[논문 리뷰] 3D mixing in hot Jupiter atmospheres. I. application to the day/night cold trap in HD 209458b

Vivien Parmentier, Adam P. Showman외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 18.

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한 줄 요약

이 연구는 HD 209458b의 3차원 대기 순환을 모델링하여, 낮과 밤의 차이로 인한 냉각 트랩에서 응결 가능한 물질(예: TiO)이 더운 쪽 날개에 응축되고 침강하는 것을 방지하기 위한 수직 혼합의 역할을 평가한다. 연구 결과, 날개에 응축된 입자가 수 마이크론 이하일 경우에만 TiO가 대기 중에 유지되며, 그렇지 않으면 빈도가 감소하여 오로지 대류권 상층부에서의 가열을 방지함을 밝혔다. 이는 대규모 순환에 의해 유도되는 효과적인 수직 혼합이, 흐름의 난류가 아닌, $ K_{zz} = 5 \times 10^4 / \sqrt{P_{\text{bar}}} \, \text{m}^2\text{s}^{-1} $의 효과적 에디 확산계수를 통해 이루어지며, 이는 1D 모델에 적용 가능하다.

ABSTRACT

Hot Jupiters exhibit atmospheric temperatures ranging from hundreds to thousands of Kelvin. Because of their large day-night temperature differences, condensable species that are stable in the gas phase on the dayside, such as TiO and silicates, may condense and gravitationally settle on the nightside. Atmospheric circulation may counterbalance this tendency to gravitationally settle. This three dimensional (3D) mixing of chemical species has not previously been studied for hot Jupiters, yet it is crucial to assess the existence and distribution of TiO and silicates in the atmospheres of these planets. We perform 3D global circulation models of HD209458b including passive tracers that advect with the 3D flow, including a source/sink on the nightside to represent condensation and gravitational settling of haze particles. We show that global advection patterns produce strong vertical mixing that can keep condensable species lofted as long as they are trapped in particles of sizes of a few microns or less on the night side. We show that vertical mixing results not from small-scale convection but from the large-scale circulation driven by the day-night heating contrast. Although this vertical mixing is not diffusive in any rigorous sense, a comparison of our results with idealized diffusion models allows a rough estimate of the vertical diffusion coefficient. Kzz=5x10**4/Sqrt(Pbar) m2/s can be used in 1D models of HD 209458b. Moreover, our models exhibit strong spatial and temporal variability in the tracer concentration that could result in observable variations during transit or secondary eclipse measurements. Finally, we apply our model to the case of TiO in HD209458b and show that the day-night cold trap would deplete TiO if it condenses into particles bigger than a few microns on the planet's night side, making it unable to create the observed stratosphere of the planet.

연구 동기 및 목표

• 핫 줌프의 응결 가능한 물질(예: TiO)의 수직 혼합에 3차원 대기 순환이 미치는 영향을 이해하기 위해.
• TiO가 밤 쪽에서 응축되고 침강하는 낮과 밤의 차이로 인한 냉각 트랩이 대기 중 TiO를 고갈시키고, 대류권 상층부 가열을 방지할 수 있는지 평가하기 위해.
• 1D 모델에 사용하기 위해 안정적으로 분층된 대기에서 효과적 수직 에디 확산계수($K_{zz}$)를 정량화하기 위해.
• 대기 순환과 입자 침강 간의 상호작용으로 인한 트레이서 농도의 공간적 및 시간적 변동성을 조사하기 위해.
• HD 209458b의 전행 및 제2일식 측정에서 이러한 변동성을 관측 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 응결 가능한 물질을 나타내는 수동 트레이서를 사용하여 HD 209458b의 대기 순환을 3차원 일반 순환 모델(GCM)로 시뮬레이션하였다.
• 트레이서는 3차원 유동에 따라 이동하며, 밤 쪽에서는 응결 및 중력 침강을 시뮬레이션하기 위해 소스-싱크 항목을 포함하였다.
• 수직 혼합 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해, 1 마이크론 이하에서 약 5 µm까지의 입자 크기를 시뮬레이션하였다.
• 3D 모델 결과를 이상화된 확산 모델과 비교하여 효과적 수직 에디 확산계수($K_{zz}$)를 추정하였다.
• TiO가 낮 쪽에서 기체 상태를 유지할 수 있는 조건을 결정하기 위해, HD 209458b의 TiO에 모델을 적용하였다.
• 전행 및 제2일식의 밝기 곡선에서 관측 가능성을 평가하기 위해, 트레이서 농도의 공간적 및 시간적 변동성을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 대기 순환이 핫 줌프의 낮 쪽에서 응결 가능한 물질(예: TiO)의 수직 혼합을 충분히 강화하여 중력 침강을 방지할 수 있는가?
• RQ2 HD 209458b의 안정적으로 분층된 대기에서 효과적 수직 에디 확산계수($K_{zz}$)는 얼마이며, 이는 1D 모델에 파rameter화할 수 있는가?
• RQ3 밤 쪽에서의 입자 크기와 응결 효율은 낮 쪽 대기 중 TiO의 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 대규모 순환과 입자 침강 간의 상호작용으로 인해 기대되는 트레이서 농도의 공간적 및 시간적 변동성은 무엇인가?
• RQ5 HD 209458b의 전행 또는 제2일식 측정에서 이러한 변동성을 관측할 수 있는가?

주요 결과

• HD 209458b의 수직 혼합은 소규모 대류가 아닌 대규모 순환에 의해 유도되며, 밤 쪽에서 입자가 수 마이크론 이하로 형성될 경우 응결 가능한 물질을 공기 중에 유지시킬 정도로 강력하다.
• 효과적 수직 에디 확산계수는 $ K_{zz} = 5 \times 10^4 / \sqrt{P_{\text{bar}}} \, \text{m}^2\text{s}^{-1} $로 파arameter화되었으며, 약 1 bar에서 ~1 µbar까지 적용 가능하여 1D 모델에 활용할 수 있다.
• TiO가 대류권 상층부에서 열적 역전을 유지하기 위해서는 밤 쪽에서 ~5 µm보다 큰 입자로 응축되지 않아야 하며, 더 큰 입자는 고갈을 초래한다.
• 트레이서 농도의 공간적 변동성이 뚜렷하다: 약 0.1 bar에서는 적도 지역이 극보다 더 고갈되어 있으며, 약 1 bar에서는 낮과 밤의 대비가 나타난다.
• ~5 µm 크기의 입자에 대해 낮 쪽 농도에서 약 50%의 시간적 변동성과 가장자리에서 약 75%의 변동성이 발생할 수 있으며, 특성 시간 스케일은 수일에서 약 100일이다.
• 이러한 변동성은 고도로 일광이 비치는 행성의 케플러 대역폭 밝기 곡선에서 관측 가능하며, 특히 제2일식 맵핑 또는 반사광 변화를 통해 확인 가능할 수 있다.