[論文レビュー] Three-dimensional Atmospheric Circulation of Warm and Hot Jupiters: Effects of Orbital Distance, Rotation Period, and Non-Synchronous Rotation

Adam P. Showman, Nikole K. Lewis+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、広範な公軌道距離、自転速度、恒星放射照度の範囲において、温 warmer およびホット・ジュピターの3次元大気循環モデルを提示する。その結果、自転速度が増加し、放射照度が低下するに従い、昼夜加熱によって駆動される超回転赤道ジェットから、熱力安定性不安定性によって駆動される中緯度東方ジェットへの動的転移が明らかになった。主な貢献は、赤外線光曲線およびスペクトルがこれらの循環状態を区別できることを特定し、今後の観測から自転速度と加熱メカニズムを推定可能であることを示したことである。

ABSTRACT

Efforts to characterize extrasolar giant planet (EGP) atmospheres have so far emphasized planets within 0.05 AU of their stars. Despite this focus, known EGPs populate a continuum of orbital separations from canonical hot Jupiter values (0.03-0.05 AU) out to 1 AU and beyond. Unlike typical hot Jupiters, these more distant EGPs will not in general be synchronously rotating. In anticipation of observations of this population, we here present three-dimensional atmospheric circulation models exploring the dynamics that emerge over a broad range of rotation rates and incident stellar fluxes appropriate for warm and hot Jupiters. We find that the circulation resides in one of two basic regimes. On typical hot Jupiters, the strong day-night heating contrast leads to a broad, fast superrotating (eastward) equatorial jet and large day-night temperature differences. At faster rotation rates and lower incident fluxes, however, the day-night heating gradient becomes less important, and baroclinic instabilities emerge as a dominant player, leading to eastward jets in the midlatitudes, minimal temperature variations in longitude, and, in many cases, weak winds at the equator. Our most rapidly rotating and least irradiated models exhibit multiple eastward jets in each hemisphere--similar to the jets on Jupiter and Saturn--and illuminate the dynamical continuum between highly irradiated EGPs and the weakly irradiated giant planets of our own Solar System. We present infrared (IR) light curves and spectra of these models, which show that the amplitude and offset of the IR phase variation, as well as the shape of the spectra, depend significantly on incident flux and rotation rate. This provides a way to identify the regime transition in future observations and suggests that, in some cases, IR light curves can provide constraints on the rotation rate of non-synchronously rotating planets.

研究の動機と目的

• 標準的な同期的ホット・ジュピター領域を超えた、温・ホット・ジュピターにおける大気循環力学を調査すること。
• 公軌道距離、自転速度、非同期的自転が大気循環パターンに与える影響を特定すること。
• 昼夜加熱対比支配の循環状態と熱力安定性不安定性支配の循環状態との間の転移を探索すること。
• 異なる循環状態と関連する観測可能な特徴（特に赤外線光曲線およびスペクトル）を予測し、将来的な観測との比較に役立てる。
• 非同期的自転する系外惑星における、位相曲線の変動が惑星の自転速度をどの程度制約できるかを評価すること。

提案手法

• 球形の惑星上で大気力学の原始方程式を解く3次元一般循環モデル（GCM）を用いた数値シミュレーション。
• 温・ホット・ジュピターの状態をカバーするため、恒星放射照度（地球の照度の0.01〜10倍）と自転周期（1.5〜15日）を体系的に変化させる。
• 潮汐ロックでない惑星を模倣するために、公軌道周期に対する自転速度を調整することで非同期的自転を組み込む。
• 波-平均流れの相互作用と熱力安定性不安定性を捉えるために、放射移動、熱的潮汐、非静水的力学をモデルに組み込む。
• 複数の波長で合成された赤外線光曲線およびスペクトルを生成し、観測可能な放射特性を模擬する。
• ロスビー数と加熱メカニズムに基づいて、循環状態を分類するための赤道風プロファイル、温度構造、波動活動の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自転速度が増加し、恒星放射照度が低下するに従い、温・ホット・ジュピターの大気循環はどのように変化するか？
• RQ2 パラメータ空間の異なる領域で、支配的となる力学的メカニズムは、昼夜加熱対比か熱力安定性不安定性か？
• RQ3 赤外線光曲線およびスペクトルは、熱的対比によって駆動される状態と熱力安定性不安定性によって駆動される状態を区別できるか？
• RQ4 二次食観測における位相曲線の変動から、非同期的自転はどの程度推定可能か？
• RQ5 弱い放射照度、高速自転の系外惑星の循環パターンは、木星および土星とどのように比較できるか？

主な発見

• 自転速度が増加し、恒星放射照度が低下するに従い、強い昼夜加熱によって駆動される超回転赤道ジェット状態から、熱力安定性不安定性によって駆動される中緯度ジェット状態への循環転移が生じる。
• 高速自転と低放射照度の状態では、それぞれの半球に複数の東方ジェットが現れ、木星および土星に類似した構造を示す。これは、ホット・ジュピターと氷惑星・ガス惑星との間の動的連続体を示唆する。
• 高速自転・弱い放射照度状態では、赤道風が弱まるか、逆転し、中緯度ジェットが支配的かつ東方へ流れを示す。
• 赤外線光曲線では、高放射照度および低速自転時でのみ顕著な位相変動が観測され、自転速度が2倍に変わると、振幅は約2倍に減少する。
• 位相曲線のスペクトル変動は、吸収帯（昼夜温度差が顕著な低圧領域）で最大となり、窓領域（高圧領域）では変動が小さい。
• 同期的自転から2倍以上のずれを示す非同期的自転は、光曲線において検出可能であり、観測から自転速度を推定可能である。