목성의 4년마다의 진동의 새로운 관측과 모형화

 

목성 대기에서 약 16년 주기로 발생하는 진동(QQO)과 ~4년기는 1980년대와 1990년대에 걸쳐 적도의 밝기 온도에서 반정규 변화를 감지한 7.8 μm 적외선 관측에서 처음 발견되었다. NASA 적외선 망원경 설비에 장착된 TEXES(Texas Echelon Cross Echelle Spectrograph)를 사용하여 목성 대기에서 0.1 ~ 30hPa 사이를 탐사하는 새로운 관측은 2012년 1월부터 2016년 4월까지 전체 사이클 동안 QQO의 수직 구조를 특징짓고 있습니다. 이러한 새로운 관측치는 이전에 10hPa에서 감지된 열 진동이 2~17hPa의 압력 범위로 확장되었음을 보여줍니다. 우리는 TEXES 관측에서 위도의 함수로 유추된 관찰된 Jovian QQO 온도 서명을 시뮬레이션하기 위해 명시적 행성 등방성 코드 일반 순환 모델에 일련의 파동 드래그 매개 변수화를 통합했다. 새로운 확률적 파장 드래그 매개 변수화는 수직 바람 구조를 탐색하고 QQO를 강제하기 위해 목성 대기에 존재할 가능성이 높은 파장의 스펙트럼에 대한 통찰력을 제공한다. 대류에서 발생하는 고주파 중력파는 QQO 운동량 예산에 상당한 기여를 할 수 있습니다. 모델 온도 출력은 서로 다른 에포크에서 TEXES 데이터 세트에서 검색된 적도 및 주변 위도 온도 필드에 대한 강한 상관 관계를 보여준다. 우리의 결과는 조비아 대기력(예: 대류로부터의 중력파)에 반응하여 시간이 지남에 따라 하강하는 지역 제트로서 QQO 현상을 재현한다.

 

하와이의 망원경으로 목성을 관찰한 결과 적도의 대기 온도 변화를 추적해 4년마다 오르내리는 현상이 나타났다. 지구의 적도 대기에는 비슷한 제트기류가 있는데, 이것은 뇌우에 의해 작동되고 구름 위의 고도에서 대략 두 번마다 방향을 바꾸며, 그에 상응하는 공기 온도 변화와 함께 바뀐다. 이 제트기류의 방향은 허리케인 형성 및 대기 오존 수치와 같은 몇 가지 대규모 기상 패턴과 연결되어 있다. 우리는 이 제트기류와 그 방향의 변화를 재현하기 위해 목성의 열대성 뇌우를 시뮬레이션하는 컴퓨터 모델을 개발했습니다. 우리는 시간의 경과에 따른 온도의 행동을 일치시킬 수 있을 뿐만 아니라 모델의 공간 구조가 목성의 관측된 수평 및 수직 온도와 매우 흡사하다는 것을 알 수 있었다.

 

지구 적도 성층권의 준이항 진동(QBO)은 영역 바람의 교대로 나타나는 패턴이다. QBO의 동쪽과 서쪽 단계는 22개월에서 34개월 사이의 기간으로 단축된다. 평균 기간은 28개월이다(Baldwin et al., 2001). 린젠과 홀튼(1968년)과 홀튼, 린젠(1972년)이 제안한 초기 이론은 QBO의 풍력 역전을 촉진하는 모멘텀을 제공하는 적도적으로 갇힌 중력 또는 행성파의 안정적인 근원을 가정했으며, 이는 차례로 대기권의 온도에 영향을 미친다.

 

대부분의 QBO 이론은 동쪽 전단 구역에서 파동의 위상 속도 근처에서 영역풍을 만나는 동쪽으로 이동하는 파동이 파동을 파괴하고 그 모멘텀을 침전시키는 등 수직으로 전파되는 파동의 임계 수준 흡수를 촉발한다. 임계층 아래의 지역풍은 파동의 위상속도를 향해 "끌려"진다. 서향 전단 구역에서 서쪽으로 이동하는 파도에 대해서도 마찬가지다. 동쪽과 서쪽을 오가는 바람과 물결에는 각각 동쪽과 서쪽을 향하는 관습이 적용된다.

던커턴(1985)은 QBO를 구동하기 위해 행성파만을 활용하는 2차원 모델을 개발했고 관측된 바람과 온도를 재현하는 데 필요한 파동 진폭이 3의 너무 큰 요인이라는 것을 발견했다. 결론은 QBO 모멘텀 예산이 다양한 범위의 대기파를 보유해야 한다는 것이었다(Dunkerton, 1985). 열대 상승은 대기 중력파 또는 GW의 발생원으로 인식되었고 QBO를 구동하는 데 필요한 많은 누락된 추진력을 제공할 수 있었다(Dunkerton & Delisi, 1997). 대기파의 특성은 인과적 메커니즘과 밀접하게 관련되어 있으며, 이 메커니즘이 발생하는 대기권의 특성과 관련이 있다(알렉산더 외, 1995). QBO 운동량 예산의 상당 부분은 지구의 열대에서의 대류에서 비롯되기 때문에, 우리는 대류가 다른 행성 대기, 특히 노로그래픽이 없는 가스 거대 행성 대기의 진동을 구동하는 데 중요하다고 제안했다.

오랜 관찰 캠페인은 QBO와 유사한 적도 성층권 진동의 시간적 진화를 보여주었는데, 이는 목성의 6년마다의 준진동(QQO)과 토성의 반년마다의 진동(Leovy et al., 1991; Orton et al., 2008)으로 식별된다. 또한, 카시니 우주선에 탑재된 복합 적외선 분광계(CIRS)로 만든 목성과 토성의 열장에 대한 고해상도 관측 결과, 열풍 관계를 통해 이들 행성 내에 강력한 성층권 제트(Flasar et al., 2004; Fouchet et al., 2008; Leiming et al., 2008; S; S.이몬 밀러 외, 2006). 카시니 CIRS 관측에서 도출된 순수 가열 속도를 구현하는 수치 시뮬레이션은 복사 강제력이 CIRS 발견과 일치하는 외부 행성 일반 순환 모델(GCM)에서 성층권 제트를 회전시킬 수 있음을 보여주었다(Morales→Juberiaas et al., 2007; Zeang et al., 2011). 그러나 지구의 경우와 마찬가지로, 복사 강제력만으로는 관측된 제트 진폭이나 진동 거동을 일치시키는 데만 사용할 수 없다(Wallace, 1967; Wallace & Holton, 1968). 이러한 진동이 파동 중심 현상이라는 가정을 재확인한다.

지난 수십 년 동안의 계산 발전으로 QBO 모델링이 개선되었으며, 수평 및 수직 분해능이 충분히 높은 GCM은 QBO와 같은 현상을 자발적으로 생성했다(Takahashi, 1996). 극도로 작은 규모로 발생하는 파동 역학을 해결하기 위해 외부 행성 GCM에서 목성과 토성의 진동을 모델링하려면 매우 높은 수평 및 수직 분해능이 필요하다(Hamilton et al., 1999; Kim et al., 2003; Takahashi, 1996). 수직 분해능은 파단 파괴에서 작은 규모의 포화 과정을 시뮬레이션하기 위해 nurn:x-wiley:jgre:media:jgre20765:jgre20765-math-0001 근처에 있어야 한다(Kim 등, 2003). 표 1에 제시된 목성에서 관측된 대기파의 수직 눈금을 고려할 때, EPIC(Expositive Planetic Isentropic Code)와 같은 GCM은 약 1~5km의 수직 분해능을 필요로 한다.