Super- and sub-rotating equatorial jets: Newtonian cooling versus Rayleigh friction
旋转球体上浅水方程的数值模拟产生了强大的漩涡和交替的带状喷流的混合物，就像在气体巨行星的大气中看到的那样。然而，模拟，包括瑞利摩擦总是产生一个子旋转（逆行）赤道喷流木星参数制度，而木星的观测表明，一个超旋转（逆时针）赤道喷流已经持续了几十年。超旋转赤道射流最近已获得浅水模拟，包括牛顿松弛的扰动层厚度模型辐射冷却空间，并在模拟的热浅水方程，包括一个类似的松弛项在其温度方程。模拟全球准地转形式的这些不同的模式产生赤道急流在相同的方向上的父模型，这表明机制负责设置的方向在于准地转理论。我们提供了这样一个机制，通过计算的有效力作用在厚度加权纬向平均流由于赤道被困Rossby波的衰减。衰减由于牛顿冷却创建一个向东的纬向平均流在赤道，形成一个超旋转的赤道射流相一致，而衰减由于瑞利摩擦导致向西的纬向平均流在赤道，形成一个子旋转赤道射流相一致。在这两种情况下，绝对纬向动量的纬向积分平均值都是向西的，这与Rossby波携带向西的伪动量的标准结果一致，但这并不排除纬向平均流在赤道上和赤道附近向东。
2017-01-04 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Equatorial superrotation on tidally locked exoplanets
对系外行星观测的日益丰富激发了对这些行星的各种三维大气环流模型的研究。在强辐射条件下，潮汐锁定的短周期行星模型（包括热行星和类地行星）往往会表现出一种由赤道快速向东或“超旋转”的喷流主导的环流。在适当的条件下，这种现象可以导致最热的区域从亚恒星点向东移动数十度经度。在HD 189733 b上观察到了这样的偏移，支持了短周期系外行星上赤道喷流的可能性。尽管它的相关性，但是，在这样的模型中产生赤道超旋转的动力学机制还没有被确定。在这里，我们表明，赤道急流的结果从站在，行星尺度的Rossby和开尔文波引起的昼夜热力强迫的平均流的相互作用。罗斯贝波发展出相位倾斜，将高纬度地区的动量向东输送到赤道，从而引发赤道超旋。我们提出了一个分析理论，证明了这种机制，并探讨其属性的层次结构的一层（浅水）计算和全三维模型。波-平均流相互作用产生赤道急流，其纬向宽度与Rossby波相当，即赤道Rossby变形半径由辐射和摩擦效应修改。对于同步旋转的热木星来说，这个长度相当于行星的半径，解释了大多数热木星模型中赤道喷流的广泛规模。我们的理论阐明了赤道喷流速度对强迫振幅、摩擦强度和其他参数的依赖性，以及喷流形成的条件。
2011-07-06 astro-ph.EP
Global climate modeling of Saturn's atmosphere. Part IV: stratospheric equatorial oscillation
卡西尼号上的复合红外光谱仪（CIRS）揭示了平流层温度的赤道振荡，让人想起地球的准两年振荡（QBO），以及土星环下的异常高温。为了更好地了解土星平流层大气环流的这些主要特征，我们将在以前的出版物中已经用于研究对流层动力学、喷流形成和行星尺度波活动的伽利略-土星全球气候模型（GCM）扩展到更高的高度。首先，研究了高层模式顶部对对流层纬向急流的影响和动能分布。升高模式顶部可以防止对流层顶能量和涡度拟能的积累。参考GCM模拟与1/2 $^{\circ}$纬度/经度分辨率和一个凸起的模式顶部表现出类似QBO的振荡所产生的解决行星尺度波。然而，周期更不规则，向下传播比观测快。此外，相比CIRS观测反演，模拟的QBO样振荡低估了一半的赤道温度异常的幅度和垂直特征长度的赤道振荡。这类QBO振荡主要是由向西传播的波驱动;一个显着缺乏东向波强迫解释了波动向东阶段的QBO振荡。在北纬20 $^{\circ}$和南纬20 $^{\circ}$，土星-土星大气环流模式交替地在北半球和南半球表现出几个强的季节性东向急流。这些喷流与环的阴影有关。使用GCM模拟没有环的阴影，我们显示其对土星的平流层动力学的影响。剩余平均环流和涡动强迫都受到环阴影的影响。
2020-06-24 astro-ph.EP physics.ao-ph
A Possible Mechanism to Explain the Prograde Equatorial Jet of a Jupiter-like Gaseous Giant
Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Science（中国科学院上海天文台）
本文提出一种机制，通过氢气包层中的恒定层中产生的典型的水磁波解释气态巨行星大气云顶喷流的形成，影响赤道热结构，促进向东喷流的形成。
2026-03-29 astro-ph.EP
First direct measurement of auroral and equatorial jets in the stratosphere of Jupiter
上下文木星的对流层风型由交替的顺时针和逆行的纬向喷流组成，典型的速度可达100米/秒。在更高的高度，在电离层中，发现了强烈的极光喷流，速度为1-2公里/秒。在地球的平流层中没有这样的直接测量。目的。在本文中，我们通过直接测量木星平流层的风速来弥补这些测量之间的高度差距。方法.我们使用阿塔卡玛大型毫米/亚毫米阵列的非常高的光谱和角分辨率成像的木星平流层反演风速作为纬度的函数，通过拟合多普勒频移引起的风的谱线。结果我们第一次探测到位于1毫巴的赤道纬向喷流，即木星准四年振荡发生的高度以上。最值得注意的是，我们发现300-400米/秒的非纬向风在0.1毫巴以上的极地地区下面的主要极光椭圆形。它们是反向旋转的，位于电离层极光风下方数百公里处。我们怀疑它们是电离层极光风的下尾。结论.我们首次直接探测到木星平流层的强风。它们在低至中纬度是纬向的，而在极地纬度是非纬向的。在极纬发现的风系统可能有助于提高化学络合的效率，限制在一个大的高能电子沉淀的区域的光化学产品。
2021-03-22 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.space-ph
A Theoretical Model of X-ray Jets from Young Stellar Objects
有一个子类的X射线喷流来自年轻的恒星物体，它们被加热到非常接近喷流的脚点，特别是DG Tau喷流。以前的模型将强烈的加热归因于射流中的冲击。然而，在足点局部加热的机制仍然令人费解。我们提出了一个不同的模型，这样的X射线喷流，其中磁盘的气氛是磁加热。我们的盘状日冕模型是基于所谓的太阳日冕纳米耀斑模型。我们发现，即使盘中的平均场强中等偏弱（> 1 G），盘附近的磁加热也会导致形成温度> 10^6 K的热日冕。我们通过考虑加热和冷却之间的能量平衡来确定射流底部的密度和温度。导出了质量损失率与射流终极速度的标度关系。我们的模型被应用到DG头喷气机。在圆盘磁场强度为~20 G，加热区<0. 1 au的情况下，观测到的温度和估算的质量损失率与我们模型的预测一致。推导出的X射线射流温度的标度关系可以作为估算磁场强度的有用工具。另外，我们还发现，射流X射线可以对盘表面附近的电离度和死区尺寸产生显著的影响。
2017-08-17 astro-ph.EP astro-ph.SR
Extremely long convergence times in a 3D GCM simulation of the sub-Neptune Gliese 1214b
我们给出了潮汐锁定迷你海王星GJ 1214 b的灰色气体大气环流模型（GCM）模拟。在1，000 - 10，000地球日的时间尺度上，我们的结果与以前对同一行星的研究相当，因为它们都表现出两个偏离赤道的东向喷流。在更长的积分时间（50，000 - 250，000地球日），我们发现了一个显着不同的环流和观测特征。纬向平均气流从两个离赤道急流转变为一个速度更高、延伸更深的宽赤道急流。热点位置也随着积分时间向东移动。我们的研究结果意味着收敛时间远远长于在以前的研究中使用的典型的集成时间。我们证明了这种长的收敛时间与深层大气的长辐射时间尺度有关，并且可以通过一系列简单的参数来理解。我们的研究结果表明，必须特别注意模型收敛时间在系外行星GCM模拟，潮汐锁定的系外行星厚大气层的流通的其他结果可能需要重新审视。
2020-04-04 astro-ph.EP
An Enduring Rapidly Moving Storm as a Guide to Saturn's Equatorial Jet's Complex Structure
本研究通过2015年土星赤道一场450米每秒高速移动的持续亮风暴，结合辐射传输模型揭示赤道急流存在三层运动、强垂直风切变及时间变化性，为巨行星急流模型提供观测依据。
2024-01-31 astro-ph.EP
