嵌入行星原始大气的流体动力学：I. 二维流的离心增长势垒

在行星形成的核吸积范式中，气态巨行星只有在其前身天体超过阈值质量（即临界核心质量）后，才会形成 massive 大气层。大多数（系外）行星体积较小且以岩石/冰为主，从未跨越这条界线。尽管如此，它们的质量足以从原行星盘中吸引大量气体，同时其大气层仍与盘保持压力平衡。我们的目标是表征此类嵌入行星大气层的流体动力学性质及其对（长期）演化的影响。在本文（系列第一篇）中，我们通过进行局部二维流体动力学模拟，开始研究流经小型嵌入行星的等温无粘流的性质。使用 PLUTO 代码，我们确认该流动是稳态且有界的。这种稳态结果在对数极坐标网格（网格间距与距行星的距离成正比）上最为明显。对于低质量行星，笛卡尔网格效率稍低，因为它们难以追踪深层大气中的圆形高速流动。通过将旋转量与大气的含气率联系起来，我们发现质量越大的大气旋转越快——这一发现与开尔文环量定理一致。因此，旋转限制了行星能够从星云中获取的气体量。取决于星周盘的 Toomre-Q 参数，行星大气在自引力开始变得重要之前将达到开普勒旋转。