回転球殻内での貫入対流の研究

旋转球壳内侵入对流的研究

• 批准号: 12740274
• 负责人: 竹広 真一
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12740274/
• 关键词: 対流; 回転; 木星大気; 地球中心核; 成層; 地球中心殻

本研究では,木星大気や地球中心核内の対流の基本的な性質を調べるために,回転球殻内における熱対流の安定成層への貫入の問題に対して,数値実験と理論的考察で取り組んだ.前年度に得られた貫入の程度の理論的な見積もりが対流の臨界状態を超えた有限振幅状態でも有効であるかを調べるために,外側が安定成層,内側が不安定成層している回転球殻内の対流の時間発展数値計算を行った.回転角速度と安定成層の強さを様々に変えて十分に対流運動が発達し,運動エネルギーが一定になるまで時間積分した.その結果,安定成層が弱い場合には回転軸方向に伸びたテイラー柱型の対流セルが安定成層に深く貫入し外側境界にまで達するが,安定成層が強くなると貫入が弱くなり下層の不安定成層内にのみ対流運動が集中していく様子が観察された.したがって,テイラー柱型対流運動に関しては,有限振幅状態でも理論的な見積もりが有効であることが示された.しかしながら,対流運動によって引き起こされる平均帯状流成分については理論的な見積もりとは一致しない.粘性の効果のために,平均帯状流成分は安定度を強くしても安定成層を大きくつき抜けてしまう結果が得られた.テイラー柱型対流と比較して,平均帯状流は安定成層をつき抜けやすいという本研究の結果は,木星型惑星表面の帯状流が表面での対流運動に起因しているのでなく,むしろ安定成層の下にトラップされて表面までは到達できない深部の柱状対流によるものかも知れないことを示唆している.深部にて柱状対流により引き起こされた平均帯状流が安定成層を貫いた結果が表面で観測されているのかもしれない.

在这项研究中，为了研究木星大气层和地球中心核心对流的基本特性，我们利用数值实验和理论考虑来解决热对流渗透到旋转球壳内稳定层化的问题。研究上一年入侵程度的理论估计是否在超过对流临界状态的有限振幅状态下、外层具有稳定层结、内层具有不稳定层结的情况下对流的时间演化。旋转球壳我们进行了展开数值计算。我们改变旋转角速度和稳定层结的强度，并对对流运动充分发展且动能变得恒定的时间进行积分。结果发现，如果稳定层结较弱，沿轴向延伸的旋转泰勒柱状对流单元深深地穿透稳定层结并到达外边界，但随着稳定层结的增强，穿透力逐渐减弱，对流运动仅集中在下方的不稳定层结中。观察到的因此，对于泰勒柱状对流运动，即使在有限振幅条件下，理论估计也是有效的。但是，对于对流运动引起的平均纬向流分量，由于粘性的影响，理论估计不匹配，即使稳定性增强，平均纬向流分量也很大程度上穿透了稳定层结。与泰勒柱状对流相比，这项研究结果表明，平均纬向流很容易穿透稳定层结，这表明类木行星表面的纬向流不是由表面的对流运动引起的，而是被困在稳定层结之下，并且确实存在。这表明可能是由于深层柱状对流无法到达。在地表可以观察到深层柱状对流穿透稳定层结引起的平均纬向流结果。 。

项目成果

Takehiro, S., Lister, J.R.: "Penetration of columnar convection into an outer stably stratified layer in rapidly rotating spherical fluid shells"Earth and Planetary Science Letters. 187. 357-366 (2001)

Takehiro, S., Lister, J.R.：“柱状对流渗透到快速旋转的球形流体壳中的外部稳定分层层”地球与行星科学快报。