[論文レビュー] Consistent Static Models of Local Thermospheric Composition Profiles

J. M. Picone, J. T. Emmert+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Gas Dynamics and Kinetic Theory参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、駆動力のない多流体運動方程式を解くことにより、局所的な熱圏組成プロファイルの物理的に整合性のある静的モデルを提案する。3つの高度領域—下部熱圏（z < ~100 km）では複合流体の流れ、上部熱圏（z > ~200 km）では個々の種の流れが独立しており、遷移領域が存在することを特定し、拡散平衡ではなく静水的平衡が真に定常な組成プロファイルを提供することを示している。

ABSTRACT

The authors investigate the ideal, nondriven multifluid equations of motion to identify consistent (i.e., truly stationary), mechanically static models for composition profiles within the thermosphere. These physically faithful functions are necessary to define the parametric core of future empirical atmospheric models and climatologies. Based on the strength of interspecies coupling, the thermosphere has three altitude regions: (1) the lower thermosphere (herein z &lt; ~100 km), in which all species move together at the composite fluid velocity with an effective particle mass equal to the average particle mass of the composite fluid; (2) the upper thermosphere (herein z &gt; ~200 km), in which the species flows are approximately uncoupled; and (3) a transition region in between, where the effective species particle mass and the effective species vertical flow interpolate between the solutions for the upper and lower thermosphere. We place this view in the context of current terminology within the community, i.e., a fully mixed (lower) region and an upper region in diffusive equilibrium (DE). The latter condition, DE, currently used in empirical composition models, does not represent a truly static composition profile in the presence of finite thermal diffusion. Rather, species by species hydrostatic balance is a consistent (i.e., stationary) static representation of vertical thermospheric composition profiles.

研究の動機と目的

• 外部力がないという仮定の下で、流体力学の基礎に整合する物理的に忠実な定常的組成プロファイルモデルを構築すること。
• 有限の熱拡散が存在する状況では真の定常状態を表さないにもかかわらず、現在の経験的モデルに多く用いられる拡散平衡に起因する不整合を解消すること。
• 運動量保存および質量保存の第一原理に基づき、将来の経験的大気モデルや気候学的モデルのパrametricコアを定義すること。
• 下部、上部、遷移領域という3つの明確な高度領域における熱圏種の力学的挙動を明確にすること。
• 拡散平衡という物理的に整合性のない仮定に代わり、静水的平衡を真に定常な組成プロファイルの正しい表現とすること。

提案手法

• 外部力のない理想化された多流体運動方程式を解き、機械的に整合性のある定常解を同定する。
• 下部熱圏（z < ~100 km）における種間結合をモデル化するため、有効粒子質量および流れの速度の概念を適用する。
• 上部熱圏（z > ~200 km）では、種が概ね独立しているため、個別に種ごとの流れの解を用いる。
• 遷移領域（~100–200 km）では、下部領域と上部領域の間で有効粒子質量および垂直方向の流れを補間する。
• 現在の経験的モデルで用いられている拡散平衡と、静水的平衡を定常解として比較し、物理的整合性を検証する。
• 種ごとに特化した静水的平衡の解析的表現を導出し、真に定常な組成プロファイルを表現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部力がないという仮定の下で、熱圏組成プロファイルの物理的に整合性のある定常解は何か？
• RQ2 種間結合は熱圏全体でどのように変化するのか？そして、結合している領域と独立している領域の境界はどのように定義されるのか？
• RQ3 有限の熱拡散が存在する状況で、なぜ広く用いられている拡散平衡の仮定が真の定常解ではないのか？
• RQ4 機械的平衡を満たす垂直方向の組成プロファイルの正しい物理的表現は何か？
• RQ5 静水的平衡をどのように将来の経験的大気モデルや気候学的モデルの基盤として用いることができるか？

主な発見

• 下部熱圏（z < ~100 km）は、混合物の平均質量に等しい有効粒子質量を持つ単一の複合流体として振る舞う。
• 上部熱圏（z > ~200 km）では、種の流れは概ね独立しており、個別に取り扱える。
• 遷移領域（~100–200 km）では、有効粒子質量および垂直方向の流れの速度が下部領域と上部領域の間で補間された挙動を示す。
• 現在の経験的モデルで用いられている拡散平衡は、有限の熱拡散効果のため、物理的に整合性のない定常解である。
• 種ごとの静水的平衡が、真に定常な垂直熱圏組成プロファイルを物理的に整合性を持って表現する唯一の方法であると特定された。
• 本研究は、将来の経験的大気モデルのパrametricコアにおいて、拡散平衡を静水的平衡に置き換える理論的基盤を提供する。