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Three-dimensional modeling of the stratospheres of gas giants
Ajitha Sethunadh, Jisesh
Die Stratosphären der Gasriesen (Jupiter und Saturn) dehnen sich über 14 Skalenhöhen aus, mit der Tropopause, die knapp über den sichtbaren Wolken beginnt als Untergrenze und der Thermosphäre als Obergrenze. Die stratosphärische Dynamik ist bisher nur in Ansätzen verstanden und unterscheidet sich in vielen Punkten von derjenigen der terrestrischen Planeten, weil die Randbedingungen für den Antrieb der stratosphärischen Zir- kulation der Gasriesen recht verschieden sind: Die Planeten sind größer, rotieren schneller, haben keine feste Oberfläche und absorbieren vergleichsweise wenig Energie von der Sonne. Sie setzen stattdessen Energie durch Vorgänge im Innern frei, die starken Einfluss auf die Zirkulation der Stratosphäre haben. Das Ziel dieser Arbeit war, ein dreidimensionales allgemeines Zirkulationsmodell (engl. GCM) zu entwickeln, das die Stratosphären von Gasriesen simuliert und dieses Modell auf Jupiter, Saturn und extrasolare Planeten anzuwenden. Das Modell ist sehr rechenintensiv, weil es in der Lage sein muss, kleinere Strukturen als die Rossby Verfor- mungsradien aufzulösen, was Rechnungen mit sehr hoher räumlicher Auflösung erfordert. Der schwache Strahlungsantrieb erfordert zudem aus Stabilitätsgründen kleine Zeitschritte und darüber hinaus lange Integrationszeiten bis die Felder ihren Gleichgewichtszustand erreicht haben. Das hier entwickelte Modell besteht aus einem dynamischen Gitterpunktskern und löst die nichtlinearen primitiven Gleichungen mittels hydrostatischer Näherung. Es deckt den Höhenbereich von 1-2 bar bis 1-10 µbar ab und setzt die Verteilung der beobachteten zonalen Windgeschwindigkeiten an der oberen Wolkengrenze als untere Randbedingung an. Die Anwendung des Modells auf die Saturnstratosphäre ermöglichte die Empfindlichkeit der simulierten Felder auf numerische Parameter wie Auflösung, Intensität der horizontalen Diffusion sowie der verwendeten Zeitschritt-Algorithmen zu untersuchen. Weitere Simulationen konzentrierten sich auf das Studium der mittleren zonalen Zirkulation sowie der räumlich aufgelösten Wellenaktivität in den Atmosphären von Jupiter und Saturn. Es zeigte sich, dass der meridionale Transport auf beiden Planeten nur schwach ausgeprägt ist und eine Aufwärtserweiterung der mannigfaltigen Zirkulationszellen darstellt, die durch die alternierenden zonalen Winde in den Zonen und Gürteln an der Untergrenze der Modellatmosphäre erzeugt werden. Die simulierten mittleren Felder und nichtzonale Störungen zeigten eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Beobachtungen, insbesondere in niedrigen Breiten, die vom Modell am höchsten aufgelöst werden. Mit dem hier entwickelten GCM wurden zudem die Veränderungen der Zirkulationsregime von Gasriesen durch atmosphärische Erwärmung als Folge erhöhter Absorption solarer, bzw. stellarer Einstrahlung untersucht. Warme Gas-Exoplaneten wurden in großer Anzahl in Entfernungen entdeckt, die zwischen denen von kalten und heißen Gasriesen liegen. Die Analyse der Simulationen zeigt einen verstärkten meridionalen Transport, in erster Linie hervorgerufen durch Impulsübertrag vertikal wandernder thermischer Gezeiten. In der vorliegenden Arbeit wurde die methodische Eignung des neuentwickelten GCM für das Studium der atmosphärischen Dynamik von Gasriesen aufgezeigt und ein großer Fortschritt in deren Modellierbarkeit erreicht. Die Fähigkeit, die Dynamik der Jupiteratmosphäre zu modellieren liefert neue Grundlagen und Perspektiven zur Interpretation von Beobachtungsdaten und zeigt eindeutige Synergien mit der JUICE (JUpiter ICy moon Explorer) Mission der ESA.
Stratospheres of giant gas planets of the Solar System (Jupiter and Saturn) extend above the cloud top layers near the tropopause to the lower thermosphere, and have a thickness of about 14 density scale heights. Their stratospheric dynamics are poorly understood, and are very distinctive from that of terrestrial-like planets due to peculiarities of the gas giants: the size, fast rotation, absence of solid surfaces, weak radiative forcing, and strong influence of the interiors.
The main objectives of this work were to develop a three-dimensional general circulation model (GCM) suitable for simulating the stratospheres of gas giants, and to apply it for studying the global circulations in the stratospheres of Jupiter, Saturn, and generic extrasolar planets. Such models are computationally demanding, because they have to resolve horizontal scales shorter than the Rossby deformation radii that are very small compared to the planet sizes. In addition, weak radiative forcing requires long-time integration for equilibration of the fields, and small time steps for maintaining the stability. The developed model is based on a grid-point dynamical core, and solves the nonlinear primitive equations under the hydrostatic approximation. It covers altitudes from 1–2 bars to 1–10 microbars, and uses the observed distributions of zonal winds at the cloud layers as a lower boundary condition.
Application of the GCM to the stratosphere of Saturn allowed to explore the sensitivity of the simulated fields to the numerical aspects like resolution, strength of horizontal diffusion, time-stepping algorithms. Further simulations were focused on studying the zonal mean circulation and the resolved wave activity on Saturn and Jupiter. They revealed, in particular, that the meridional transport on both planets is weak, and represents an upward extension of multiple cells imposed by the alternating zonal winds in the zones and belts at the lower boundary. The simulated mean fields and non-zonal disturbances were compared with available observations, and showed a good agreement in low latitudes, where the model resolution was the most sufficient.
The developed GCM was applied to studying the change of the circulation regimes on gas giants induced by an increased heating due to stellar radiation absorption. Such "warm" gas exoplanets have been found in large quantities at distances intermediate between those for cold and hot transiting giants. The analysis showed that the meridional transport intensifies on such planets, and most of the changes are due to the momentum deposited by vertically propagating thermal tides.
The developed GCM showed methodological suitability for studying atmospheric dynamics of giant gas planets under a variety of conditions. It represents a major step in developing model capabilities, and is in a great synergy with the planned Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) mission. The model can provide an insight into the stratospheric dynamics of Jupiter, and help with the interpretation of observational data.
