系外惑星大気WS2014/惑星大気研究会(14/01/07)

地球型水惑星における太陽放射増大に対する応答のGCMによる検討

新田 光1
阿部 豊1
高尾 雄也2(1東大･理・地惑、2東工大)

Credit1 to NASA
http://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/multimedia/images/kepler-morningstar.html

1.Introduction

地球型水惑星の分類

水の分布によって３つのタイプに分類
気候状態がそれぞれ異なる
Abe+2013, Hawaii, Kona

2

1.Introduction

地球型水惑星の分類

分類

水量

地形

特徴

陸惑星

～0.1MO

水を局所化 大気中の水蒸気が地表水分布を支配

部分海惑星

～1MO

大陸が存在

海惑星

～10MO

大陸無し

地表水輸送が水蒸気分布を支配

Abe+2013, Hawaii, Kona
3

1.Introduction

地球型水惑星の分類

水の量、地形によって水分布が大きく変化

分類
陸惑星

水量

地形

特徴

～0.1MO 水を局所化 大気中の水蒸気が地表水分布を支配

部分海惑星

～1MO

大陸が存在

海惑星

～10MO

大陸無し

地表水輸送が水蒸気分布を支配

Abe+2013, Hawaii, Kona
4

1.Introduction

暴走温室限界 中心星から受け取るエネルギーが放出できなくなり暴走的に水が蒸発、温度上昇
地表が湿潤なとき、惑星放射は射出限界を超える放射はできない

射出限界:対流圏で水蒸気が飽和した惑星の放射できる最大のエネルギー(Nakajima+1992)

地面が乾燥：大気が飽和せず、射出限界以上の放射が可能(Abe+2011)→乾燥領域が多い：より大きな惑星放射が射出可能→より強い太陽放射でも液体水が維持可能(暴走しにくい)
51.Introduction

水分布と暴走限界(完全蒸発限界)
0.88
降水量

0.6

0.4
0.2

0.0-906420
緯度 水が極域に集中 中低緯度は乾燥

90-900
緯度90

 全球的に降水 全球的に湿っている

Abe et al., 20113次元モデルによって陸惑星状態を再現
暴走限界を導出(相対太陽放射170%)⇔海惑星：130%程度→暴走限界の水量、地形による水分布依存性はよく分かっていない

6

1.Introduction

本研究の目的
水の量、地形による水分布と暴走限界(完全蒸発限界)との関係を3次元モデルを用いて考察する
大気循環の寄与で暴走限界が変化
Takao(2013),Leconte et al.(2013)

様々な水分布に対して太陽放射を増大させ暴走限界を計算
1. 緯度方向のみの水分布の変化、限界 ：水の量 vs. 暴走限界
2. 2次元的な水分布の変化、限界：地形 vs. 暴走限界

7

2.Method

3次元気候モデル
 地球大気大循環モデルCCSR/NIES AGCM5.4g
 格子点間隔
 水平方向:5.6°間隔、格子点数32×64個
 鉛直方向:20層
 力学過程：全球プリミティブ方程式系
 物理過程：放射過程、雲生成/消滅過程、地表過程
 円軌道、自転軸傾斜なし、地表アルベド=0.38

2.Method

水の量と初期水陸境界地表面水輸送の効果：小≒水の量：小地表面水輸送の効果：大≒水の量：大水蒸気輸送
地表面水輸送

Dry

赤道←

Wet
初期境界:高緯度→極水蒸気輸送

Dry

地表面水輸送

赤道←

Wet

→極

初期境界:低緯度• 初期水陸境界:(水蒸気輸送)=(地表面水輸送)となる緯度• 水量が多ければ多いほど赤道域まで水がはられていく• 初期水陸境界が水の量に対応
9

2.Method

暴走限界と水輸送• 水量に対応する各初期境界のときの安定した水分布を計算• 相対太陽放射を上昇させ限界を導出
初期境界：58度
相対太陽放射：100%
計算時間：10年

温度の緯度-高度分布

正規化気圧

01.00

緯度

90100

温度(K)

300

10

2.Method

暴走限界と水輸送• 水量に対応する各初期境界のときの安定した水分布を計算• 相対太陽放射を上昇させ限界を導出
初期境界：58度
相対太陽放射：167%
計算時間：10年

温度の緯度-高度分布

正規化気圧

01.00

緯度

90200温度(K)550

112.Method

暴走限界と水輸送• 水量に対応する各初期境界のときの安定した水分布を計算• 相対太陽放射を上昇させ限界を導出
初期境界：58度
相対太陽放射：168%
計算時間：7年2ヶ月でストップ