Mapping the zonal winds of Jupiter's stratospheric equatorial oscillation
自20世纪50年代以来，人们一直在研究地球赤道平流层的准周期振荡。太阳系的其他行星也存在（或预计会存在）这样的振荡，如木星赤道振荡（JEO）和土星半年振荡（SSAO）。在木星的平流层中，其相对温度结构围绕赤道的赤道振荡具有4.4年的准周期。木星赤道区的平流层风场从未被直接观测到。在本文中，我们的目标是映射在木星的赤道平流层的绝对风速，以量化垂直和水平风和温度切变。假设地转平衡，我们使用Gemini/TEXES在0.1和30 mbar之间几乎同时进行的平流层温度测量以及从ALMA观测中获得的1 mbar直接纬向风测量来应用热成风平衡，所有这些都是在2017年3月14日至22日之间进行的。因此，我们能够计算自洽的纬向风场在木星的平流层的JEO发生。首次获得了木星赤道附近平流层纬向风速随纬度和气压的变化图。风是垂直分层的，有连续的东向和西向急流。我们发现在赤道4毫巴时有一个200米/秒的向西急流，其典型的纵向变化约为50米/秒。通过将我们的风计算扩展到对流层上部，我们发现风结构定性地接近使用云跟踪技术观察到的风。几乎同时的温度和风测量，无论是在平流层，是一个强大的工具，为未来的调查的JEO（和其他行星赤道振荡）及其时间演变。
2021-07-16 astro-ph.EP
Jet Streams and Tracer Mixing in the Atmospheres of Brown Dwarfs and Isolated Young Giant Planets
对褐矮星和相对孤立的太阳系外年轻巨行星的观测为探索新领域的大气动力学提供了前所未有的细节。关于全球流通的机制问题仍有待解决。以往的研究表明，小规模的，随机变化的热扰动对流和上覆的分层层之间的相互作用，可以驱动纬向急流，波，湍流。在这里，我们改进了我们以前的大气环流模式，使用双流灰色辐射转移计划，以代表更现实的加热和冷却速率。我们研究了纬向急流的形成及其时间演化，以及被动示踪剂（包括云和化学物质）的垂直混合。在相对较弱的辐射和摩擦耗散下，速度高达几百$\rm m\;s^{-1}$的强纬向急流是典型的结果。离赤道急流倾向于与气压无关，而赤道急流则表现出明显的垂直风切变。具有强耗散的模型抑制射流的形成，并在赤道外区域具有各向同性湍流。在相对较低的大气温度下，赤道气流的准周期振荡普遍存在，周期从几十天到几个月不等。亚微米的云粒子可以被输送到凝结水平以上的几个尺度的高度，而较大的粒子形成较薄的层。云层顶部附近的云板是不均匀的。具有化学时标$>10^5$ s的化学示踪剂可被驱离平衡。全球平均示踪剂的等效垂直扩散系数$K_{\mathrm{zz}}$是从我们的模型中诊断出来的，通常为$1\sim10^2\rm m^2\;s^{-1}$的量级。最后，在相应的条件下，我们给出了不同类型示踪剂的$K_{\mathrm{zz}}$的解析估计。
2022-03-20 astro-ph.EP astro-ph.SR
Atmospheric Circulation of Brown Dwarfs and Jupiter and Saturn-like Planets: Zonal Jets, Long-term Variability, and QBO-type Oscillations
棕矮星和直接成像的巨行星显示了活跃的大气环流的重要证据，这导致了云结构中的大规模斑块，随着时间的推移显着演变，如红外线曲线和多普勒地图所证明的那样。这些观测结果提出了关于环流的基本性质，其时间变化以及与木星和土星环流的整体关系的关键问题。木星和土星本身在云层中也有许多强劲的纬向（东西向）喷流;此外，这两颗行星都有长期的平流层振荡，包括纬向风和温度的扰动，这些扰动会在约4年（木星）和约15年（土星）的时间尺度上向下传播。这些振荡被称为木星的准四年振荡（QQO）和土星的半年振荡（SAO），被认为类似于地球上的准两年振荡（QBO），这是由对流层赤道波向上传播驱动的。为了研究这些问题，我们在这里提出了全球性的，三维的，高分辨率的数值模拟流在分层的大气-覆盖对流内部-褐矮星和类星体行星。内部对流的影响参数化诱导小尺度，随机变化的扰动的辐射对流边界的基础上的模型。在模拟中，对流扰动产生大气波和湍流，与旋转相互作用，产生大量的纬向喷流。此外，赤道平流层呈现出堆叠的东向和西向喷流，随着时间的推移向下迁移，正是发生在地球的QBO，木星的QQO，土星的SAO。这是第一次在巨行星的3D数值模拟中展示类似QBO的现象。
