close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

численное моделирование климата планет земной группы

код для вставкиСкачать
Численное моделирование
климата планет земной группы
А.В.Родин (МФТИ/ИКИ РАН)
R.J.Wilson (NOAA/GFDL)
Т.С.Афанасенко, Н.А.Евдокимова, А.А.Федорова (ИКИ РАН)
И.В.Мингалев (ПГИ РАН)
Основные физические механизмы:
Циркуляция атмосферы
Излучение
Климатическая геофизическая гидродинамика
система
спектроскопия
теория переноса
Облака и аэрозоли
Фазовые переходы
микро- и
мезофизика
Обмен атмосфера-поверхность
Перенос летучих на поверхности
Однородная поверхность возраста ~ 0.75 Gyr
Планета Венера
Атмосфера
p = 93 бар
T = 735 K
CO2, N2, Ar, Kr,
H2O, SO, SO2, OCS...
Облачный слой
H2SO4
a = 0.723 а.е.
To = 224,7 сут.
Td = 243 сут.
M = 0.815 Mземли
R = 0.949 RЗемли
S = 2622 Вт/м2
A = 0.75
Однородная структура атмосферы
tIR = 1
Суперротация
Основной перенос энергии осуществляется
в далеких крыльях спектральных линий
Эффекты, влияющие на формфактор
Интерференция состояний (квази-Лоренц, -4), N
•Далекое крыло, exp (- (- 0)/ ), N2
•Индуцированное поглощение, N2
Модели:
•Бёрч
•Творогов, Родимова, Несмелова
•Ма, Типпинг
•Розенкранц
•Тонков, Филиппов
Модель далекого крыла (С.Д.Творогов и др.)
f 1
Rs
Rs Ds * ( 0 )
Cs
1
( 0 )
As
(1 Rs
3
As
)
0
exp( ((
)
12
(
r
Rs
r
2
r
2
6
) )
hc
kT
)
rdr ,
Выводы
Выводы
•Теория поглощения при высоком давлении далека от
завершения
•малое поглощение в далеком крыле линии играет
определяющую роль в парниковом эффекте
•необходима эффективная параметризация
существующих теоретический представлений
•необходима экспериментальная проверка моделей
CO2
N2
Ar
O2
CO
H2O
Ne
Kr
Xe
O3
CH4
95,3%
2,6%
1,6%
0,13%
700 ppm
100 ppm
2,5 ppm
0,3 ppm
80 ppb
30 ppb
20 ppb
Первое детектирование подповерхностных
запасов воды по торможению нейтронов
(Mitrofanov et al., 2002)
Чем интересен
современный климат Марса
Наиболее близкая по климатическим
параметрам к Земле планета
Планета, возможно, испытавшая
катастрофическое изменение климата и
сохранившая следы климата прошлой
эпохи
Единственная среди земной группы
планета с конденсируемой атмосферой
климатическая система, в значительной
степени контролируемая аэрозолем
Особенности динамики атмосферы Марса
значительный вклад термического прилива ( p/p0.01)
резонанс полусуточного прилива с волной Кельвина
глобальная ячейка Хэдли
два режима циркуляции Хэдли: от экватора к полюсам
(равноденствие) и из летнего полушария в зимнее
(солнцестояние)
как следствие, слабая активность волн Россби в летнем
полушарии
заметный вклад низких гармоник стационарных волн
глобально асимметричная топография (=1, =2)
высокоэксцентричная орбита (=0.09)
термический прилив
Волны Россби
Струйное течение
Характерная климатическая неустойчивость глобальные пылевые бури
Крупная региональная буря в долине Ноя.
Наблюдения MGS/TES, Ls = 225°, 1997 г.
Глобальная буря 2001г., Ls = 180°
Cезонный цикл Марса по наблюдениям TES
T@0.5 мбар
пыль
облака
вода
Модель общей циркуляции
атмосферы Марса
динамическое ядро SKYHI (GFDL 1996)
динамическое ядро FMS (GFDL 2004-2007)
разрешение 5° 6°, 40 узлов по высоте
явная схема, шаг 3-6 мин.
транспорт аэрозолей и H2O (схема 4-го порядка)
топография MOLA
микрофизика облаков H2O (метод моментов)
перенос излучения в полосах CO2 и на аэрозолях
источники и стоки пыли и H2O на поверхности
Асимметрия афелий-перигелий
Сезонная асимметрия меридионального
переноса воды
Water cycle simulation
Observed water cycle
SPICAM MY27
TES MY26
Scale 0 to 50 pr. µm
FMS dynamical core
N
S
Среднегодовые распределения воды
взаимодействие атмосферы с поверхностью
Содержание паров воды
в столбе, мкм
Экспозиция (в сутках) слоя
снега толщиной > 100 мкм
Среднегодовые поля (продолжение)
Среднегодовая концентрация
водяного пара в нижнем
модельном слое
при условии T > 220 K
Время, в течение которого
выполняется условия T>30 K
и T > 200 K
Волновой транспорт воды
анализ линий тока
В поле (U,V,W) выделяются стационарная и приливные компоненты
Стационарная компонента раскладывается по зональным гармоникам,
vk = (Uk, Vk, Wk), k = 0..3
Поток воды, обусловленный каждой гармоникой равен
Fk = (rvapor+rcloud)
vk
Линии тока обозначаю траектории частиц в атмосфере
в предположении об отсутствии источников.
Возможное объяснение сезонной
детерминированности волновых чисел
Волна Кельвина
Фазовые скорости
Волны Россби
Заключение
•МГЦ атмосферы Марса адекватно воспроизводит данные климатических
наблюдений и следовательно, включает все основные механизмы
современной климатической системы планеты
•Облака являются важной составляющей климата Марса и оказывают влияние
как на радиационный баланс, так и на транспорт воды и пыли.
