[논문 리뷰] Three-dimensional Atmospheric Circulation of Warm and Hot Jupiters: Effects of Orbital Distance, Rotation Period, and Non-Synchronous Rotation

Adam P. Showman, Nikole K. Lewis외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 18.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다양한 궤도 거리, 자전 속도 및 항성 복사량에서 온난하고 핫 재규어의 3차원 대기 순환 모델을 제시하며, 자전 속도가 증가하고 복사량이 감소함에 따라 일주일 간 열에 의한 구동의 초과 회전성 적도 풍대에서 기후 불안정성에 의해 구동되는 중위도 동방 풍대로의 역학적 전이가 발생하는 것으로 드러났다. 주요 기여는 적외선 광도 곡선과 스펙트럼이 이러한 순환 제도를 구별할 수 있음을 규명하여 향후 관측을 통한 자전 속도와 가열 제도 추론이 가능하다는 점이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비동기적 핫 재규어 제도를 초월한 온난하고 핫 재규어의 대기 순환 역학을 조사하기 위해.
• 궤도 거리, 자전 속도, 비동기적 자전이 대기 순환 패턴에 미치는 영향를 규명하기 위해.
• 일주일 간 열에 의한 구동 대비 기후 불안정성에 의해 지배되는 순환 제도 간 전이 과정을 탐색하기 위해.
• 다른 순환 제도와 관련된 관측 가능한 서명—특히 적외선 광도 곡선과 스펙트럼—을 예측하여 향후 관측과 비교하기 위해.
• 비동기적으로 자전하는 외계 행성에서의 단계 곡선 변동이 행성의 자전 속도를 제약하는 데 얼마나 기여할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 구형 행성 위에서 대기 역학의 기본 방정식을 해결하기 위해 3차원 일반 순환 모델(GCM)을 사용한 수치 시뮬레이션.
• 온난하고 핫 재규어 조건을 포함하기 위해 항성 복사량(지구의 수탈량의 0.01배에서 10배까지)과 자전 주기(1.5일에서 15일까지)를 체계적으로 변화.
• tidal lock에 빠지지 않은 행성을 시뮬레이션하기 위해 궤도 주기 대비 자전 속도를 조정함으로써 비동기적 자전를 통합.
• 파동-평균 흐름 상호작용과 기후 불안정성을 포괄하기 위해 복사 열전달, 열 tide, 비정적역학을 모델링.
• 다양한 파장에서의 합성된 적외선 광도 곡선과 스펙트럼을 통합하여 관측 가능한 발광 특징을 시뮬레이션.
• 로시오 수와 가열 메커니즘에 기반한 순환 제도 분류를 위해 등위 풍속 프로파일, 온도 구조, 파동 활동을 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온난하고 핫 재규어의 대기 순환은 자전 속도가 증가하고 항성 복사량이 감소함에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 매개변수 공간의 다양한 영역에서 지배적인 역학적 메커니즘은 일주일 간 열에 의한 구동 대비 기후 불안정성인가?
• RQ3 적외선 광도 곡선과 스펙트럼은 열 대비 기후 불안정성에 의해 구동되는 순환 제도를 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ4 비동기적 자전은 2차 우주 전이 관측에서 단계 곡선 변동을 통해 어느 정도 추론될 수 있는가?
• RQ5 약한 복사량을 받고 빠르게 자전하는 외계 행성의 순환 패턴은 목성과 토성과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 자전 속도가 증가하고 항성 복사량이 감소함에 따라 강한 일주일 간 열에 의한 가속화에 의해 구동되는 초과 회전성 적도 풍대에서 기후 불안정성에 의해 구동되는 중위도 풍대로의 순환 전이가 발생한다.
• 빠른 자전 속도와 낮은 복사량 조건에서는 각 반구에 여러 개의 동방 풍대가 나타나며, 목성과 토성과 유사한 패턴을 보여, 핫 재규어와 얼음/기체 행성 간의 역학 연속성을 시사한다.
• 빠른 자전과 약한 복사량 조건에서는 적도 풍속이 약해지거나 방향이 반전되며, 중위도 풍대가 주도적이 되고 동방 풍향이 강해진다.
• 적외선 광도 곡선은 높은 항성 복사량과 느린 자전에서만 상당한 단계 변화를 보이며, 자전 속도가 두 배로 변화할 경우 약 2배 감소한다.
• 단계 곡선의 스펙트럼 변화는 강한 일주일 간 온도 대비가 있는 저압 영역(흡수 밴드)에서 가장 크며, 고압 영역(창문 영역)에서는 변화가 더 작다.
• 동기적 자전에서 두 배 이상의 편차를 보이는 비동기적 자전은 광도 곡선에서 감지 가능하며, 이는 관측을 통한 자전 속도 추론이 가능하다.