2019-08-02 astro-ph.EP
3D Structures of equatorial waves and the resulting superrotation in the atmosphere of a tidally locked hot Jupiter
本文研究了由恒星孤立激发的三维赤道陷波和由此产生的赤道超旋转喷流。以热木星HD 189733 b为例，解析求解了一组包含均匀纬向平均流的恒星定常加热线性方程组。我们还从Dobbs-Dixon & Agol（2013）对HD 189733 b的辐射流体动力学模拟中提取了大气最终平衡态的波动信息。我们发现，解析波解能够定性地解释三维模拟结果。研究波的垂直结构，使我们能够探索新的波的功能，如向西倾斜的波前有关的Rossby波共振以及双回旋的色散Rossby波。我们还尝试应用我们的线性波分析来解释Showman & Polvani（2011）在GCM中看到的与赤道急流发展相关的一些数值特征。在赤道喷流的自旋上升阶段，由于波动量通量的发散而导致的喷流的加速原则上可以通过Rossby波共振来增强，因为超旋转喷流速度接近Rossby波的相速度。然而，我们也发现，随着喷流速度的增加，Rossby波结构东移，而开尔文波结构保持近似静止，导致加速率下降。我们的喷流演化的分析模型意味着只存在一个稳定的大气平衡态，可能意味着大气的最终状态是独立的初始条件在线性制度。还讨论了局限性和未来的改进。
2014-08-20 astro-ph.EP
Gas Giant Simulations of Eddy-Driven Jets Accompanied by Deep Meridional Circulation
本文利用三维深层非弹性模型同时再现气态巨行星赤道气流、中纬度涡动喷流及伴随经向环流，揭示垂直与经向涡动动量通量的作用及二者维持机制。
2023-12-17 astro-ph.EP physics.ao-ph
The Equatorial Jet Speed on Tidally Locked Planets: I -- Terrestrial Planets
潮汐锁定行星的大气环流由超旋转的东向赤道喷流控制。我们开发了一个预测理论，形成这种射流，提出了一种机制，在该机制中，由昼夜强迫梯度引起的三维驻波产生赤道加速度。这是平衡的平衡之间的相互作用所产生的射流和垂直运动的大气。纬向加速度的三维结构对这一机制至关重要。我们证明了这种机制的层次模型。我们计算了这些行星上的强迫所引起的三维驻波，并显示了这些波所产生的纬向加速度的垂直结构，我们用它来提出一个机制，如何喷流的形式。GCM模拟被用来确认由该机制预测的平衡态，其中来自这些波的加速度被平衡的纬向平均垂直速度和射流之间的相互作用。我们推导出一个简单的模型，这使用“弱温度梯度”近似，它给出了一个估计的喷流速度的陆地潮汐锁定的行星。我们的结论是，拟议的机制是一个很好的描述形成的赤道喷流的陆地潮汐锁定的行星，并应有助于解释这些行星的观测和模拟。该机制需要假设，如一个大的赤道Rossby半径和弱加速度，由于瞬态波，和不同的机制可能会产生赤道喷流的气体潮汐锁定行星。
2020-09-01 astro-ph.EP physics.ao-ph
Saturn Variable Thermosphere
我们对土星中性热层的了解远远优于其他巨行星，这是由于卡西尼紫外成像光谱仪（UVIS）对迄今为止分析的15次太阳掩星和26次恒星掩星的观测。这些测量产生H2作为主要物质，H摩尔分数的上限为5%。下边界附近的推断温度约为150 K，在赤道纬度上升到约400 K的渐近值，并随纬度增加到550-600 K范围内的极地值。后者与估计的极光总功率输入约10 TW一致，产生焦耳和高能粒子加热约5- 6 TW，比太阳EUV/FUV加热大一个数量级以上。这种极光加热将足以解决土星热层加热的能源危机，如果它可以有效地重新分配到低纬度。推断的热层结构产生极向压力梯度的等势面一致的极光加热和极向温度升高。高空的梯度风平衡与这些压力梯度意味着向西的逆行风约为500 m/s或中纬度地区的马赫数约为0.3。掩星揭示了热层的膨胀，在春分或秋分之后达到峰值，与太阳活动反相关，显然是由不明原因的低热层加热驱动的。He的摩尔分数仍然不受约束，因为没有卡西尼UVIS He 58.4 nm气辉测量已经公布。
