[論文レビュー] The effect of internal gravity waves on cloud evolution in sub-stellar atmospheres

Parent, Amy, Falconer, Ruth E.+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、亜星の大気における内部重力波が、ほこりの核生成および被覆成長をどのように強化するかを調査しており、核生成率は最大20倍、成長率は最大1.6倍まで向上する。また、これらの波によって誘発される帯状雲構造の光度変動を観測することで、大気密度を推定する手法を提案している。

ABSTRACT

Sub-stellar objects exhibit photometric variability, which is believed to be caused by a number of processes, such as magnetically-driven spots or inhomogeneous cloud coverage. Recent models have shown that turbulent flows and waves, including internal gravity waves, may play an important role in cloud evolution. The aim of this paper is to investigate the effect of IGW on dust nucleation and dust growth, and whether observations of the resulting cloud structures could be used to recover atmospheric density information. For a simplified atmosphere in two dimensions, we numerically solved the governing fluid equations to simulate the effect on dust nucleation and mantle growth as a result of the passage of an IGW. Furthermore, we derived an expression that relates the properties of the wave-induced cloud structures to observable parameters in order to deduce the atmospheric density. Numerical simulations show that the $ ho, p, T$ variations caused by gravity waves lead to an increase of the nucleation rate by up to a factor 20, and an increase of the mantle growth rate by up to a factor 1.6, compared to their equilibrium values. An exploration of the wider parameter space shows that in absolute terms, the increase in nucleation due to IGW is stronger in cooler (T dwarfs) and TiO2-rich sub-stellar atmospheres. The relative increase, however, is greater in warmer (L dwarf) and TiO2-poor atmospheres due to conditions less suited for efficient nucleation at equilibrium. These variations lead to banded areas in which dust formation is much more pronounced, similar to the cloud structures observed on Earth. We show that IGW in the atmosphere of sub-stellar objects can produce banded clouds structures similar to that observed on Earth. We propose a method with which potential observations of banded clouds could be used to estimate the atmospheric density of sub-stellar objects.

研究の動機と目的

• 内部重力波が亜星大気におけるほこりの核生成および成長に与える影響を調査すること。
• 波によって誘発される雲構造が、大気密度を推定するために利用可能かどうかを特定すること。
• 重力波によって引き起こされる周期的な密度、圧力、温度の摂動に対するほこり形成プロセスの応答をモデル化すること。
• 観測可能な量に基づく式を導出し、帯状雲構造の特徴と亜星物体の大気密度を結びつけること。

提案手法

• 2次元流体力学の数値シミュレーションを用いて、重力波の伝播および大気熱力学への影響をモデル化する。
• 支配的流体方程式の解法により、内部重力波に起因する密度、圧力、温度の時間変動を計算する。
• 波によって変更された熱力学的条件を用いて、ほこりの核生成および被覆成長率を算出する。
• 光学的厚さおよび浮力周波数を介して、観測されたフラックス比（S₀/S₁）、波の摂動振幅、平衡大気密度ρ₀との関係を導出する。
• 浮力周波数Nおよび波のスケールL₀を用いて、波動力学から初期の密度摂動を推定する。
• 線形応答理論を適用し、観測されたフラックス変動と大気密度を関連づける。主な推定式として、ρ₀ ≈ exp(N²L₀/g) / [L₀κgχ (ln(S₀/S₁) − L₀κdρd₁)] を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部重力波は、亜星大気におけるほこりの核生成および被覆成長率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 波誘発の熱力学的摂動によって、ほこり形成がどの程度強化されるか？
• RQ3 重力波によって誘発される帯状雲構造は、褐色矮星の大気密度を推定するために利用可能か？
• RQ4 核生成および成長に及ぼす波誘発の変化は、大気温度および化学組成（例：TiO₂含有量）にどのように依存するか？
• RQ5 光度変動におけるどの観測的特徴が、大気ガス密度を推定するために利用可能か？

主な発見

• 内部重力波は、平衡状態と比較して、ほこりの核生成率を最大20倍まで向上させる。
• 波誘発の摂動により、ほこりの被覆成長率は最大1.6倍まで向上する。
• 核生成の絶対的増幅は、冷却されたT型矮星およびTiO₂を豊富に含む大気で最も顕著である。
• 相対的増幅は、より温暖なL型矮星およびTiO₂を乏しく含む大気で最大となり、これはベースラインの核生成が非効率であるためである。
• 波誘発の雲構造は、地球の波状雲に類似した帯状パターンを示し、観測可能なシグネチャーを示唆する。
• 導出された式により、観測されたフラックス比S₀/S₁、波のスケールL₀、変動の timescale から大気密度ρ₀を推定可能であり、典型的なパrameter値ではρ₀ ≈ 10⁻⁵ kg m⁻³が得られる。