[論文レビュー] Angular Momentum and Heat Transport on Tidally Locked Hot Jupiter Planets

João M. Mendonça|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 65被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、3次元大気一般循環モデルを用いて、強力な恒星放射加熱によって駆動される半日周期熱潮汐が、潮汐固定型ホット・ジュピターにおける角運動量輸送を支配し、平均気流と結合して強い西進赤道ジェットを駆動することを示した。主な発見は、このメカニズムが、日周期潮汐ではなく、ジェットを主に駆動していることであり、モデルは複数の定常解を明らかにした。その中には、上層大気から下層大気へと熱と運動量を垂直に輸送する間接的大気循環が含まれており、これがグローバルな熱ポンプとして機能する。

ABSTRACT

The atmospheric circulation in the upper atmosphere of hot Jupiter planets is strongly influenced by the incoming stellar radiation. In this work we explore the results from a 3D atmospheric model and revisit the main processes driving the circulation in hot Jupiter planets. We use the angular momentum transport as a diagnostic and carry out a Fourier analysis to identify the atmospheric waves involved. We find that the coupling between the angular momentum transported horizontally by the semi-diurnal tide and the mean circulation is the mechanism responsible for producing the strong jet at low latitudes. Our simulations indicate the possible formation of atmospheric indirect cells at low latitudes. The formation of these cells is induced by the presence of the semi-diurnal tide that is driven by the stellar irradiation. The tropical circulation has an important impact transporting heat and momentum from the upper towards the lower atmosphere. One of the consequences of this heat and momentum transport is a global increase of the temperature. We show that the initial conditions do not affect the output of the reference simulation. However, when the period of rotation of the planet was increased ($P_{rot} > 5$ Earth days), vertical transport by stationary waves became stronger, transient waves became non-negligible, and Coriolis influence less dominant, which allowed a steady state with a strong retrograde jet to be stable. We found that at least two statically steady state solutions exist for the same planet parameters.

研究の動機と目的

• 潮汐固定型ホット・ジュピターにおける大気循環を駆動する支配的物理メカニズムを特定すること。
• 角運動量輸送が強い赤道ジェットを形成する役割を調査すること。
• 惑星の自転速度が循環の安定性および複数の定常解に与える影響を特定すること。
• 半日周期潮汐によって誘発される間接的大気循環の形成とその影響を調査すること。
• 初期条件およびモデルパラメータ（自転周期、散逸係数など）に対する循環の感度を評価すること。

提案手法

• グレイ放射移動スキームおよび対流調整を備えた3次元準静的一般循環モデル（GCM）が使用された。
• HadAM3フレームワークに基づく簡略化された動力学コアが採用され、効率的な数値積分が可能になった。
• フーリエ解析を用いて波成分を分解し、定常波、一時的波、平均流が運動量および熱輸送に寄与する寄与度を同定した。
• 角運動量輸送は垂直および水平フラックスを用いて診断された：平均循環の[ w ][ M ]、定常波の[ w* ][ M* ]、一時的波の[ w' ][ M' ]。
• 初期状態として静止状態および逆行風状態からシミュレーションを実行し、解の多重性および安定性を検証した。
• 平衡状態に達するまで最大26,500地球日をシミュレーションし、最終100日間の出力を解析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 潮汐固定型ホット・ジュピターにおける強い西進赤道ジェットを駆動する角運動量輸送の支配的メカニズムは何か？
• RQ2 半日周期熱潮汐は、間接的大気循環の形成にどのように寄与し、垂直方向の運動量および熱輸送に果たす役割は何か？
• RQ3 同一の惑星パラメータに対して複数の定常解が存在しうるか。それらを安定化させる条件は何か？
• RQ4 自転周期が、運動量輸送における定常波、一時的波、平均循環の相対的寄与度に与える影響は何か？
• RQ5 波誘発の垂直角運動量フラックスがジェットの維持および上層大気と下層大気の結合に果たす役割は何か？

主な発見

• 日周期潮汐ではなく、半日周期熱潮汐が赤道ジェットにおける角運動量輸送の支配的駆動要因であり、その水平構造は結合した赤道ロスビー・ケルビン波系として特定された。
• 半日周期潮汐と平均気流の結合により、圧力トルクが発生し、角運動量が中緯度方向へ勾配方向に輸送され、西進ジェットが加速される。
• 半日周期潮汐による大きな渦運動量収束が低緯度で発生し、これにより低緯度に間接的大気循環が形成され、上層大気から下層大気への熱および運動量の垂直輸送が可能になる。
• これらの間接的循環はグローバルな熱ポンプとして機能し、エネルギーをより深い大気層に堆積させ、全球温度を上昇させる。
• 自転周期が5地球日を超えると、定常波および一時的波による垂直輸送が強化され、複数の定常解が共存可能となり、安定な逆行ジェットも存在する。
• 基準シミュレーションでは初期条件が最終状態に影響しないが、長周期の自転条件下では解の多重性が顕在化し、観測された光曲線が複数の力学的状態を反映している可能性がある。