[论文解读] Jupiter and Saturn Rotation Periods

Ravit Helled, G. Schubert+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2009

Astro and Planetary Science参考文献 15被引用 24

一句话总结

本文提出通过最小化木星和土星等压面的动力高度，结合纬向风数据与掩星半径数据，推断其自转周期。该方法得出木星自转周期为9小时54分29.7秒，土星为10小时32分35秒，多种方法结果一致，支持土星自转比以往认为更快的观点。

ABSTRACT

Anderson & Schubert (2007, Science,317,1384) proposed that Saturn's rotation period can be ascertained by minimizing the dynamic heights of the 100 mbar isosurface with respect to the geoid; they derived a rotation period of 10h 32m 35s. We investigate the same approach for Jupiter to see if the Jovian rotation period is predicted by minimizing the dynamical heights of its isobaric (1 bar pressure level) surface using zonal wind data. A rotation period of 9h 54m 29s is found. Further, we investigate the minimization method by fitting Pioneer and Voyager occultation radii for both Jupiter and Saturn. Rotation periods of 9h 55m 30s and 10h 32m 35s are found to minimize the dynamical heights for Jupiter and Saturn, respectively. Though there is no dynamical principle requiring the minimization of the dynamical heights of an isobaric surface, the successful application of the method to Jupiter lends support to its relevance for Saturn. We derive Jupiter and Saturn rotation periods using equilibrium theory in which the solid-body rotation period (no winds) that gives the observed equatorial and polar radii at the 100 mbar level is found. Rotation periods of 9h 55m 20s and 10h 31m 49s are found for Jupiter and Saturn, respectively. We show that both Jupiter's and Saturn's shapes can be derived using solid-body rotation, suggesting that zonal winds have a minor effect on the planetary shape for both planets. The agreement in the values of Saturn's rotation period predicted by the different approaches supports the conclusion that the planet's period of rotation is about 10h 32m.

研究动机与目标

• 通过将动力高度最小化方法应用于大气等压面，确定木星和土星的自转周期。
• 检验此前仅针对土星提出的最小化方法是否适用于木星并具有有效性。
• 评估纬向风对行星形状的影响，判断刚体自转是否主导行星形状。
• 利用掩星数据与重力数据，为土星自转周期提供独立约束，解决因射电信号变化带来的不确定性。
• 通过识别一个物理解释一致的自转速率，调和由磁场与射电观测得出的相互矛盾的自转周期。

提出的方法

• 通过调整自转周期，最小化相对于大地水准面的1巴（木星）和100毫巴（土星）等压面的动力高度变化。
• 利用空间探测器（先驱者、旅行者、卡西尼）的纬向风剖面数据，计算流体静力平衡流与动力高度异常。
• 应用形状理论，根据给定的自转周期与密度分布，计算行星形状（赤道半径与极半径）。
• 将观测到的掩星半径（先驱者/旅行者）在100毫巴水平与基于自转周期推导的模型半径进行拟合，使残差最小化。
• 将动力高度最小化结果与假设刚体自转的平衡理论结果进行比较。
• 在木星上验证该方法，因其真实自转周期已知，以评估其在土星上的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 动力高度最小化方法能否成功推断出已知的木星自转周期，从而验证其在土星上的适用性？
• RQ2 利用纬向风数据，何种自转周期能使木星1巴等压面的动力高度变化最小化？
• RQ3 在最小化动力高度的前提下，何种自转周期最能拟合先驱者与旅行者在土星100毫巴水平的掩星半径？
• RQ4 与刚体自转相比，纬向风在多大程度上改变了木星与土星的形状？
• RQ5 是否存在一个由多种独立方法（包括重力数据与大气动力学）共同得出的一致自转周期？

主要发现

• 动力高度最小化方法得出的木星自转周期为9小时54分29.7秒 ± 1分钟，与国际天文学联合会系统III的自转周期9小时55分29.7秒一致。
• 利用先驱者与旅行者在100毫巴水平的掩星数据，该方法得出木星的最佳拟合自转周期为9小时55分27秒，与已知值高度一致。
• 将相同方法应用于土星100毫巴掩星数据，得出其自转周期为10小时32分35秒，与Anderson & Schubert（2007）的结果一致。
• 假设刚体自转的平衡理论方法得出木星自转周期为9小时55分20秒，土星为10小时31分49秒，两者均与最小化方法结果一致。
• 由纬向风引起的动力形变对木星与土星的行星形状影响可忽略不计；行星形状主要由自转主导，而非风引起的形变。
• 多个独立方法——动力高度最小化、掩星拟合与平衡理论——均得出约10小时32分的稳定结果，支持土星自转速率快于旅行者时代估计的10小时39分22秒。