[論文レビュー] Exploring the Inner Edge of the Habitable Zone with Fully Coupled Oceans

M. J. Way, Anthony D. Del Genio+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Astro and Planetary Science被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、完全に結合された海洋一般循環モデル（GCM）を用いて、特にゆっくり回転する惑星において、生命的領域の内縁が従来の推定よりもはるかに星に近くなる可能性があることを示した。実際の海洋-大気結合を用いた回転速度と太陽放射の変動を模擬することで、雲フィードバックと海洋熱輸送が、高い放射量下でも温帯気候を安定化させることを示した。これは、初期の金星がこれらの条件下で生命可能性を有していた可能性を示唆している。

ABSTRACT

Rotation in planetary atmospheres plays an important role in regulating atmospheric and oceanic heat flow, cloud formation and precipitation. Using the Goddard Institute for Space Studies (GISS) three dimension General Circulation Model (3D-GCM) we investigate how the effects of varying rotation rate and increasing the incident stellar flux on a planet set bounds on a planet's habitable zone with its parent star. From ensemble climate simulations we identify which factors are the primary controllers of uncertainty in setting these bounds. This is shown in particular for fully coupled ocean (FCO) runs -- some of the first that have been utilized in this context. Results with a Slab Ocean (SO) of 100m mixed layer depth are compared with a similar study by Yang et al. 2014, which demonstrates consistency across models. However, there are clear differences for rotations rates of 1-16x present Earth sidereal day lengths between the 100m SO and FCO models, which points to the necessity of using FCOs whenever possible. The latter was recently demonstrated quite clearly by Hu & Yang 2014 in their aquaworld study with a FCO when compared with similar mixed layer ocean studies and by Cullum et al. 2014. We also show how these results have implications for Venus in the early history of our Solar System since even at this time Venus received more solar flux than Earth does today while it may still have had a slow retrograde rotation. The Venus runs utilize a 2.9Gya solar spectrum generated with the code of Claire et al. 2012, a modern Venus topography with an ocean filling the lowlands (giving an equivalent depth of 310 meters if spread across the entire surface), atmosphere of 1 bar N2, CO2=0.4mb, CH4=0.001mb and present day orbital parameters, radius, & gravity. We demonstrate that ancient Venus could have had quite moderate surface temperatures given these assumptions.

研究の動機と目的

• 完全に結合された海洋-大気モデルを用いて、惑星の回転速度と放射量が生命領域の内縁に与える影響を調査すること。
• 海洋動力学の影響が気候安定性に与える影響を評価するため、完全に結合された海洋モデルとスラブ海洋モデルの結果を比較すること。
• 雲のパラメータ化と大気成分が、惑星の表面温度と生命可能性を決定づける役割を評価すること。
• ゆっくり回転し、高い放射量を受ける系外惑星の事例として、初期の金星の気候的状態を検討すること。
• スラブ海洋モデルが、生命領域の内縁付近の気候遷移をシミュレートする際に抱える限界を評価すること。

提案手法

• ゴッドハード宇宙科学研究所（GISS）の3次元一般循環モデル（GCM）を用い、完全に結合された海洋動力学と比較のための100mスラブ海洋を用いた。
• 完全に結合された走行では、現在の地球の海洋温度、塩分濃度、深さを初期条件としたが、スラブ海洋では水平方向の熱フラックス（Qフラックス）を0に設定した。
• 大気成分は現代の地球に合わせて設定した：N₂=980mb、CO₂=0.392bar、CH₄=0.00098bar、N₂O=0.00026bar、O₃=PAL、H₂O=PAL。
• 高高度の極域および低緯度の低高度で雲カバーを増やすために、強化された氷雲パラメータ化を適用し、長波放射雲放射強制を増加させた。
• 陸上表面のアルベドは均一に0.2に設定し、植生、氷、土壌水分の変動は考慮しない。モデルは4°×5°のグリッドと20層の垂直層を用いた。
• 回転周期は1xから256xの地球恒星日まで変化させ、太陽放射は現在の地球の100%から60%まで低下させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に結合された海洋動力学を組み込んだ場合、惑星の回転速度が生命領域の内縁位置に与える影響は何か？
• RQ2 完全に結合された海洋モデルとスラブ海洋モデルの間で、放射量増加に対する気候応答にどのような差が生じるか？
• RQ3 雲のパラメータ化と大気組成が、高い放射量下での全球平均地表面温度と気候安定性に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 完全に結合されたGCMによってシミュレートされたように、初期の金星が高放射量とゆっくり回転の下で温帯的かつ生命可能性を有していた可能性はあるか？
• RQ5 大気循環パターンの変化（例：ハデレー循環対日-夜循環）が、異なる回転速度下で雲分布と放射強制に与える影響は何か？

主な発見

• 完全に結合された海洋を用いた場合、特に1～16x地球日程度の回転周期の惑星では、海洋熱輸送と雲フィードバックのおかげで、生命領域の内縁が星にはるかに近くなる。
• 1xおよび16x地球日回転周期の条件下で、完全に結合された海洋では、特に熱帯および中緯度でスラブ海洋よりも高い惑星アルベドと高い雲量を示した。
• 完全に結合された海洋走行では、長波放射雲強制が強く、高放射量下でも惑星の温暖化と気候安定化に寄与した。
• ハデレー循環支配（1～16x）と日-夜循環支配（64x以上）の遷移は約64x地球日で発生し、雲量と地表面温度応答に急激な変化が見られた。
• 太陽放射が40%高い状態（S0X=1.4）でも、完全に結合された海洋モデルは地表面温度を350K未満に維持したため、金星に類似した条件下でも生命可能性が保証される可能性を示した。
• 2.9 Gaの太陽スペクトルとゆっくり回転（256x地球日）を想定したパラオ・ヴェンスシミュレーションでは、天頂点に高いアルベドと広範な雲カバーが見られ、安定した温帯的気候と整合的であった。