[论文解读] Angular Momentum and Heat Transport on Tidally Locked Hot Jupiter Planets

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

Astro and Planetary Science参考文献 65被引用 43

一句话总结

本研究利用三维大气通用环流模型表明，由强烈恒星辐照驱动的半日潮汐波是潮汐锁定热木星中角动量输送的主导机制，其与平均环流耦合，驱动强烈的东风赤道急流。关键发现是，该机制而非日潮汐波才是急流形成的主要原因；模型揭示了多种稳定态解，包括能将热量和动量从高层大气垂直输送至低层大气的间接大气环流，其作用如同全球热泵。

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.

研究动机与目标

• 识别潮汐锁定热木星大气环流的主要物理机制。
• 研究角动量输送在形成强赤道急流中的作用。
• 确定行星自转速率对环流稳定性及多重稳定态解的影响。
• 探讨由半日潮汐波诱导的间接大气环流的形成及其影响。
• 评估环流对初始条件及模型参数（如自转周期和耗散率）的敏感性。

提出的方法

• 采用包含灰辐射传输方案和对流调整的三维准静力通用环流模型（GCM）。
• 模型基于HadAM3框架的简化动力核心，实现高效的数值积分。
• 应用傅里叶分析分解波分量，识别准定常波、瞬变波及平均流对动量和热量输送的贡献。
• 通过垂直和水平通量诊断角动量输送：[w][M] 表示平均环流，[w*][M*] 表示准定常波，[w'][M'] 表示瞬变波。
• 从静止状态和初始西风状态出发进行模拟，以检验解的多重性与稳定性。
• 模拟运行长达26,500个地球日以达到平衡，最终100天的输出结果用于分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在潮汐锁定热木星中，驱动强东风赤道急流的角动量输送的主导机制是什么？
• RQ2 半日热潮汐如何影响间接大气环流的形成，其在垂直方向动量与热量输送中扮演何种角色？
• RQ3 对于相同的行星参数，是否可能存在多重稳定态解？何种条件使其稳定？
• RQ4 自转周期如何影响准定常波、瞬变波与平均环流在动量输送中的相对重要性？
• RQ5 波诱导的垂直角动量通量在维持急流及耦合上下层大气方面发挥何种作用？

主要发现

• 半日热潮汐波，而非日潮汐波，是赤道急流中角动量输送的主导机制，其水平结构被识别为耦合的赤道罗斯比-开尔文波系统。
• 半日潮汐波与平均环流的耦合产生压力扭矩，将角动量沿梯度方向向低纬度输送，从而加速东风急流。
• 由于半日潮汐波引起的大型涡动动量辐合，低纬度形成间接大气环流，实现从高层大气到低层大气的热量与动量垂直输送。
• 这些间接环流充当全球热泵，将能量沉积于更深的大气层，提升全球温度。
• 当自转周期超过5个地球日时，准定常波与瞬变波的垂直输送增强，允许多重稳定态解共存，包括稳定的西风急流。
• 在参考模拟中，初始条件不影响最终状态，但在更长自转周期下出现解的多重性，表明观测得到的光曲线可能反映多种动力状态。