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2012 年度 実績報告書

深部対流を考慮した系外ガス惑星表層大気運動形態の多様性の研究

公募研究

研究領域太陽系外惑星の新機軸:地球型惑星へ
研究課題/領域番号 24103505
研究機関京都大学

研究代表者

竹広 真一  京都大学, 数理解析研究所, 准教授 (30274426)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2014-03-31
キーワード系外惑星 / ガス惑星 / 大気循環 / 非弾性系
研究実績の概要

平成 24 年度はこれまでに開発している 3 次元回転球殻ブシネスク流体モデルをベースとして非弾性系ガス惑星大気モデルの定式化と構築を行った. まず, 回転球殻内の非弾性流体の支配方程式の定式化を行った. 流れ場の定式化ではトロイダル・ポロイダルポテンシャルを用いて非発散運動量(質量フラックス)場を表現した. この導かれた方程式系にしたがって, スペクトル法によるモデルを構築した. 研究代表者ははこれまでに, 地球流体数値実験のための Fortran90 を用いたプログラミングの書法とテクニックについて研究してきている(階層的地球流体スペクトルモデル集 SPMODEL, http://www2.nagare.or.jp/mm/2006/spmodel/index_ja.htm). その手法を用いることにより, 支配方程式をスペクトル変換した定式化をすることなしに直接支配方程式からスペクトル法によるプログラムを構築することができた.

構築したモデルの正当性をチェックするために, 基本場の密度成層を一様に設定して, 回転球殻ブシネスクモデルのベンチマーク数値実験論文(Christensen et al., Phys. Earth Planet. Inter., 128 (2001) 25--34)の追試を行い, 整合的な結果が得られた. 次に回転球殻非弾性系モデルのベンチマーク数値実験論文(Jones et al.,Icarus 216 (2011) 120--135)の追試を行い, この場合も整合的な結果が得られた. これらの結果より構築したモデルの正当性が確認された.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

もっとも基本的な熱境界条件である温度固定, 熱フラックス固定の場合に加えて, 太陽放射を意識した外側境界の不均一な熱境界条件を数値モデルに導入することが課題として次年度に残されたものの, 当該年度の目標であった回転球殻非弾性系モデルをおおむね構築することができたため.

今後の研究の推進方策

今後は, 残された課題である外側境界の不均一な熱境界条件を数値モデルに導入することを推める. 並行して数値モデルの効率化を図りつつ, モデルを用いたパラメター数値実験を行い, 基本場密度分布ならびに内外半径比などの外部パラメターに対する流れのパターンの変化を観察し,物理的に解釈し理解することをめざす予定である.

本研究の枠組では登場するパラメターの数が多く, 通常の回転系での対流問題のものに加えて基本場密度成層の強さがある. 全てのパラメターに対する依存性を調べることは研究期間内だけでは不可能であると判断し, 基本場の密度成層の強さならびに球殻の内外半径比に注目して, その変化に対する依存性を調べる. 熱拡散と粘性の比を表すプランドル数は渦粘性と熱拡散を意識して 1 に固定する. 回転の効果を表すエクマン数は 0.0001--0.00001 程度の範囲のいくつかの場合について扱う.深部の熱的不安定性を表わすレイリー数は, 臨界値の数倍から 10 倍程度の穏やかな値を用いる. 表層の安定成層の強さは, 基本場の密度成層が一様な場合の極限で,ブシネスク系モデルによる過去の研究の設定値に一致するように選ぶことにする. 内外半径比は 0.4 を基本的な計算設定とし, 小さい方は 0.2 まで, 大きい方は 0.8 まで値を変化させる.

ブシネスク系モデルによる過去の研究の設定からスタートして, 次第に基本場密度成層を強くしていったときに生じる流れ場の遷移の様子を観察し, 物理的に解釈し理解することをめざす. 特に注目する点は, 深部の対流運動と平均東西流が表層安定成層へ貫入する様子と, 生成される表層の流れ場のパターンの変化である.

