我系2018级研究生王爽在杨军老师的指导下，利用全球大气环流模式CAM3、CAM4和ExoCAM，揭示了干燥的潮汐锁相岩石行星上的大气环流的驱动机制。研究指出：这种行星上的大气翻转环流主要是由温室气体的辐射冷却来直接驱动的。相关成果以“Atmospheric Overturning Circulation on Dry, Tidally Locked Rocky Planets Is Mainly Driven by Radiative Cooling”为题发表在2022年7月25日的杂志《The Planetary Science Journal》上。
潮汐锁相岩石行星（Tidally locked rocky planets，这里指同步旋转行星）是一类特殊的类地行星，它们的自转周期等于公转周期，因此它们始终只有一个固定面朝向恒星，即存在永久的朝阳面和永久的背阳面，朝阳面温度较高，而背阳面的温度通常很低（图1）。行星上的大气环流主要是全球尺度的翻转环流，即大气在星下点区域上升，在其他区域下沉，在地表向星下点辐合，在上层大气向背阳面辐散。此外，该类行星上通常还存在超级旋转（赤道上的西风急流）。
图1. 同步旋转行星的轨道（自转周期=公转周期，左图）和恒星辐射分布（右图）。左图中黑色阴影是永久背阳面，白色区域是永久朝阳面。右图中红色区域是永久朝阳面接收到的恒星辐射分布，蓝色区域是永久背阳面。图片源自闫明羽。
对于各种类地行星，驱动大气环流的本质是恒星辐射以及其空间分布，但直接的驱动机制可以是不同的。某种程度上可以说：在地球上，热带地区的潜热释放和副热带地区的长波辐射冷却分别驱动了Hadley环流的上升支和下沉支；西太平洋上的潜热释放和东太平洋上的辐射冷却驱动了热带Walker环流（图2左）；在中纬度地区，斜压波动驱动了Ferrel环流。在有海洋的潮汐锁相岩石行星上，星下点区域的潜热释放和其他区域的辐射冷却共同驱动了全球尺度的大气翻转环流（图2右）。
图2：地球上热带Walker环流（左）和有海洋的潮汐锁相岩石行星上的全球大气翻转环流（右）的示意图。
我们的研究揭示在干燥的潮汐锁相岩石行星上，CO2（或其他温室气体）的辐射冷却效应代替了湿大气中的潜热释放的作用，驱动了大气翻转环流。
我们用全球大气环流模式CAM3、CAM4和ExoCAM分别模拟了具有纯N2和N2+CO2的潮汐锁相岩石行星上的大气热力结构和大气环流。模拟结果对比表明，CO2使地表的温度升高，即温室效应，但使自由大气的温度降低，即对大气产生了辐射冷却效应（图3）。这种辐射冷却效应与潮汐锁相行星上的大范围逆温有关：对逆温内的任一层大气而言，CO2在低层以较低温度吸收长波辐射，但在高层以较高温度向外发射长波辐射，净效果是使得该层大气失去能量从而冷却。这与地球上平流层内CO2的辐射冷却效应是类似的。
图3：纯N2和N2+CO2情况下的地表温度和大气温度结构的对比。（a）地表温度；（b）星下点和背阳面的温度垂直结构；（c）纯N2大气的温度结构；（d）N2+CO2大气的温度结构，等值线表示与图（c）中的差值，虚线为负值。
当大气不存在CO2时，行星上的大气翻转环流非常弱，超级旋转（赤道上的西风急流）非常浅，强度也很弱；当大气存在CO2时，行星上存在很强的全球翻转环流，有较强的超级旋转存在于整个对流层内（图4）。
图4：纯N2和N2+CO2情况下的大气翻转环流（流函数，等值线）以及垂直速度（填充色）的对比。左边是CAM3的模拟结果，右边是ExoCAM模拟的结果。
我们的分析表明，当大气存在CO2时，逆温区域内存在很强的辐射冷却，同时星下点区域存在较强的湍流热扩散（这与干对流或者边界层的强混合有关）。湍流热扩散与辐射冷却在全球尺度内达成能量收支平衡。这种辐射冷却效应使大气产生大范围的下沉运动，并通过质量连续驱动了星下点区域的上升运动（图5右）。此外，星下点区域的湍流热扩散和干对流加热大气，对上升运动也有一定的贡献。我们通过一系列只在特定区域内加入CO2的试验定量描述了两种机制的贡献，并证明了全球翻转环流主要由CO2的辐射冷却所驱动。
我们的分析还指出，驱动出较强的大气环流所需要的CO2的浓度大约在10-3到10-2 ppmv之间，而大多数前人模拟的干燥潮汐锁相行星的大气CO2浓度远大于该值，因此在他们的模拟中都存在较强的大气翻转环流。
图5：干燥的潮汐锁相岩石行星上的大气环流驱动机制的示意图。
文章链接：https://doi.org/10.3847/PSJ/ac6d65
