[论文解读] Consistent Static Models of Local Thermospheric Composition Profiles

J. M. Picone, J. T. Emmert+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2016

Gas Dynamics and Kinetic Theory参考文献 18被引用 3

一句话总结

本文通过求解无驱逐多流体运动方程，提出了一组物理解析一致的局部热层成分剖面静态模型。它识别出三个高度区域——低热层（z < ~100 km）的复合流体流动，高热层（z > ~200 km）的物种间解耦流动，以及一个过渡区，表明静力平衡而非扩散平衡，才能提供真正稳定的成分剖面。

ABSTRACT

The authors investigate the ideal, nondriven multifluid equations of motion to identify consistent (i.e., truly stationary), mechanically static models for composition profiles within the thermosphere. These physically faithful functions are necessary to define the parametric core of future empirical atmospheric models and climatologies. Based on the strength of interspecies coupling, the thermosphere has three altitude regions: (1) the lower thermosphere (herein z &lt; ~100 km), in which all species move together at the composite fluid velocity with an effective particle mass equal to the average particle mass of the composite fluid; (2) the upper thermosphere (herein z &gt; ~200 km), in which the species flows are approximately uncoupled; and (3) a transition region in between, where the effective species particle mass and the effective species vertical flow interpolate between the solutions for the upper and lower thermosphere. We place this view in the context of current terminology within the community, i.e., a fully mixed (lower) region and an upper region in diffusive equilibrium (DE). The latter condition, DE, currently used in empirical composition models, does not represent a truly static composition profile in the presence of finite thermal diffusion. Rather, species by species hydrostatic balance is a consistent (i.e., stationary) static representation of vertical thermospheric composition profiles.

研究动机与目标

• 开发与基础流体动力学一致的、物理上忠实的热层成分剖面静态模型。
• 解决当前经验模型中依赖扩散平衡所导致的不一致性，因为有限热扩散下扩散平衡并不能代表真正的静态状态。
• 基于动量与质量守恒的第一性原理，为未来的经验大气模型和气候学建立参数化核心。
• 阐明热层物种在三个不同高度区域（低层、高层和过渡区）的力学行为。
• 确立静力平衡为静态成分剖面的正确表示方式，取代目前广泛使用但物理解析不一致的扩散平衡。

提出的方法

• 求解理想无驱逐多流体运动方程，以识别力学上一致的静态解。
• 在低热层（z < ~100 km）中应用有效粒子质量和流速概念，以模拟物种间的耦合。
• 在高热层（z > ~200 km）中采用独立物种流动解，此时物种近似解耦。
• 在过渡区（~100–200 km）中，对有效粒子质量和垂直流速在低层与高层区域之间进行插值。
• 比较当前广泛使用的扩散平衡与静力平衡作为静态解的物理解析一致性。
• 推导出针对各物种的静力平衡解析表达式，以表示真正静态的成分剖面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无外部驱动力的假设下，热层成分剖面的物理解析一致静态解是什么？
• RQ2 物种间耦合在热层中如何变化？耦合与解耦状态之间的过渡由什么定义？
• RQ3 为何目前广泛使用的扩散平衡假设在存在热扩散时并非真正的静态解？
• RQ4 热层中垂直成分剖面的正确物理表示是什么，能够满足力学平衡？
• RQ5 如何将静力平衡用作未来经验大气模型和气候学的理论基础？

主要发现

• 低热层（z < ~100 km）表现为单一复合流体，其有效粒子质量等于混合物的平均质量。
• 在高热层（z > ~200 km）中，物种流动近似解耦，允许各物种独立处理。
• 过渡区（~100–200 km）在有效粒子质量和垂直流速上表现出介于低层与高层区域之间的插值行为。
• 当前经验模型中使用的扩散平衡，由于有限热扩散效应，并非一致的静态解。
• 识别出物种特异的静力平衡为唯一物理解析一致、真正静态的垂直热层成分剖面表示方式。
• 本研究为未来经验大气模型的参数化核心中用静力平衡替代扩散平衡提供了理论基础。