[論文レビュー] Global-Mean Vertical Tracer Mixing in Planetary Atmospheres

Xi Zhang, Adam P. Showman|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2018

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、惑星の大気における有効1次元渦拡散係数（K_eff）の第一原理理論を構築し、それが循環の強さ、水平混合、および化学的・微物理的源・ sink に依存することを示している。K_effが非拡散的または物質に依存することを明らかにし、特に恒星に潮汐ロックされた系外惑星において、全 tracer にわたる均一な拡散係数という標準的仮定が誤りであることを示している。

ABSTRACT

Most current atmospheric chemistry models and haze and cloud formation models for solar system planets and extra-solar planets adopt a 1D chemical-diffusion approach to approximate the global-mean vertical tracer transport. The physical underpinning of the key parameter in this framework, eddy diffusivity, is usually obscure. Here we analytically and numerically investigate vertical tracer transport in a 3D stratified atmosphere and predict the effective 1D eddy diffusivity K_eff, commonly called K_zz in 1D models. We find that K_eff strongly depends on the large-scale circulation strength, horizontal mixing due to eddies and waves and local tracer sources and sinks due to chemistry and microphysics. We also find that the global-mean vertical tracer mixing does not always behave diffusively. If the chemical and microphysical processes are non-uniformly distributed across the globe-for example, photochemistry or cloud formation on tidally locked planets-a significant non-diffusive component might lead to a negative K_eff under the diffusive assumption in some situations. Even in the diffusive regime, the traditional assumption in the current 1D models that all chemical species are transported via the same eddy diffusivity generally breaks down. Different chemical species in a single atmosphere should in principle have different eddy diffusion profiles. We find that K_eff increases with tracer chemical lifetime and circulation strength but decreases with horizontal eddy mixing efficiency. Numerical simulations of 2D and 3D tracer transport on fast-rotating zonal-symmetric planets and tidally locked exoplanets confirm our analytical K_eff theory over a wide parameter space. Using species-dependent eddy diffusivity, we provide a new analytical theory of the dynamical quenching points for disequilibrium tracers on tidally locked planets from first principles.

研究の動機と目的

• 1次元大気化学モデルで用いられる渦拡散係数（K_eff）の物理的基盤を明確化すること。
• 大規模循環、波動および渦混合、非一様な化学的源が、全球平均の垂直 tracer 輸送に与える影響を調査すること。
• 特に、非一様な光化学反応または雲生成を示す潮汐ロックされた系外惑星において、1次元モデルにおける拡散仮定の妥当性を検証すること。
• 非平衡 tracer プロファイルの予測を改善するため、物質に依存する K_eff の理論を導出すること。
• 潮汐ロックされた惑星大気における動的クエンチポイントを、物理的に根拠を持つ枠組みで確立すること。

提案手法

• 分層流下での3次元 tracer トランスポート方程式から、有効1次元渦拡散係数（K_eff）を解析的に導出すること。
• 高速回転および潮汐ロックされた惑星における2次元および3次元 tracer トランスポートの数値シミュレーションを実施し、解析的 K_eff モデルの妥当性を検証すること。
• 変動する tracer の化学的寿命、水平渦混合効率、大規模循環の強さを K_eff フレームワークに組み込むこと。
• 第一原理モデルを用いて、非一様な化学反応および循環を考慮した非平衡 tracer の動的クエンチポイントを導出すること。
• 拡散的および非拡散的状態における K_eff の予測を比較し、モデル仮定の妥当性を評価すること。
• 強い昼夜差を示す実際の惑星事例、特に系外惑星への理論の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模循環の強さは、惑星大気における有効垂直渦拡散係数（K_eff）にどのように影響するか？
• RQ2 波動および渦による水平混合は、全球平均の垂直 tracer 輸送にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 非一様な化学的または微物理的源のため、1次元モデルにおける標準的拡散仮定が破綻する可能性があるか？
• RQ4 不均一な化学反応を示す大気において、すべての化学種に同一の K_eff を仮定するという仮定がなぜ失敗するのか？
• RQ5 潮汐ロックされた系外惑星において、第一原理から非平衡 tracer の動的クエンチポイントを予測するにはどうすればよいか？

主な発見

• K_eff は tracer の化学的寿命および大規模循環の強さに比例し、上昇気流が強いと垂直輸送が強化されることを反映している。
• K_eff は水平渦混合効率が高くなるほど低下し、水平方向の分散が垂直混合の必要性を減少させるためである。
• 化学的または微物理的過程が空間的に非一様な場合、非拡散的 tracer 輸送が発生し、拡散仮定下では負の K_eff が生じる可能性がある。
• 従来の1次元モデルにおける全物質に同一の K_eff を仮定するという仮定は誤りであり、異なる tracer には別個の渦拡散係数プロファイルが必要である。
• 数値シミュレーションにより、高速回転および潮汐ロックされた系外惑星を含む広範な惑星パラメータ範囲で、解析的 K_eff 理論の妥当性が確認された。
• 非一様な化学反応と物質に依存する K_eff を組み込んだ第一原理から導出された、動的クエンチポイントの新しい解析的理論が得られた。