Атмосферное супервращение
Супервращение атмосферы — это явление, при котором быстрее атмосфера планеты вращается , чем сама планета. Такое поведение наблюдается в атмосферах Венеры , Титана , Юпитера и Сатурна. Венера демонстрирует самое экстремальное супервращение: ее атмосфера обращается вокруг планеты за четыре земных дня, что намного быстрее, чем собственное вращение ее планеты. Явление супервращения атмосферы может влиять на климат планеты и динамику атмосферы.
Динамика супервращения
[ редактировать ]В понимании супервращения решающую роль играют атмосферные волны и нестабильности. Эта динамика, в том числе волны Россби и волны Кельвина , играют важную роль в передаче импульса и энергии внутри атмосферы, способствуя поддержанию сверхвращения. Например, считается, что на Венере взаимодействие тепловых приливов с волнами Россби планетарного масштаба вносит значительный вклад в быстрые сверхвращательные ветры. Точно так же в атмосфере Земли волны Кельвина генерируются на восток вдоль экватора, играя жизненно важную роль в таких явлениях, как Эль-Ниньо – Южное колебание , демонстрируя более широкое значение этой динамики в науке об атмосфере. [1] [2]
Венера: Экстремальное супервращение
[ редактировать ]Атмосфера Венеры является ярким примером экстремального сверхвращения; Атмосфера Венеры вращается вокруг планеты всего за четыре земных дня, что намного быстрее, чем сидерический день Венеры , составляющий 243 земных дня. [ 1 ] Первые наблюдения супервращения Венеры проводились с Земли. Современные модели и наблюдения GCM часто дополняются изучением климата прошлого в древности. В модели, где предполагается, что Венера имеет массу атмосферы, аналогичную Земле, циркуляция SS-AS могла доминировать над суперротацией в древней, более тонкой атмосфере. [ 2 ]
Титан
[ редактировать ]Суперротация, присутствующая в стратосфере Титана, была обнаружена с помощью Voyager IRIS, Cassini CIRIS, наблюдений за затмением звезд и температуры, а также доплеровских сдвигов радиосигнала зонда Гюйгенс. [ 3 ] Широтные градиенты давления, установленные по измерениям, проведенным «Вояджером IRIS», были достаточны, чтобы вызвать суперротацию атмосферы. [ 4 ] На Титане наблюдались стратосферные зональные ветры порядка 100-200 мс. −1 , [ 5 ] быстрее, чем самые высокие зональные ветры на Земле на ~60-70 мс. −1 . Вопросы о влиянии наклона при сверхвращении на Титане часто сравнивают с Венерой, поскольку они имеют схожие центробежные ускорения для достижения динамического баланса. Любые сезонные колебания, вызванные наклоном Титана и Венеры, сильно различаются, поскольку небольшой наклон Венеры на 2,7 ° сводит на нет любые сильные сезонные эффекты. Наклон Титанов на 26,7° достаточно велик, чтобы вызывать сезонные колебания вращения стратосферы. [ 4 ] Попыток смоделировать сверхвращение газовых гигантов, включая Титан, было предостаточно. Первые наблюдения Титана в 1980-х годах дали мало информации о циркуляции в атмосфере из-за малоконтрастной фотохимической дымки, покрывающей Луну. Первая модель общей циркуляции (МОЦ) в 1990-х годах дала представление о свойствах стратосферы, которые следует ожидать на Титане при дальнейших наблюдениях, и предсказала суперротацию с ветрами до 200 м/с. [ 6 ] Суперротация была поддержана первым 3D Titan GCM, созданным Лабораторией динамической метеорологии (LMD), в которой они использовали атмосферу, аналогичную наблюдениям «Вояджера», а недавно и «Кассини».