•Тропическая система облаков, формирующаяся в афелии, обеспечивает
выхолаживание тропопаузы на 10-15К и блокирует пыль в узком диапазоне
широт ниже 15 км, стабилизируя атмосферу при низкой температуре.
•Циркуляция атмосферы является основным механизмом, определяющий
современный гидрологический цикл на Марсе.
В афелии ТСО препятствует переносу воды в южное
полушарие и способствует поддержанию современного асимметричного
распределения. Глобальная асимметрия фигуры Марса также способствует
концентрации воды в северном полушарии
выводы
Транзиенты Тиллмана являются, повидимому, результатом перестройки
зональной структуры стационарной волны в летнем полушарии при
сезонном изменении параметров волновода.
Транзиенты обеспечивают эффективный меридиональный перенос
аэрозолей и создают условия для начала ГПБ
Наблюдаемые тропические максимумы в распределении подповерхнстных
запасов воды (Митрофанов и др. 2003) могут быть вызваны взаимодействием
поверхности с атмосферной волной-2
Титан: холодный углеводородный мир
Расстояние до Солнца
Расстояние до Сатурна
Период вращения (синхронно)
Солнечная постоянная
Атмосфера
N2
Ar
CH4
C2H6
C2H2
CO
H2O
Температурный профиль
(McKey et al., 1993)
Презентация3.ppt
92%
6%
1-3% (saturated)
10-4
10-5
5∙10-5
Твердое тело:
10-7
•дифференцировано
•50/50 лед и камень
9.54 ае
1,21∙108 км
16d
14 Вт/м2
Титан vs. Венера
•Тяжелые атмосферы и медленное вращение
•Сходный режим циркуляции (симметричный)
•Радиационный баланс контролируется аэрозолем
•Оптическая толщина > 1
•90K у поверхности
•Летучие, восстановительная среда:
жидкий метан (?)
•Сложный органический аэрозоль (tholin)
•Наклон оси 26.7
•Сезонная асимметрия
•740K у поверхности
•Летучих нет, окислительная среда
•Сернистый аэрозоль
•Сезонных изменений нет
Исследования Титана могут помочь в изучении Венеры, и наоборот
Миссия Cassini-Huygens. Прибор DISR
Titan tholin haze –
a 1D microphysical model
~400-500 km
Photochemistry, collisional and photoelectric charging
Accumulation of tholin nanoparticles, charging
~350 km
Monomer formation
Coagulation up to 500 monomers, charging
50-100 km
Sedimentation, charging
~1 nm
0.05 m
1 m
Elementary processes
●
Distributed source at 200-400 km
●
Collisional and photoelectric charging
(ion/electron densities from HASI)
●
Coagulation
●
Eddy mixing and sedimentation
Coulomb-Brownian coagulation kernel
q e n e2 x y x yV T
2
K ( x, y ) 2
kT
kT e
2
ne x y
monomers
0.1 nm
x
y
1
Aggregates with filled pores?
aggregates
0.003 m
0.01 m
0.1 m
0. 3 m
3 m
Implicit scheme for Smolukhowsky equation
i
miui t t
miu
t 1
i
j 1
M i, j
t 1
t
f m ( l ), n l K n l , j u n l u j
l 1
,
Li , j
1 t 1 f m ( l ), n l K m ( l ), n l u m l t
l 1
where u –size distribution function;
t is a timestep;
m,n are index arrays containing reference to all pairs (m,n) composing
a particle (i);
K is coagulation kernel;
f is partition function caused by discrete size binning.
Typical average nighttime charge vs. size
-10
-1
151 km
88.4 km
64.2 km
0
charge, e
-10
-10
-10
1
2
10
-2
10
-1
10
particle size, m
0
10
1
Modeling results: self-consistent charge distribution (time average log
|q| per particle)
3
450
3
450
2.5
400
2.5
400
2
2
350
350
1.5
250
1
200
0.5
150
1.5
300
z, km
300
250
1
200
0.5
150
0
100
100
-0.5
50
0
-3
0
-1
-2
-1
0
log radius, m
1
R0 = e2/(3/2kT) ~ 0.06 m
2
-0.5
50
0
-3
-1
-2
-1
0
log radius, m
1
2
size distribution
0 1-1 -4
-2 -3 -5
-4
- 2 -3 -5
-5
-3
-4
2
-2
-1
2
0
1
200 0
Microphysical
transition near
the tropopause
-3
250
-5
2
z, km
-3 -4
1
300
-1
-20
1
350
-5
450 - 1- 2
0
400 1
-4
0
1
-3
-5
0 1
0
-2
R0 = e2/(3/2kT) ~ 0.06 m
- 3- 2 -1
-1
0
log radius, m
0
-4
-3
-1
0
-3
-5
-4
50
-5
-5
-2
-4
-3
-1
1
-2 - 1
-3 -2
100
-5-4
- -21-4
150
1
2
data
simulation
200
200
100
50
0
0.5
0.06
150
0.05
0.05
0.04
0.04
z, km
z, km
150
0.06
0.55
0.6
0.65
0.7
wavelength, m
0.75
0.8
100
0.03
0.03
0.02
50
0.02
0.01
0.01
0
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
wavelength, m
0.75
0.8
Моделирование динамики
атмосферы Титана
с негидростатическим ядром
Заключение
●
●
●
●
Титан – сравнительно новый, чрезвычайно
сложный и интересный объект исследований.
Имеет много аналогий с Венерой
Единственный в Солнечной системе аналог
гидрологического цикла Земли, основанный на
углеводородах.
Электростатические и плазменно-пылевые
эффекты играют важную роль в динамике
аэрозоля
Документ
Категория
Презентации
Просмотров
4
Размер файла
7 706 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа