[論文レビュー] An Analytic Radiative-Convective Model for Planetary Atmospheres

Tyler D. Robinson, David C. Catling|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、2流束近似によるグレー放射移動と静水圧平衡、およびべき乗則による圧力-光学的厚さスケーリングを組み合わせた、簡略化された解析的1次元放射対流モデルを提案する。このモデルは、温度、放射フラックス、対流フラックスの閉形式の式を導出し、金星、木星、土星の主要な特徴を正確に再現するとともに、放射加熱と対流冷却が安定層で釣り合う場合に中対流圏に分離した対流領域が形成される条件を明らかにした。

ABSTRACT

We present an analytic 1-D radiative-convective model of the thermal structure of planetary atmospheres. Our model assumes that thermal radiative transfer is gray and can be represented by the two-stream approximation. Model atmospheres are assumed to be in hydrostatic equilibrium, with a power law scaling between the atmospheric pressure and the gray thermal optical depth. The convective portions of our models are taken to follow adiabats that account for condensation of volatiles through a scaling parameter to the dry adiabat. By combining these assumptions, we produce simple, analytic expressions that allow calculations of the atmospheric pressure-temperature profile, as well as expressions for the profiles of thermal radiative flux and convective flux. We explore the general behaviors of our model. These investigations encompass (1) worlds where atmospheric attenuation of sunlight is weak, which we show tend to have relatively high radiative-convective boundaries, (2) worlds with some attenuation of sunlight throughout the atmosphere, which we show can produce either shallow or deep radiative-convective boundaries, depending on the strength of sunlight attenuation, and (3) strongly irradiated giant planets (including Hot Jupiters), where we explore the conditions under which these worlds acquire detached convective regions in their mid-tropospheres. Finally, we validate our model and demonstrate its utility through comparisons to the average observed thermal structure of Venus, Jupiter, and Titan, and by comparing computed flux profiles to more complex models.

研究の動機と目的

• 放射的および対流的エネルギー輸送を捉えた、取り扱いやすく解析的な惑星の熱的構造モデルの開発。
• 惑星の大気において放射対流境界が形成され、進化する条件の理解。
• 強い放射加熱を受ける巨大惑星における中対流圏の分離対流領域の出現の探求。
• 金星、木星、土星の観測された熱的構造と比較してモデルの妥当性を検証。
• より複雑な数値モデルとの比較を通じて、モデルの実用性を示すこと。

提案手法

• 簡略化と解析的取り扱いのため、2流束近似を用いたグレー放射移動を仮定。
• 大気圧力をグレー熱的光学的厚さのべき乗関数としてモデル化。
• 静水圧平衡を適用し、凝結が湿bulb乾燥断熱に与える影響を表すスケーリング係数を導入。
• これらの仮定に基づき、温度プロファイル、放射フラックス、対流フラックスの解析的式を導出。
• 数値反復を回避するため、放射的および対流的エネルギー収支を閉形式で解く。
• 金星、木星、土星の観測された熱的構造およびフラックスプロファイルと比較することで、結果の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽放射の減衰が弱い惑星の大気において、放射対流境界が形成される条件は何か？
• RQ2 大気中の太陽放射減衰の強さが、放射対流境界の深さと位置に与える影響は何か？
• RQ3 強い放射加熱を受けるガス惑星の中対流圏に分離した対流領域が形成される物理的条件は何か？
• RQ4 解析的モデルが、金星、木星、土星の観測された熱的構造をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 計算された放射フラックスおよび対流フラックスプロファイルが、より複雑な数値モデルの結果とどの程度一致するか？

主な発見

• 同じ物理的パラメータのセットを用いて、金星、木星、土星の観測された熱的構造をモデルが正確に再現した。
• 太陽放射減衰が弱い惑星では、上層大気での効率的な冷却により、相対的に高い放射対流境界が形成される。
• 中程度の太陽放射減衰を示す大気では、減衰の強さに応じて浅いまたは深い放射対流境界が形成される。
• 強い放射加熱を受ける巨大惑星では、放射加熱と対流冷却が安定層で釣り合う場合、中対流圏に分離した対流領域が形成される。
• 解析的モデルで計算された放射フラックスおよび対流フラックスプロファイルは、より複雑な数値モデルの結果と定量的に一致した。
• モデルは、表面対流が存在しない場合でも、中対流圏の対流が熱力学的に有利になるための臨界の星放射照度閾値を特定した。