[논문 리뷰] Clouds in the atmospheres of extrasolar planets. IV. On the scattering greenhouse effect of CO2 ice particles: Numerical radiative transfer studies

Daniel Kitzmann, A. B. C. Patzer외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 17.

Atmospheric aerosols and clouds참고 문헌 37인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 고차수 복사전달 모델을 사용하여 외계행성 대기 중 CO₂ 얼음 구름의 산산이 흩广大群众 효과를 조사한다. 두 흐름 근사치가 Greenhouse 효과를 과대평가하고 있음을 발견하여, CO₂ 얼음 구름이 이전에 생각한 것보다 훨씬 약한 순 가열 효과를 미치며, 특정 입자 크기 및 투과도 범위에서만 효과가 있음을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Owing to their wavelengths dependent absorption and scattering properties, clouds have a strong impact on the climate of planetary atmospheres. Especially, the potential greenhouse effect of CO2 ice clouds in the atmospheres of terrestrial extrasolar planets is of particular interest because it might influence the position and thus the extension of the outer boundary of the classic habitable zone around main sequence stars. We study the radiative effects of CO2 ice particles obtained by different numerical treatments to solve the radiative transfer equation. The comparison between the results of a high-order discrete ordinate method and simpler two-stream approaches reveals large deviations in terms of a potential scattering efficiency of the greenhouse effect. The two-stream methods overestimate the transmitted and reflected radiation, thereby yielding a higher scattering greenhouse effect. For the particular case of a cool M-type dwarf the CO2 ice particles show no strong effective scattering greenhouse effect by using the high-order discrete ordinate method, whereas a positive net greenhouse effect was found in case of the two-stream radiative transfer schemes. As a result, previous studies on the effects of CO2 ice clouds using two-stream approximations overrated the atmospheric warming caused by the scattering greenhouse effect. Consequently, the scattering greenhouse effect of CO2 ice particles seems to be less effective than previously estimated. In general, higher order radiative transfer methods are necessary to describe the effects of CO2 ice clouds accurately as indicated by our numerical radiative transfer studies.

연구 동기 및 목표

• 외계행성 기후에 대한 CO₂ 얼음 구름의 복사적 영향을 평가하고, 산산이 흩广大群众 효과를 통해 외행성의 외부 적응 가능한 궤도를 연장할 수 있는지 여부를 조사한다.
• 이전 연구에서 단순화된 두 흐름 복사전달 방법을 사용한 결과와 더 정확한 고차수 방법 간의 모순을 해결한다.
• 특히 냉각된 M형 항성에서 복사가스 효과가 입자 크기, 투과도 및 항성 유형에 따라 어떻게 달라지는지 규명한다.
• 특히 초기 화성과 tidal locking된 외계행성에서 CO₂ 얼음 구름이 표면을 상당히 따뜻하게 만들 수 있는지 평가한다.
• 향후 외계행성에 CO₂ 얼음 구름이 존재하는 기후 모델링을 위한 더 정확한 복사전달 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• CO₂ 얼음 입자의 파장에 따라 변하는 흡수, 산산이 흩广大群众, 흡수 단면적을 계산하기 위해 Mie 이론을 적용하였다. 이때 유효 반지름 범위는 0.1–200 μm였다.
• 60°의 천정 각도를 가진 단일 대기층에서 고차수 정확도의 복사전달 계산을 위해 이산 순서 방법(DISORT)을 사용하였다.
• 이전 연구에서 발생한 체계적 오차를 정량화하기 위해 DISORT 결과를 단순한 두 흐름 복사전달 근사치와 비교하였다.
• 다양한 투과도와 입자 크기에서 별의 복사 및 열복사에 대한 스펙트럼 반사율과 투과율을 시뮬레이션하였다.
• 정확한 광학적 성질 모델링을 위해 Hansen(1997, 2005) 및 Warren(1986)의 실제 굴절률 데이터를 통합하였다.
• 특히 효과 온도가 낮은 M형 항성에서 복사가스 효과에 미치는 영향을 평가하기 위해 다양한 항성 스펙트럼 유형을 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외계행성 대기에서 CO₂ 얼음 구름의 산산이 흩广大群众 효과는 입자 크기와 투과도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 두 흐름 복사전달 근사치는 고차수 방법에 비해 CO₂ 얼음 구름의 복사가스 효과를 얼마나 과대평가하는가?
• RQ3 냉각된 M형 항성 주변에서 복사가스 효과의 순 기후적 영향은 어떠한가? 특히 항성 복사가 적외선 영역에 집중되는 조건에서이다.
• RQ4 어떤 조건에서 CO₂ 얼음 구름 형성이 순 표면 가열 효과를 유도하는가, 아니면 냉각 또는 복사 중립 상태를 초래하는가?
• RQ5 표면 반사율과 레일리 산산이 흩广大群众은 산산이 흩广大群众 효과의 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고차수 DISORT 시뮬레이션 결과, 특히 냉각된 항성에서 CO₂ 얼음 구름의 산산이 흩广大群众 효과는 두 흐름 모델이 예측한 것보다 현저히 약하다.
• M형 항성의 경우, 유효 반지름 약 1 μm인 CO₂ 얼음 구름은 순 냉각 효과를 유도하지만, 1 μm 근처의 입자와 투과도 1~10 사이에서는 약한 순 가열 효과를 유도한다.
• 유효 반지름 0.1 μm인 입자는 고투과도에서도 여전히 복사 중립 상태를 유지하며, 특히 냉각된 항성에서 그러한 경향이 뚜렷하다.
• 두 흐름 방법은 투과 및 반사 복사를 과대평가하여, 일부 파rameter 영역에서는 복사가스 효과를 최대 두 배까지 과대평가하고 있다.
• 복사가스 효과는 항성의 효과 온도가 높아질수록 증가하지만, T_eff < 3500 K인 항성에서는 여전히 무시할 만하거나 중립 상태이다.
• 결과적으로, 외행성의 적응 가능한 궤도의 외곽 경계는 이전에 추정된 것보다 주변 항성에 더 가까워야 하며, 특히 재조정된 CO₂ 충돌 유도 흡수 효과와 함께 고려할 경우 더욱 그러하다.