从气态巨行星到冰巨星：赤道喷流的统一形成机制

木星、土星、天王星和海王星等巨行星的大气中普遍存在显著的赤道急流，但其方向却呈现明显差异：木星和土星的赤道风向东吹（即与行星自转同向），被称为“超级自转”；而天王星和海王星的赤道风则向西吹（逆自转方向），称为“次级自转”。这一差异长期以来困扰着行星科学界，因为传统理论往往需要不同的机制来分别解释这两种现象。

然而，这四颗巨行星在物理特性上其实非常相似，例如它们的自转周期相近，赤道急流的穿透深度也类似。特别是天王星和海王星，不仅大小和质量接近，风场结构也非常相似，尽管它们的内部热辐射略有不同。这些共性提示我们，可能有一种统一的物理机制在背后驱动着所有巨行星的赤道急流形成。

过去的研究主要关注两种机制：一是由内部热量驱动的对流，二是由太阳辐射引起的斜压不稳定性。虽然某些模型能分别产生超级或次级自转，但这些模型通常基于薄层假设，无法解释观测到的深层、近乎正压的急流结构。此外，这些模型难以同时适用于气态和冰态巨行星。

本研究提出了一种新的统一解释。研究人员利用三维深对流数值模型进行模拟，发现在相同的物理条件下，系统可以自发演化出两种稳定状态：一种是超级自转，另一种是次级自转。这种现象被称为“分岔”，即系统的最终状态取决于初始微小扰动，而不是物理参数的根本差异。

关键机制在于“倾斜的柱状对流”。在快速旋转的球壳中，热对流会形成沿自转轴方向延伸的柱状结构。这些柱子的倾斜方向决定了角动量的输送方向：如果柱子向外倾斜，就会将角动量向外输送，导致赤道区域加速向东，形成超级自转；如果柱子未能触及外边界而在内部终止，形成凹形结构并向内倾斜，则会将角动量向内输送，导致赤道减速甚至反向，形成次级自转。

研究进一步分析了动量平衡，发现无论是超级自转还是次级自转，科里奥利力和涡动动量通量的收敛都被黏性力所平衡，表明旋转仍主导系统动力学。此外，两种状态下的赤道波性质也极为相似，相速度与理论预测的热罗斯贝波高度一致，显示出强烈的反对称性。

通过改变模拟中的壳层厚度（以内半径与外半径之比μ表示），研究发现了三种动力学区域：当壳层很深（μ < 0.88）时，只有超级自转稳定；当壳层较浅（μ > 0.97）时，只有次级自转稳定；而在中间范围（0.88 < μ < 0.97），两种状态都可能稳定存在，具体结果取决于初始条件。根据现有观测，土星的对流层较深，符合超级自转区域；而木星、天王星和海王星处于双稳态区域，理论上两种急流方向都可能出现。

这项研究的重要意义在于，它首次在统一框架下解释了气态和冰态巨行星赤道急流方向的差异，无需引入完全不同的物理机制。它表明，即使是看似对立的动力学现象，也可能源于同一基本过程的不同分支。这一发现不仅深化了我们对巨行星大气的理解，也为研究其他快速旋转天体（如恒星或系外行星）提供了新思路。