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deepconv/arare4 : H2O, NH3, NH4SH の凝縮を考慮した木星雲対流

計算の概要

Nakajima {it et al}. (2000) と同様の系を設定し, 多数の雲の生成消滅が繰り返された結果として決まる 平均的な大気構造調べた.

北大情報基盤センター SR11000 にて計算.

計算設定

• 基本場の設定
  • 温度: 0 km (30 bar) 〜 200km まで等温位, 200km より上は温度一定
  • 放射強制: -1 K/day (高度 100km から 200 km)
  • ニュートン冷却: 全領域において, 温位擾乱の水平平均を基本場に緩和させる. 緩和時間 5 日.
  • スポンジ層: 領域の上層 40 km, 緩和時間 100 秒
  • 数値拡散係数 1e-6
  • 30 bar での温度を 470 K とする.
• 大気成分
  • 乾燥成分: H2, He
  • 凝結成分: H2O, NH3, H2S
    • H2O, NH3, H2S の混合比は, それぞれの凝縮高度である 100 km, 130 km, 160 km より上で相対湿度 75 %, 凝縮高度より下でそれぞれ太陽組成(Anders and Grevesse, 1989)の 1, 2.5, 2.5 倍.
• 計算領域と時間ステップ
  • 領域:
    • 水平 512 km,
    • 鉛直 300 km (下端で 30 bar)
  • 解像度: 2.0 km (水平・鉛直とも)
  • 時間ステップ
    • 長い時間ステップ: 4 秒
    • 短い時間ステップ: 0.4 秒 (音波に対するクーラン数は約 0.2)
  • 境界条件
    • 水平境界: 周期境界条件
    • 上下境界: 応力なし, w=0
    • 下部温度固定.
      • 大気直上(k=1)での温度擾乱を常にゼロとする.
    • 下部での凝結成分の混合比固定.
      • 大気直上(k=1)での混合比の擾乱を常にゼロとする.
• 初期条件
  • H2O の凝結高度(100 km)付近に, 最大 0.3 k の温度擾乱を設定.

設定ファイル

arare.conf

備忘録

結果一覧

解析

anal_dcl3.png 10^6 秒後での静的安定度 N^2. ピークが 2 箇所見られ, NH4SH に対応するピークが見られない. 高度 0 km 〜 200 km をプロット.

anal_dcl4.png 10^6 秒後での静的安定度 N^2(実線)に対する温度減率 dT/dz の寄与(破線)と分子量変化 dM/dz の寄与. 100 km 〜 130 km 付近では, 温度減率が乾燥断熱減率程度であり, 静的安定度は分子量変化で決まる. 高度 0 km 〜 200 km をプロット.

anal_dcl5.png 10^6 秒後での水平平均した凝縮成分混合比(太線)と初期の熱平衡状態での混合比(細線).実線, 破線, 一点鎖線はそれぞれ H$_2$O, NH$_3$, H$_2$S 混合比を示す. 対流層では凝縮成分が削られていることがわかる.

anal_dcl6.png 10^6 秒後での水平平均した凝縮成分混合比(太線)と飽和蒸気圧(細線).実線, 破線, 一点鎖線はそれぞれ H$_2$O, NH$_3$, H$_2$S 混合比を示す.

anal_dcl7.png NH4SH の凝縮条件のチェック. log(P_NH3 P_H2S) と平衡定数をプロット.

anal_dcl8.png 10^6 秒後での浮力(実線)に対する, 温度偏差の寄与(破線), 分子量の寄与(点線), 雲と雨の引きずり効果(一点鎖線). 高度 100 km 付近では, 雲と雨の引きずり効果と雨の再蒸発による冷却の効果が効いているようだ.

PotTemp_t1000000.png 10^6 秒後の温位擾乱. 高度 100 km 〜 140 km において負の領域が見られる

VelZ_t1000000.png 10^6 秒後の鉛直速度. 「3 階建ての対流?」. 160 km の N^2 のピークの影響はあまり分からない....

anal_Cloud_t1000000.png 10^6 秒後の H2O, NH3, NH4SH の雲の混合比の和. 高度 160 km 付近で上下に分離しているように見える.

anal_Rain_t1000000.png 10^6 秒後の H2O, NH3, NH4SH の雨の混合比の和. 高度 160 km 付近で上下に分離しているように見える.

温位の擾乱

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エクスナー関数の擾乱

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水平風速度

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水平風速度

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乱流拡散係数.

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H2O(g)の混合比. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 2e-2 kg/kg を表示.

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NH3(g)の混合比. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 2e-2 kg/kg を表示.

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H2S(g)の混合比. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 2e-2 kg/kg を表示.

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H2O 雲の混合比. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 1e-3 kg/kg を表示.

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H2O 雨の混合比. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 1e-3 kg/kg を表示.

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NH3 雲の混合比. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 1e-3 kg/kg を表示.

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NH3 雨の混合比. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 1e-3 kg/kg を表示.

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NH4SH 雲の混合比. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 1e-3 kg/kg を表示.

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NH4SH 雨の混合比. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 1e-3 kg/kg を表示.

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H2O, NH3, NH4SH 雲の混合比の和. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 1e-3 kg/kg を表示.

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H2O, NH3, NH4SH 雨の混合比の和. ログでプロットしている. 1e-8 kg/kg から 1e-3 kg/kg を表示.

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安定度の水平平均

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