Самый последний GCM, способный успешно имитировать сверхвращение в стратосфере, — это TitanWRF. Созданная по образцу PlanetWRF, которая была разработана как глобальная модель погоды, исследований и прогнозирования (WRF), TitanWRF добавила планетарную физику и обобщенные параметры для создания успешной модели суперротации. Работа, проделанная с помощью TitanWRF v2, позволила смоделировать градиенты широтной температуры, зональные струи ветра и суперротацию в стратосфере. [ 3 ] Сравнение моделирования TitanWRF v2 с моделями постоянного солнечного воздействия (без сезонного цикла), [ 7 ] показали, что в последнем за несколько лет Титана произошло быстрое нарастание вращения, достигающее > 100 м/с. Параметры в этих старых моделях воздействия сильно различаются по механизмам, участвующим в создании начального супервращения, по сравнению с более реалистичными моделями TitanWRF. После первоначального раскрутки сходство между различными моделями развивается, когда достигается устойчивое состояние. [ 3 ] но снова различаются конечными состояниями модели. Первоначальный механизм создания вращения до супервращения все еще остается открытым, поскольку корреляции между моделями в этом режиме сильно различаются.
Юпитер и Сатурн: атмосфера газового гиганта
[ редактировать ]
Видимые вершины облаков Юпитера и Сатурна являются дополнительным свидетельством глубокой циркуляции атмосферы, демонстрируя наличие супервращения атмосферы. [ 8 ] Полярные сияния Юпитера, в частности, подчеркивают быстрые движения атмосферы планеты своим эфирным свечением и различной глубиной облаков.
Супервращение Земли
[ редактировать ]На Земле существует явление, заключающееся в том, что ее термосфера имеет небольшое суммарное сверхвращение, превышающее скорость вращения поверхности. Размер этого явления широко варьируется в зависимости от модели. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Некоторые модели предполагают, что глобальное потепление , вероятно, приведет к усилению супервращения в будущем, включая возможное изменение характера приземных ветров. [ 12 ] [ 13 ] В упрощенных моделях МОЦ экваториальная суперротация возникает без наклона и добавления аномалий тропического нагрева. [ 5 ] В настоящее время противобаланс между восточным крутящим моментом Кориолиса и западным крутящим моментом поддерживает субротацию в верхней тропической тропосфере. Это приводит к перспективе того, что из-за более теплых и тропических источников волн в прошлом древнем климате атмосфера Земли могла перевернуться. [ 14 ]
Экзопланеты и горячие Юпитеры
[ редактировать ]Супервращение в планетных атмосферах распространяется на изучение экзопланет, в частности, горячих Юпитеров. Эти далекие миры, вращающиеся близко к своим звездам, часто демонстрируют экстремальные атмосферные условия, включая сверхвращение, что влияет на их тепловую структуру и потенциальную обитаемость. Наблюдения с таких телескопов, как космический телескоп Хаббл, выявили сверхвращательную скорость ветра на некоторых горячих Юпитерах, достигающую тысяч километров в час. Более того, явление показывает, насколько горячие Юпитеры приливно заблокированы, когда одна сторона постоянно обращена к звезде. Это предполагает механизм распределения тепла на планетах, фактор, позволяющий понять их климатические условия и закономерности. [3] [4]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Наука и технологии ЕКА - Основные открытия Venus Express: 2006-2014» . sci.esa.int . Проверено 21 января 2020 г.
- ^ Ян, Цзюнь; Буэ, Гвенаэль; Фабрики, Дэниел С.; Эббот, Дориан С. (25 апреля 2014 г.). «СИЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ВНУТРЕННЕЙ КРАИ ОБИТАЕМОЙ ЗОНЫ ОТ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ПЛАНЕТ» . Астрофизический журнал . 787 (1): Л2. arXiv : 1404.4992 . дои : 10.1088/2041-8205/787/1/L2 . ISSN 2041-8205 .
- ^ Jump up to: а б с Ньюман, Клэр Э.; Ли, Кристофер; Лиан, Юань; Ричардсон, Марк И.; Тойго, Энтони Д. (1 июня 2011 г.). «Стратосферное супервращение в модели TitanWRF» . Икар . 213 (2): 636–654. дои : 10.1016/j.icarus.2011.03.025 . ISSN 0019-1035 .
