[論文レビュー] 3D mixing in hot Jupiter atmospheres. I. application to the day/night cold trap in HD 209458b

Vivien Parmentier, Adam P. Showman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2013

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用数 135

ひとこと要約

本研究では、HD 209458bの3次元大気循環をモデル化し、昼と夜の冷害帯（condensable種が冷却される夜側で凝縮・沈降する領域）に対し、垂直混合がどのように対抗するかを評価する。その結果、大規模な循環が、乱流ではなく、効果的な渦拡散係数 $ K_{zz} = 5 \times 10^4 / \sqrt{P_{\text{bar}}} \, \text{m}^2\text{s}^{-1} $ を持つ強力な垂直混合を駆動し、TiOが上層にとどまるのは、粒子が数マイクロメートル未塔のときのみであることが判明。それ以外の場合は、大気がTiOを失い、成層圏加熱が抑制される。

ABSTRACT

Hot Jupiters exhibit atmospheric temperatures ranging from hundreds to thousands of Kelvin. Because of their large day-night temperature differences, condensable species that are stable in the gas phase on the dayside, such as TiO and silicates, may condense and gravitationally settle on the nightside. Atmospheric circulation may counterbalance this tendency to gravitationally settle. This three dimensional (3D) mixing of chemical species has not previously been studied for hot Jupiters, yet it is crucial to assess the existence and distribution of TiO and silicates in the atmospheres of these planets. We perform 3D global circulation models of HD209458b including passive tracers that advect with the 3D flow, including a source/sink on the nightside to represent condensation and gravitational settling of haze particles. We show that global advection patterns produce strong vertical mixing that can keep condensable species lofted as long as they are trapped in particles of sizes of a few microns or less on the night side. We show that vertical mixing results not from small-scale convection but from the large-scale circulation driven by the day-night heating contrast. Although this vertical mixing is not diffusive in any rigorous sense, a comparison of our results with idealized diffusion models allows a rough estimate of the vertical diffusion coefficient. Kzz=5x10**4/Sqrt(Pbar) m2/s can be used in 1D models of HD 209458b. Moreover, our models exhibit strong spatial and temporal variability in the tracer concentration that could result in observable variations during transit or secondary eclipse measurements. Finally, we apply our model to the case of TiO in HD209458b and show that the day-night cold trap would deplete TiO if it condenses into particles bigger than a few microns on the planet's night side, making it unable to create the observed stratosphere of the planet.

研究の動機と目的

• ホット・ジュピターの大気における3次元大気循環が、TiOなどの凝縮可能な種の垂直混合に与える影響を理解すること。
• TiOが夜側で凝縮する昼と夜の冷害帯が、大気中のTiOを枯渇させ、成層圏加熱を防ぐ可能性があるかどうかを評価すること。
• 1次元モデルに使用可能な、安定に層巻された大気における効果的垂直渦拡散係数 ($K_{zz}$) を定量化すること。
• 循環と粒子沈降の結合による、トレーサー濃度の空間的・時間的変動を調査すること。
• HD 209458bの transit および2次的食測定において、そのような変動が観測可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 凝縮可能な種を表すトレーサーを用いた、HD 209458bの大気における3次元一般循環モデル（GCM）を用いて、大気循環をシミュレートした。
• トレーサーは3次元流れに従って輸送され、夜側に凝縮して粒子化し、重力沈降するのを模倣するための源・ sink 項を含めた。
• 垂直混合効率への影響を評価するため、サブマイクロメートルから約5 µmまでの粒子サイズをシミュレーションした。
• 3次元モデルの結果と理想化された拡散モデルを比較することで、効果的垂直渦拡散係数 ($K_{zz}$) を推定した。
• TiOが昼側でガス相にとどまる条件を特定するため、HD 209458bにおけるTiOにモデルを適用した。
• トランジットおよび2次的食の光曲線における観測可能性を評価するため、トレーサー濃度の空間的・時間的変動を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元大気循環は、ホット・ジュピターの夜側で重力沈降を防ぐために、TiOなどの凝縮可能な種を十分に垂直に混合できるか？
• RQ2 HD 209458bの安定に層巻された大気における効果的垂直渦拡散係数 ($K_{zz}$) は何か？また、1次元モデルにパラメータ化可能か？
• RQ3 夜側での粒子サイズと凝縮効率は、昼側の大気中のTiO濃度にどのように影響するか？
• RQ4 大規模循環と粒子沈降の結合によって生じるトレーサー濃度の空間的・時間的変動は、どのようなものか？
• RQ5 HD 209458bのトランジットまたは2次的食測定で、そのような変動が観測可能か？

主な発見

• HD 209458bにおける垂直混合は、小規模な対流ではなく、大規模な循環によって駆動されており、粒子が数マイクロメートル未塔の場合は、凝縮種を浮遊させるのに十分な強さである。
• 効果的垂直渦拡散係数は、$ K_{zz} = 5 \times 10^4 / \sqrt{P_{\text{bar}}} \, \text{m}^2\text{s}^{-1} $ としてパラメータ化され、約1 barから約1 µbarの範囲で有効であり、1次元モデルへの応用が可能である。
• TiOが成層圏加熱を維持するためには、夜側で約5 µmより大きな粒子に凝縮してはならず、それ以上の大きさの粒子は枯渇を引き起こす。
• トレーサー濃度の空間的変動は顕著である：約0.1 barでは赤道域が極域よりも枯渇が顕著であり、約1 barでは昼と夜の差が顕在化する。
• 粒子サイズが約5 µmの場合、昼側濃度に最大約50％、縁上部では約75％の時間的変動が生じ、特徴的な時定数は数日から約100日程度である。
• このような変動は、高放射エネルギーを受ける惑星において、Keplerバンドパス光曲線で観測可能であり、特に2次的食マッピングや反射光変動によって検出可能である可能性がある。