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (11件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] "Gtool5": a Fortran90 library of input/output interfaces for self-descriptive multi-dimensional numerical data,2012

    • 著者名/発表者名
      Ishiwatari, Masaki
    • 雑誌名

      Geoscientific Model Development

      巻: 5 ページ: 449--455

    • DOI

      doi:10.5194/gmd-5-449-2012

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A note on the stability of inviscid zonal jet flows on a rotating sphere.2012

    • 著者名/発表者名
      Sasaki, Eiichi
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 710 ページ: 154--165

    • DOI

      doi:10.1017/jfm.2012.356

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Torques on the inner and outer spheres induced by the Boussinesq thermal convection in a rotating spherical shell2012

    • 著者名/発表者名
      Kimura, Keiji
    • 雑誌名

      Journal of Physical Society of Japan

      巻: 81 ページ: 084401

    • DOI

      doi:10.1143/JPSJ.81.084401

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Weak interaction between zonal jets on a β plane2012

    • 著者名/発表者名
      Obuse, Kiorii
    • 雑誌名

      Japan Industrial and Applied Mathematics

      巻: 30 ページ: 111--127

    • DOI

      doi:10.1007/s13160-012-0086-9

    • 査読あり
  • [学会発表] 地球流体電脳倶楽部 DCMODELプロジェクトと数値モデルを用いた惑星大気研究について2013

    • 著者名/発表者名
      竹広 真一
    • 学会等名
      平成 24 年度宇宙科学情報解析シンポジウム
    • 発表場所
      JAXA 宇宙科学研究所
    • 年月日
      2013-02-15
    • 招待講演
  • [学会発表] Differential rotation and angular momentum transport caused by thermal convection in rotating spherical shells2012

    • 著者名/発表者名
      Takehiro, Shin-ichi
    • 学会等名
      Progress in physics of the sun and stars: a new era in helio- and asteroseismology
    • 発表場所
      Hotel Prince Hakone
    • 年月日
      2012-11-29
    • 招待講演
  • [学会発表] 薄い回転球殻対流により引き起こされる表層の帯状流2012

    • 著者名/発表者名
      佐々木 洋平
    • 学会等名
      日本惑星科学会 2012 年度秋季講演会
    • 発表場所
      神戸大学
    • 年月日
      2012-10-25
  • [学会発表] 階層的地球流体スペクトルモデル集 SPMODEL を用いた惑星磁場ダイナモ計算2012

    • 著者名/発表者名
      佐々木 洋平
    • 学会等名
      第132回 SGEPSS 総会および講演会
    • 発表場所
      札幌コンベンションセンター
    • 年月日
      2012-10-23
  • [学会発表] Construction of Hierarchical Models for the Fluid Dynamics in Earth and Planetary Sciences : DCMODEL project2012

    • 著者名/発表者名
      Takehiro, Shin-ichi
    • 学会等名
      Inetrnational Conference on Simulation and Technology (JSST 2012)
    • 発表場所
      神戸大学
    • 年月日
      2012-09-28
  • [学会発表] Surface zonal flow induced by turbulent convection in rapidly rotating spherical shells2012

    • 著者名/発表者名
      Sasaki, Youhei
    • 学会等名
      Inetrnational Conference on Simulation and Technology (JSST 2012)
    • 発表場所
      神戸大学
    • 年月日
      2012-09-28
  • [学会発表] 薄い回転球殻対流により引き起こされる表層の帯状流2012

    • 著者名/発表者名
      佐々木 洋平
    • 学会等名
      日本流体力学会年会 2012
    • 発表場所
      高知大学
    • 年月日
      2012-09-16
  • [学会発表] Effects of latitudinally heterogeneous buoyancy flux conditions at the inner boundary on MHD dynamos in a rotating spherical shell2012

    • 著者名/発表者名
      Sasaki, Youhei
    • 学会等名
      The 13th Symposium of SEDI(Study of the Earth's Deep Interior)
    • 発表場所
      University of Leeds, UK
    • 年月日
      2012-07-01 – 2012-07-06
  • [学会発表] Development of an anelastic convection model in rotating spherical shells for stars, gas and icy giant planets2012

    • 著者名/発表者名
      Sasaki, Youhei
    • 学会等名
      The 13th Symposium of SEDI(Study of the Earth's Deep Interior)
    • 発表場所
      University of Leeds, United Kingdom
    • 年月日
      2012-07-01 – 2012-07-06
  • [学会発表] Triaxial rotation of the inner and outer spheres driven by Boussinesq thermal convection in a rotating spherical shell2012

    • 著者名/発表者名
      Kimura, Keiji
    • 学会等名
      The 13th Symposium of SEDI(Study of the Earth's Deep Interior)
    • 発表場所
      University of Leeds, United Kingdom
    • 年月日
      2012-07-01 – 2012-07-06
  • [学会発表] 恒星・ガス惑星の深部大気対流モデルの構築2012

    • 著者名/発表者名
      佐々木 洋平
    • 学会等名
      日本地球惑星科学連合 2012 年大会
    • 発表場所
      幕張メッセ国際会議場
    • 年月日
      2012-05-22

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公開日: 2018-02-02  

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