- ^ Jump up to: а б Ахтерберг, Ричард К.; Конрат, Барни Дж.; Гираш, Питер Дж.; Флазар, Ф. Майкл; Никсон, Конор А. (1 октября 2008 г.). «Наблюдение наклона среднеатмосферного сверхвращения Титана» . Икар . 197 (2): 549–555. дои : 10.1016/j.icarus.2008.05.014 . ISSN 0019-1035 .
- ^ Jump up to: а б Имамура, Такеши; Митчелл, Джонатан; Лебоннуа, Себастьян; Каспи, Йохай; Шоумен, Адам П.; Кораблев, Олег (01.07.2020). «Суперротация в планетных атмосферах» . Обзоры космической науки . 216 (5): 87. doi : 10.1007/s11214-020-00703-9 . ISSN 1572-9672 .
- ^ Дель Дженио, Энтони Д.; Чжоу, Вэй; Эйхлер, Тимоти П. (1 января 1993 г.). «Экваториальная суперротация в медленно вращающемся МОЦ: последствия для Титана и Венеры» . Икар . 101 (1): 1–17. дои : 10.1006/icar.1993.1001 . ISSN 0019-1035 .
- ^ Ньюман, Клэр Э.; Ли, Кристофер; Лиан, Юань; Ричардсон, Марк И.; Тойго, Энтони Д. (1 июня 2011 г.). «Стратосферное супервращение в модели TitanWRF» . Икар . 213 (2): 636–654. дои : 10.1016/j.icarus.2011.03.025 . ISSN 0019-1035 .
- ^ Имамура, Такеши; Митчелл, Джонатан; Лебоннуа, Себастьян; Каспи, Йохай; Шоумен, Адам П.; Кораблев, Олег (01.07.2020). «Суперротация в планетных атмосферах» . Обзоры космической науки . 216 (5): 87. doi : 10.1007/s11214-020-00703-9 . ISSN 1572-9672 .
- ^ Гапошкин, Е.М. (01.05.2003). «Атмосферная суперротация?». Планетарная и космическая наука . 51 (6): 415–425. Бибкод : 2003P&SS...51..415G . дои : 10.1016/S0032-0633(03)00021-7 . ISSN 0032-0633 .
- ^ Блюм, П.В.; Харрис, И. (1 июня 1974 г.). «Некоторые новые аспекты супервращения термосферы». Журнал физики атмосферы и Земли . 36 (6): 967–978. Бибкод : 1974JATP...36..967B . дои : 10.1016/0021-9169(74)90006-3 . hdl : 2060/19730011711 . ISSN 0021-9169 .
- ^ Ришбет, Х. (январь 1971 г.). «Вращение изменений верхней атмосферы». Природа . 229 (5283): 333–334. Бибкод : 1971Natur.229..333R . дои : 10.1038/229333a0 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 16059224 . S2CID 4187793 .
- ^ Карлсон, Хенрик; Кабальеро, Родриго (март 2016 г.). «Усиление MJO и переход на суперротацию в теплом климате» . Журнал достижений в моделировании систем Земли . 8 (1): 304–318. Бибкод : 2016JAMES...8..304C . дои : 10.1002/2015ms000615 . ISSN 1942-2466 .
- ^ Кабальеро, Родриго; Карлсон, Хенрик (октябрь 2018 г.). «Суперротация поверхности» . Журнал атмосферных наук . 75 (10): 3671–3689. Бибкод : 2018JAtS...75.3671C . doi : 10.1175/JAS-D-18-0076.1 . ISSN 0022-4928 .
- ^ Краукунас, Ян; Хартманн, Деннис Л. (1 февраля 2005 г.). «Экваториальная суперротация и факторы, контролирующие зонально-среднезональные ветры в тропической верхней тропосфере» . Журнал атмосферных наук . 62 (2): 371–389. дои : 10.1175/JAS-3365.1 . ISSN 0022-4928 .