木星大気計算

木星大気放射場のラインバイライン計算を行う際の, 

1. 大気プロファイルの準備

について説明する.

大気プロファイルの変更

概要

理想化した木星大気のプロファイルを作成し, 決められた書式でテキストファイルに保存する. 保存したテキストファイルのデータを, prog01.0_mkprofile_ascii で netcdf 形式でファイルに保存する.

理想化された大気プロファイル

ここでは, 下のような理想化された木星大気プロファイルを考える.

  • 圧力
    • 範囲 : 1e7 Pa (100 bar) から 1e2 Pa (0.001 bar)
    • 間隔 : 0.2 スケールハイト
  • 温度
    • 下端から温度が 105.6 K となる圧力まで中立. ただし T(p=22e5 Pa) = 428 K (Seiff et al., 1998).
      • 105.6 K の温度は, 木星の有効放射温度 125.57 K (Li et al., 2012) を用いて求めた「成層圏温度」. つまり 125.57 / 2**0.25.
      • 中立のとき, 温位 theta = T*(p_0/p)**(R/Cp) 一様.
        • 一様な温位を theta_0 とすると, 温度分布は T = theta_0*(p/p_0)**(R/Cp) = theta_0/(p_0**(R/Cp))*p**(R/Cp) に従う. ただし, R, Cp は定圧比熱, 単位質量あたりの気体定数.
        • T(p=22e5 Pa) = 428 K であるから, theta_0 / p_0**(R/Cp) = 428 / (22e5**(R/Cp)). ただし, 圧力と温度の単位はそれぞれ Pa, K.
          • 平均分子量 : 2.27e-3 kg mol-1
            • 大気組成 : H2 0.865, He 0.135 (Table 4.6 (p.102) of Irwin (2009))
          • 定圧比熱 : 10998 J K-1 kg-1 (Table 4.1 (p.74) of Irwin (2009))
    • 105.6 K となる圧力より高高度は等温
  • 気体体積混合比
    • 考慮する気体種は H2O, CH4, NH3, H2S, H2, He. それぞれの体積混合比は以下 (A, B については備考を参照すること).
      • H2O: 下端では 5.2e-4. 未飽和の時は下端の値. ある高度で飽和したらそれより上空では, それより下層における最小の飽和体積混合比 (定数 A=17.477, B=6164.65)
      • CH4: 下端では 1.8e-3. 未飽和の時は下端の値. ある高度で飽和したらそれより上空では, それより下層における最小の飽和体積混合比 (定数 A=10.682, B=1163.8)
      • NH3: 下端では 6.1e-4. 未飽和の時は下端の値. ある高度で飽和したらそれより上空では, それより下層における最小の飽和体積混合比 (定数 A=17.347, B=3930.6)
      • H2S: 下端では 6.7e-5. 未飽和の時は下端の値. ある高度で飽和したらそれより上空では, それより下層における最小の飽和体積混合比 (定数 A=12.884, B=2702.4)
      • H2 : 0.862 (1 から他の値を引いた)
      • He : 0.135
    • 備考
      • 下端の値は Table 4.6 (p.102) of Irwin (2009) より得た.
      • 飽和体積混合比は p_{sat}/p. ここで p_{sat}, p はそれぞれ飽和蒸気圧と圧力.
        • p_{sat} は定数 A, B, 温度 T を用いて p_{sat} = exp(A-B/T) より求める.
          • 定数 A, B は Table 4.5 (p.96) of Irwin (2009) より得た.
          • 上に挙げた定数 A, B を用いて求めた p_{sat} の単位は bar であることに注意すること.
      • H2O, CH4, NH3, H2S, H2 の HITRAN molecular number はそれぞれ 1, 6, 11, 31, 45.
      • He は HITRAN に含まれていないため, molecular number 91 として吸収線の吸収の無いデータを用意.
  • 雲質量混合比
    • (とりあえず) ゼロ.

上の大気プロファイルを作成し, テキスト形式で保存する Fortran プログラムを作成する. ただし, 出力する圧力, 温度, 体積混合比の単位はそれぞれ Pa, K, mol mol-1 = 1 とすること. テキスト形式の書式については下に説明する.

テキスト形式大気プロファイルデータの書式

保存するテキストファイルの書式 (prog01.0_mkprofile_ascii のプログラムが読み込むファイルの形式) についてはこちらを参照すること.

プログラムの実行

作成した大気プロファイルデータを用いて prog01.0_mkprofile_ascii で netcdf ファイルを作成する.

$ cd prog01.0_mkprofile_ascii

設定ファイルの準備

$ cp sample/Earth.mkprofile.conf mkprofile.conf

  • mkprofile.conf: 入出力ファイルの指定

    &file_nml
  InASCIIFn   = "data/Earth_MidLatSummer.txt",
  OutNcFn     = "out/Earth_ICRCCM_LW_Case27_MLS_CO2-300ppmv.nc",
/

    (注意: 不要なコメント文は削除している.)

    • 変数
      • InASCIIFn : 入力ファイル名 (テキスト形式)
        • 自分で作成したファイル名のパスを指定.

        • 例えば,

          InASCIIFn   = "Jupiter_Simple.txt"
      • OutNcFn : 出力ファイル名 (netcdf 形式)

        • 例えば,

          OutNcFn     = "out/Jupiter_Simple.nc"

コンパイル

$ make

コンパイルが成功すると下の実行ファイルができる.

  • mkprofile

実行

$ ./mkprofile

Finish と表示されれば無事実行終了.

指定した出力ファイルが出来ていることを確認する.