[논문 리뷰] Angular Momentum and Heat Transport on Tidally Locked Hot Jupiter Planets

João M. Mendonça|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 23.

Astro and Planetary Science참고 문헌 65인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 3차원 대기일반순환모델을 사용하여, 강한 항성 복사에 의해 유도되는 半일주기 열 tide가 조우된 핫 재규어에서 각운동량 수송을 지배하며, 평균 순환과 결합되어 강력한 전진 방향의 적도 제트를 이끈다. 주요 발견은 이 메커니즘이 일주기 tide가 아니라 주로 제트를 형성하는 데 기여하며, 모델은 다수의 안정 상태 해를 드러내는데, 이는 상부 대기에서 하부 대기로 열과 운동량을 수직으로 수송하는 간접 대기 세포를 포함한다. 이러한 세포는 전 지구적 열펌프 역할을 한다.

ABSTRACT

The atmospheric circulation in the upper atmosphere of hot Jupiter planets is strongly influenced by the incoming stellar radiation. In this work we explore the results from a 3D atmospheric model and revisit the main processes driving the circulation in hot Jupiter planets. We use the angular momentum transport as a diagnostic and carry out a Fourier analysis to identify the atmospheric waves involved. We find that the coupling between the angular momentum transported horizontally by the semi-diurnal tide and the mean circulation is the mechanism responsible for producing the strong jet at low latitudes. Our simulations indicate the possible formation of atmospheric indirect cells at low latitudes. The formation of these cells is induced by the presence of the semi-diurnal tide that is driven by the stellar irradiation. The tropical circulation has an important impact transporting heat and momentum from the upper towards the lower atmosphere. One of the consequences of this heat and momentum transport is a global increase of the temperature. We show that the initial conditions do not affect the output of the reference simulation. However, when the period of rotation of the planet was increased ($P_{rot} > 5$ Earth days), vertical transport by stationary waves became stronger, transient waves became non-negligible, and Coriolis influence less dominant, which allowed a steady state with a strong retrograde jet to be stable. We found that at least two statically steady state solutions exist for the same planet parameters.

연구 동기 및 목표

• 조우된 핫 재규어에서 대기 순환을 이끄는 주요 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 강력한 적도 제트 형성에 기여하는 각운동량 수송의 역할을 조사하는 것.
• 행성의 자전 속도가 순환 안정성과 다수의 안정 상태 해에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 반일주기 열 tide에 의해 유도되는 간접 대기 세포의 형성과 영향을 탐색하는 것.
• 초기 조건 및 자전 주기, 소산 계수 등 모델 파라미터와 같은 변수에 대한 순환의 민감도를 평가하는 것.

제안 방법

• 회색 복사 전달 계획과 대류 조정 기능을 갖춘 3차원 준수압 일반순환모델(GCM)을 사용하였다.
• 효율적인 수치 통합을 가능하게 하는 HadAM3 프레임워크 기반의 단순화된 동역학 코어를 적용하였다.
• 파동 성분을 분해하고 정상, 일시적, 평균 유동이 운동량 및 열 수송에 기여하는 바를 규명하기 위해 푸리에 분석을 적용하였다.
• 각운동량 수송은 수직 및 수평 플럭스를 통해 진단되었으며, 평균 순환의 [w][M], 정상파의 [w*][M*], 일시적 파동의 [w'][M']으로 표현되었다.
• 해결책의 다중성과 안정성을 시험하기 위해 정지 상태와 반대 방향 바람 초기 조건에서 시뮬레이션을 수행하였다.
• 균형 상태에 도달하기 위해 최대 26,500일 동안 시뮬레이션을 수행하였으며, 최종 100일 간의 출력 데이터를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조우된 핫 재규어에서 강력한 전진 방향 적도 제트를 이끄는 각운동량 수송의 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 반일주기 열 tide는 간접 대기 세포의 형성에 어떤 영향을 미치며, 이들이 수직 운동량 및 열 수송에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 동일한 행성 파라미터에서 다수의 안정 상태 해가 존재할 수 있는가? 어떤 조건에서 안정화되는가?
• RQ4 자전 주기가 정상, 일시적, 평균 순환의 운동량 수송에서의 상대적 기여도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 파동에 의해 유도되는 수직 각운동량 플럭스는 제트 유지 및 상부 및 하부 대기층 간의 결합에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 일주기 열 tide가 아니라 반일주기 열 tide가 적도 제트에서 각운동량 수송의 주요 원동력이며, 그 수평적 구조는 결합된 적도 로즈비-켈빈 파동 시스템으로 규명되었다.
• 반일주기 열 tide와 평균 순환 간의 결합은 압력 토크를 생성하여 각운동량을 저위도 방향으로 기울어진 방향으로 수송하며, 전진 제트를 가속화한다.
• 반일주기 열 tide에 의해 유도된 큰 에디 바람 운동량 수렴으로 인해 저위도에서 간접 대기 세포가 형성되며, 이는 상부 대기에서 하부 대기로 열과 운동량을 수직으로 수송한다.
• 이러한 간접 세포는 전 지구적 열펌프 역할을 하며, 에너지를 깊은 대기층에 침전시켜 전 지구적 온도를 상승시킨다.
• 자전 주기가 5일을 초과할 경우, 정상 및 일시적 파동에 의한 수직 수송이 강화되어, 동일한 파라미터에서 다수의 안정 상태 해가 공존할 수 있으며, 이는 안정된 반대 방향 제트를 포함한다.
• 기본 시뮬레이션에서는 초기 조건이 최종 상태에 영향을 주지 않았지만, 더 긴 자전 주기에서는 해결책의 다중성이 나타나, 관측된 일식 곡선이 여러 역학적 상태를 반영할 수 있음을 시사한다.