高密度的液態岩漿所構成的熔岩世界。

土衛六是目前太陽系中除了地球以外已知唯一擁有液態湖泊的天體,若未來要向土衛六的湖泊發射探測器,就必須設計能承受海浪能量的裝置,因此瞭解要面對哪種類型的海浪是重要的課題。研究團隊為此開發的模型將表面液體的密度、黏滯性、表面張力和抵抗波紋的能力都納入考量,還加入了行星大氣壓力的影響要素。他們首先利用地球上的波浪數據為模型進行測試,使用了蘇必略湖上的浮標在過去20年收集的波浪測量數據。他們發現模型能在地球重力、液體成分(水)和地球大氣條件下準確預測能在湖面產生波浪的風速以及在特定風力下波浪的增長高度,隨後便將模型運用到其他天體上。

團隊接著模擬土衛六湖泊的海浪型態,發現在土衛六上造浪十分容易,相對較輕的液體與低重力意味著微風也能掀起巨浪。具體來說,若站在湖邊感受到微風,會看到巨大的波浪在慢動作中移動,與在地球上看到的景象截然不同。 團隊也考慮了遠古火星的波浪活動,火星上有許多撞擊盆地,在火星大氣層消散前這些盆地有可能一直被水覆蓋。其中一個盆地為目前NASA毅力號探測的耶澤羅撞擊坑,結果表明隨著火星大氣逐漸消失,氣壓隨時間降低,會需要更強的風才能形成相同的波浪。

在太陽系外,研究團隊將此模型應用在三個系外行星。第一個是LHS1140b,它是一顆冷超級地球,比地球更冷、體積更大。這顆行星上存在液態水,但由於體積巨大,重力也更強。模型顯示由於重力差異,地球上同樣的風在超級地球上產生的水浪要小得多。第二個是克卜勒-1649b (Kepler-1649b),這是一顆類似金星的行星,重力與地球相似,並擁有硫酸湖,硫酸的密度約為水的兩倍。研究人員發現,與地球相比,在這顆系外行星上需要強風才能激起一絲漣漪。第三個行星是巨蟹座55e(55 Cancri e)這種效應更明顯,這是一顆熔岩世界,其表面重力比地球高,液體的黏滯性與密度也更高。在這顆行星的液態岩石海洋中,時速120公里的颶風只能掀起幾公分高的波浪。

除了揭示波浪在其他行星上的行為外,研究團隊還希望新模型能幫助解答行星地形形成這一類長期存在的難題。與地球上河流入海口經常形成三角洲不同,土衛六上幾乎沒有三角洲地貌,這是否由海浪造成?也許新的模型將能解開這類謎團。

影片:由麻省理工學院開發的新模型可預測不同行星環境下的波浪行為。

資料來源:Phys.org

原始論文(Open Access):Una G. Schneck et al, Modeling Wind‐Driven Waves on Other Planets: Applications to Mars, Titan, and Exoplanets, Journal of Geophysical Research: Planets (2026). DOI: 10.1029/2025je009490

PlanetWaves(免費公開):  Cornell-MIT

本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。

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