[論文レビュー] Clouds in the atmospheres of extrasolar planets. IV. On the scattering greenhouse effect of CO2 ice particles: Numerical radiative transfer studies

Daniel Kitzmann, A. B. C. Patzer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2013

Atmospheric aerosols and clouds参考文献 37被引用数 17

ひとこと要約

本研究は、高次放射移動モデルを用いて、系外惑星の大気中のCO₂氷雲の散乱温室効果を調査した。二流近似では温室効果が高めに見積もられていることが判明し、CO₂氷雲の網状の温暖化効果は従来の予想よりもはるかに弱く、粒子のサイズと光学的厚さの狭い範囲でのみ有効であることが明らかになった。

ABSTRACT

Owing to their wavelengths dependent absorption and scattering properties, clouds have a strong impact on the climate of planetary atmospheres. Especially, the potential greenhouse effect of CO2 ice clouds in the atmospheres of terrestrial extrasolar planets is of particular interest because it might influence the position and thus the extension of the outer boundary of the classic habitable zone around main sequence stars. We study the radiative effects of CO2 ice particles obtained by different numerical treatments to solve the radiative transfer equation. The comparison between the results of a high-order discrete ordinate method and simpler two-stream approaches reveals large deviations in terms of a potential scattering efficiency of the greenhouse effect. The two-stream methods overestimate the transmitted and reflected radiation, thereby yielding a higher scattering greenhouse effect. For the particular case of a cool M-type dwarf the CO2 ice particles show no strong effective scattering greenhouse effect by using the high-order discrete ordinate method, whereas a positive net greenhouse effect was found in case of the two-stream radiative transfer schemes. As a result, previous studies on the effects of CO2 ice clouds using two-stream approximations overrated the atmospheric warming caused by the scattering greenhouse effect. Consequently, the scattering greenhouse effect of CO2 ice particles seems to be less effective than previously estimated. In general, higher order radiative transfer methods are necessary to describe the effects of CO2 ice clouds accurately as indicated by our numerical radiative transfer studies.

研究の動機と目的

• 系外惑星の気候に及ぼすCO₂氷雲の放射的影響、特に散乱温室効果による外縁の生命的可住圏の拡張可能性を評価すること。
• 簡易な二流放射移動法を用いた先行研究と、より正確な高次放射移動法との間に生じる矛盾を解消すること。
• 星のスペクトル型、特に低温のM型の星を対象として、温室効果が粒子のサイズ、光学的厚さ、星の種類にどのように依存するかを特定すること。
• 特に初期の火星や潮汐ロックされた系外惑星において、CO₂氷雲が表面を顕著に温暖化できるかどうかを評価すること。
• 将来的なCO₂氷雲を含む系外惑星の気候モデル化のためのより正確な放射移動フレームワークを提供すること。

提案手法

• CO₂氷粒子の波長依存の消光、散乱、吸収断面積を、有効半径（0.1–200 μm）の範囲でMie理論を用いて計算した。
• 垂直方向の入射角が60°の単一の大気層において、高精度な放射移動計算を、離散座標法（DISORT）を用いて実施した。
• DISORTの結果を、より単純な二流放射移動近似と比較し、先行研究における系統的誤差を定量化した。
• さまざまな光学的厚さと粒子サイズにおける、星からの放射および熱放射のスペクトル反射率と透過率をシミュレートした。
• CO₂氷の実際の屈折率データ（Hansen, 1997, 2005; Warren, 1986）を組み込み、光学的性質の正確なモデル化を確保した。
• 特に効果温度が低い星（T_eff < 3500 K）を対象として、異なる星のスペクトル型におけるネット放射的効果を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系外惑星の大気中におけるCO₂氷雲の散乱温室効果は、粒子のサイズと光学的厚さにどのように依存するか？
• RQ2 二流放射移動近似は、高次手法と比較して、CO₂氷雲の温室効果をどの程度高めに見積もっているか？
• RQ3 赤色矮星（特に赤外線ピークを持つ低温のM型星）の周囲におけるCO₂氷雲のネット気候的効果は何か？
• RQ4 CO₂氷雲の形成が、冷却や放射的中立性ではなく、表面のネット温暖化を引き起こす条件は何か？
• RQ5 表面のアルベドとレイノルズ散乱は、散乱温室効果の有効性にどのように影響するか？

主な発見

• 高次DISORTシミュレーションでは、特に低温の星を対象とした場合、CO₂氷雲の散乱温室効果は二流モデルが予測するよりも顕著に弱いことが判明した。
• M型星では、有効半径が約1 μmのCO₂氷雲はネット冷却効果を示すが、粒子が1 μm前後で光学的厚さが1〜10の範囲にある場合にのみ弱いネット温暖化効果が観察された。
• 有効半径0.1 μmの粒子は、特に低温の星において、高い光学的厚さであっても放射的に中立的である。
• 二流法は透過および反射放射を高めに見積もっており、一部のパrameter領域では温室効果が最大2倍まで高めに見積もられていることが判明した。
• 星の効果温度が高くなるほど、ネット温室効果は増大するが、T_eff < 3500 Kの星では、依然として無視できるか中立的である。
• これらの結果は、外縁の生命的可住圏の境界が、従来の推定よりも母星に近い位置にあるべきであることを示唆しており、再評価されたCO₂衝突誘起吸収と併せると、特にその傾向が顕著である。