温度の緯度-高度分布

正規化気圧

01.00

緯度

90200温度(K)

550

12

3.Results & Discussion

初期水陸境界vs暴走限界

相対太陽放射(%)

Abe+2011

初期水陸境界緯度13

3.Results & Discussion

相対太陽放射(%)

中高緯度初期境界と大気循環

 初期水陸境界：中高緯度領域
 より多くの領域で地表が乾いているほど大気も乾燥

初期水陸境界緯度14

3.Results & Discussion

相対太陽放射(%)

低緯度初期境界と大気循環
 初期水陸境界：低緯度領域
 ハドレー循環により赤道域に水が運ばれる
 初期境界が0~30度の場合、暴走限界はほぼ一定

初期水陸境界緯度153.Results & Discussion

経度分布依存性(地形効果の見積もり)
地表水分布
北極

北極

赤道

赤道
経度経度

南極

南極

同水量で地形により経度方向の水分布が異なる場合
909000-900360-900

大気下端の絶対湿度分布
4e-76e-3360
16

3.Results & Discussion

経度分布依存性(地形効果の見積もり)
部分海惑星的地表水分布
北極

北極

赤道

赤道
経度

経度

南極

南極

同水量で地形により経度方向の水分布が異なる場合
90限界放射：153%

0-90

90

限界放射：150%

00360-900

大気下端の絶対湿度分布
4e-76e-3360
17

4.Conclusion

まとめ
地表水緯度分布と暴走限界
 初期境界(水の量)と暴走限界の関係は初期境界緯度で2つに分類
 初期境界：高緯度→乾燥領域が広いほど太陽放射が強くても地表水を維持
 初期境界：低緯度→ハドレー循環の影響大地表水経度分布と暴走限界
 初期経度分布に依存して大気中の水蒸気分布が変化
 暴走限界も変化 海惑星と部分海惑星とで暴走限界が異なる
 同じ部分海惑星でも大陸配置(地形)により暴走限界は変化• 暴走状態に入るときの気候状態• 地形による水分布の系統的理解
18

Appendix

惑星放射(𝑊𝑚−2 )各水分布における限界時の惑星放射

緯度19Appendix

惑星放射(𝑊𝑚−2 )各水分布における限界時の惑星放射

初期境界：80.2度

初期境界：24.9度

緯度20Appendix

惑星放射(𝑊𝑚−2 )各水分布における限界時の惑星放射

緯度21Appendix

惑星放射(𝑊𝑚−2 )各水分布における限界時の惑星放射

緯度 水陸境界で射出限界?(高尾, 2013)
 射出限界は282𝑊𝑚−2 程度(Goldblatt+2013)22

Appendix

Abe et al, 201123

Appendix

水分布と放射収支(Abe+2011)
中心星放射

中心星放射

惑星放射

射出限界

赤道←DryWet→極低緯度領域が乾燥→射出限界以上の放射が可能

射出限界

惑星放射

赤道←

Wet

→極

低緯度(高温)領域が飽和→射出限界に到達
24Appendix

Takao, 2013
放射フラックス [W/m2]

600500Komabayashi-Ingersoll limit(385 W/m2)
400

射出限界 (355 W/m2)

300

惑星放射

200
100
00102030←赤道405060

緯度708090

極→
340
320

地表温度

0.8

300
0.6
280

水蒸気量 / 飽和水蒸気量0.42600.2

地表温度 [K]大気中の水蒸気量 / 飽和水蒸気量1

暴走限界では水陸境界が射出限界
 低緯度側は限界がないため

240

0

220
01020

←赤道30

40

緯度

5060

70

極→

80

9025

Appendix

Nakajima et al, １９９２26

Appendix

GCMによる雲分布(初期境界：高緯度)

27

Appendix

GCMによる雲分布(初期境界：低緯度)28

Appendix

GCMによる雲分布(海惑星、初期境界0度)

29

Appendix

Leconte et al., 2013

正味中心星放射110%程度で限界(375W/m^2 )• 雲による正のフィードバック• 大気循環による暴走の抑制(大気の乾燥化)

30

Appendix

全球プリミティブ方程式系
1. 連続の式
2. 静水圧の式
3. 運動方程式
4. 熱力学の式
5. 水蒸気の式

以上の式に基づき球面座標に変換
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