2016-10-24 astro-ph.EP
Zonal flow regimes in rotating anelastic spherical shells: an application to giant planets
在巨行星上观测到的表面纬向风形成了一种复杂的喷流模式，具有交替的顺时针和逆时针方向。虽然主赤道带位于气体巨星上，但两颗冰巨星都有明显的逆行赤道喷流。我们使用旋转球壳中的可压缩对流的三维数值模型来探索旋转或浮力主导力平衡的不同制度中的纬向流的性质。我们进行了系统的参数研究，以量化的依赖纬向流的背景密度分层和对流的驱动。我们发现赤道纬向风的方向是由浮力和科里奥利力的比值控制的。在旋转主导的制度中，发现由雷诺应力维持的赤道带。在浮力主导科里奥利力的情况下，每单位质量的角动量是均匀的，赤道带是逆行的，让人想起在冰巨星中观察到的。在这个制度中，纬向射流的振幅取决于背景密度对比与强分层模型产生更强的射流比可比弱分层的情况下。此外，我们的结果可以帮助解释恒星对流区的滞弹性模型中发现的类太阳和“反太阳”微分自转之间的过渡。在强分层的情况下，我们发现，领先的顺序力平衡可以显着变化的深度（旋转为主的内部和浮力为主的薄表层）。这种所谓的“过渡状态”在主赤道急流中有一个明显的特征，它显示出一个明显的凹坑，其中气流振幅朝赤道方向明显衰减。在木星上也观察到类似的凹陷，这表明行星内部的对流可能在这种情况下运作。
2013-02-25 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Global climate modeling of Saturn's atmosphere. Part II: multi-annual high-resolution dynamical simulations
卡西尼号任务揭示了土星大气层中强烈而多样的活动：带状喷流，波，漩涡，赤道振荡。为了更好地理解这些现象，我们对土星的大气动力学进行了高分辨率的多年数值模拟。我们为土星建立了一个新的全球气候模型[GCM]，命名为土星GCM，通过将为土星量身定制的辐射季节模型与基于适合并行架构的二十面体网格的流体动力学求解器相结合。数值耗散的影响，和角动量守恒，在模型中检查之前，参考模拟采用土星的GCM与$1/2^{\circ}$经纬度分辨率被认为是分析。中纬度带状急流显示与观测相似，我们的模式再现。这些射流的加速和维持的涡流动量转移到平均流，与动量通量的大小符合观测值。涡动活动随时间的变化不具有规律性，而是呈爆发性，正压和斜压不稳定都可能对涡动活动产生影响。喷流发生的稳定纬度在我们的模型的自旋上升期间由向极迁移控制。在赤道，我们的GCM模拟得到了一个弱超旋转的对流层急流和垂直叠加的交替平流层急流。该模型产生的Yanai（Rossby重力），Rossby和开尔文波在赤道，以及extratroup-Rossby波，并在极地地区的大尺度涡。在对流层中再现土星强大的超旋转喷流和六边形绕极喷流，以及在平流层中向下传播的赤道振荡，仍然存在挑战。
2019-08-01 astro-ph.EP physics.ao-ph
Zonal flow scaling in rapidly-rotating compressible convection
木星和土星的表面风主要是纬向风。每颗行星都表现出强烈的赤道气流，两侧是高纬度的多个交替的纬向风。这些流动的渗透深度长期以来一直存在争议，仍然是一个未解决的问题。以前的旋转对流模型获得了多个高纬度带状喷流，与巨行星上的喷流相当，假设不可压缩（Boussinesq）流体，这对气体巨行星来说是不现实的。后来的可压缩旋转对流模型只得到了很少的高纬度急流，这些急流不适合于标度分析。在这里，我们提出了3-D数值模拟的可压缩对流在快速旋转球壳。为了探索高纬度纬向喷流的形成和缩放，我们考虑具有强径向密度变化和Ekman数范围的模型，同时保持土星的纬向流Rossby数特征。所有的模拟结果都显示出切向圆柱体外有一个很强的近赤道喷流。在低埃克曼数时，切向圆柱体内的每个半球中形成几个交替的射流。为了分析我们的数值模型和木星和土星的射流缩放，我们扩展莱茵缩放的基础上的地形$β$参数，这是以前适用于不可压缩流体的球壳，可压缩流体。喷流宽度预测的修改后的莱茵河长度被认为是在相对较好的协议与我们的数值模式的结果和云跟踪观测木星和土星。
2014-03-26 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
