潮汐锁定系外行星上的赤道超旋转

日益丰富的系外行星观测数据激发了针对这些行星的各种三维大气环流模型。在强辐照条件下，潮汐锁定的短周期行星（包括热木星和类地行星）的模型往往表现出以赤道快速东向或“超旋转”急流为主的环流。在适当条件下，这种现象会导致最热区域从星下点向东偏移数十经度。在 HD 189733b 上观测到了这种偏移，支持了短周期系外行星上存在赤道急流的可能性。然而，尽管其具有相关性，但在这些模型中产生赤道超旋转的动力学机制尚未被确定。在这里，我们表明赤道急流是由平均流与由昼夜热强迫引起的驻波、行星尺度罗斯贝波和开尔文波相互作用的结果。罗斯贝波发展出相位倾斜，将东向动量从高纬度泵送到赤道，从而诱发赤道超旋转。我们提出了一个解析理论来证明这一机制，并在单层（浅水）计算和全三维模型的层次结构中探索其特性。波-平均流相互作用产生的赤道急流，其纬度宽度与罗斯贝波的宽度相当，即由辐射和摩擦效应修正的赤道罗斯贝变形半径。对于同步自转的热木星的典型条件，这个长度与行星半径相当，解释了大多数热木星模型中获得的赤道急流的宽广尺度。我们的理论阐明了赤道急流速度对强迫振幅、摩擦强度和其他参数的依赖性，以及急流能够形成的条件。