[論文レビュー] Patchy nightside clouds on ultra-hot Jupiters: General Circulation Model simulations with radiatively active cloud tracers

Thaddeus D. Komacek, Xianyu Tan+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 244被引用数 54

ひとこと要約

本研究では、一般循環モデル（GCM）に放射的に活性な雲トレーサーを用いて、超高温木星の夜側に部分的雲が発生する現象をシミュレートした。動的過程と放射フィードバックが、大気下層を暖める部分的雲カバーを生じさせ、放射スペクトルを変化させることを明らかにした。シミュレーションでは、高高度の熱的逆転層により、夜側の雲が深部に閉じ込められ、透過スペクトルへの影響は限定的であるが、位相依存の放射スペクトルに検出可能な影響を及ぼすことが示された。

ABSTRACT

The atmospheres of ultra-hot Jupiters have been characterized in detail through recent phase curve and low- and high-resolution emission and transmission spectroscopic observations. Previous numerical studies have analyzed the effect of the localized recombination of hydrogen on the atmospheric dynamics and heat transport of ultra-hot Jupiters, finding that hydrogen dissociation and recombination lead to a reduction in the day-to-night contrasts of ultra-hot Jupiters relative to previous expectations. In this work, we add to previous efforts by also considering the localized condensation of clouds in the atmospheres of ultra-hot Jupiters, their resulting transport by the atmospheric circulation, and the radiative feedback of clouds on the atmospheric dynamics. To do so, we include radiatively active cloud tracers into the existing MITgcm framework for simulating the atmospheric dynamics of ultra-hot Jupiters. We take cloud condensate properties appropriate for the high-temperature condensate corundum from CARMA cloud microphysics models. We conduct a suite of GCM simulations with varying cloud microphysical and radiative properties, and we find that partial cloud coverage is a ubiquitous outcome of our simulations. This patchy cloud distribution is inherently set by atmospheric dynamics in addition to equilibrium cloud condensation, and causes a cloud greenhouse effect that warms the atmosphere below the cloud deck. Nightside clouds are further sequestered at depth due to a dynamically induced high-altitude thermal inversion. We post-process our GCMs with the Monte Carlo radiative transfer code gCMCRT and find that the patchy clouds on ultra-hot Jupiters do not significantly impact transmission spectra but can affect their phase-dependent emission spectra.

研究の動機と目的

• 超高温木星の大気循環に及ぼす雲凝縮と放射フィードバックの役割を理解すること。
• 極端な温度を持つ系外惑星の大気における非一様な雲カバーとその放射的効果に関するモデル化のギャップを埋めること。
• 雲の分布と放射フィードバックが大気循環および熱構造に与える影響を調査すること。
• 雲の性質が観測可能な放射スペクトルおよび透過スペクトルに与える影響を検討すること。
• 超高温木星の気候における大気循環、雲の微物理、放射移動の相互作用を評価すること。

提案手法

• 超高温木星の大気循環をシミュレートするために、MITgcmフレームワークに放射的に活性な雲トレーサーを統合した。
• 超高温木星に適した高温度凝縮物を想定し、CARMAモデルのcorundum雲微物理を用いた。
• 粒子サイズや光学濃度などの異なる雲微物理的および放射的特性を持つGCMシミュレーションのセットを実施した。
• 合成スペクトルの後処理として、モンテカルロ放射移動コードgCMCRTを適用した。
• 強い温度勾配と高い恒星放射照度下での雲凝縮と輸送をシミュレートした。
• 雲の放射的効果が大気温度構造および風のパターンに与えるフィードバックを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射的に活性な雲トレーサーの導入が、超高温木星のシミュレートされた雲分布および大気循環にどのように影響を与えるか？
• RQ2 大気循環が、均一な雲カバーではなく、部分的（パッチワーク的）な雲カバーを夜側に生じさせる役割は何か？
• RQ3 雲の放射フィードバックが、熱的構造および雲の垂直分布に与える影響は何か？
• RQ4 部分的雲デッキが位相依存の放射スペクトルと透過スペクトルに与える影響は何か？
• RQ5 高高度の熱的逆転層の存在が、雲の閉じ込めおよび雲デッキの深さに与える影響は何か？

主な発見

• 部分的雲カバーは、一様な雲形成ではなく、大気循環と平衡凝縮の結果として、普遍的に得られるシミュレーション結果である。
• 雲は温室効果を引き起こし、特に部分的雲カバー領域では雲デッキの下層大気を暖める。
• 夜側の雲は、動的に誘発される高高度の熱的逆転層により深部に閉じ込められ、垂直拡大が制限される。
• 位相依存の放射スペクトルは部分的雲デッキの影響を受けるが、透過スペクトルはほとんど変化しない。
• 雲粒子サイズの低減と雲の光学濃度の増加は、より強い放射フィードバックを引き起こし、ピーク雲質量混合比を上昇させ、垂直混合効率を変化させる。