エネルギー学は氷の海の世界の海洋循環を支配します

エネルギー学は氷の海の世界の海洋循環を支配します
2022年6月1日に提出
世界的に氷に覆われた海は、太陽系の複数の衛星で発見されており、地球の過去の特徴でもあった可能性があります。しかし、これらの氷に覆われた海洋のダイナミクスについては比較的ほとんど理解されていません。これらのダイナミクスは、物理的環境だけでなく、潜在的な生命とその検出可能性にも影響を及ぼします。多くの研究が氷の世界の海洋の循環をシミュレートしましたが、大きく異なる結論に達しました。これらの発散する結果をよりよく理解して絞り込むために、特にスノーボールアース、エウロパ、エンケラドゥスに焦点を当てて、氷に覆われた海の循環に対するエネルギーの制約について説明します。氷に覆われた天体の海洋循環を促進する可能性のあるエネルギー入力は、境界での熱と塩のフラックス、および海流と秤動に関連している可能性があります。氷床を介した熱損失とバランスの取れた固体コアからの加熱が海洋循環を促進できることを示しますが、結果として生じる流れは比較的弱く、回転の影響を強く受けます。氷床境界での凍結と融解に関連する塩の流れは、乱流混合と組み合わせると大規模な循環を形成する可能性はありますが、エネルギー的に循環を促進する可能性は低いです。海洋の潮汐と秤動はそのような乱流のエネルギー源を提供するかもしれませんが、それらの強さは氷の月に対して非常に不確実なままであり、それは氷の世界の海洋ダイナミクスを予測する上で大きな障害となり、将来の研究の重要なトピックとして残ります。氷床境界での凍結と融解に関連する塩の流れは、乱流混合と組み合わせると大規模な循環を形成する可能性はありますが、エネルギー的に循環を促進する可能性は低いです。海洋の潮汐と秤動はそのような乱流のエネルギー源を提供するかもしれませんが、それらの強さは氷の月に対して非常に不確実なままであり、それは氷の世界の海洋ダイナミクスを予測する上で大きな障害となり、将来の研究の重要なトピックとして残ります。氷床境界での凍結と融解に関連する塩の流れは、乱流混合と組み合わせると大規模な循環を形成する可能性はありますが、エネルギー的に循環を促進する可能性は低いです。海洋の潮汐と秤動はそのような乱流のエネルギー源を提供するかもしれませんが、それらの強さは氷の月に対して非常に不確実なままであり、それは氷の世界の海洋ダイナミクスを予測する上で大きな障害となり、将来の研究の重要なトピックとして残ります。


図1.熱的に駆動される流れのエネルギー源を提供する海を通る垂直方向の熱流束のスケッチ。 の
この原稿は、海と氷床が平衡状態にあり、海の内部の熱源が平衡状態にあると仮定しています。
コアからの全熱流束（∫ Qbot dA）は、海洋から氷床への正味熱流束に等しい
（（∫ Qtop dA）。 海の鉛直熱流束に注意してください（∫ Q）潜在的により観察可能なものから制約することもできます
惑星体の表面から放出される熱流束（∫ Qsurf dA）、これはコア加熱の合計（∫ Qbot dA）
氷層における潮力エネルギー散逸（∫ Qice dA）。 具体的には、海洋の最大垂直熱流束は制限されています
∫^Q ≤ ∫Qsurf dA。


図2.海を通る垂直方向の塩フラックスのスケッチ。 より薄い氷の下で融解が起こり、下で凍結が起こる場合
ここにスケッチされているように、より厚い氷は、凍結と融解からの塩水の拒絶のバランスをとるために海洋で必要とされる塩フラックス（F^S） は
上向き。これは、運動エネルギーを位置エネルギーに変換する下向きの浮力フラックスを意味します。 したがって、このシナリオでは、塩のフラックスは
循環を活発に動かさないでください。 代わりに、循環を維持するために代替ソースからの運動エネルギーが必要です
それは塩を上向きに流すことができます。


図3.式（1）のスケーリングによって予測された熱駆動流の単位体積あたりのエネルギー散逸率。 （26）関数として
底部熱流束（Q）×α/（ρcp）および重力加速度（g）の計算。 白い星はの見積もりを示しています
Snowball Earth（Ea）、Europa（Eu）、およびEnceladus（En）、表1に示されているパラメーターを想定しています。カラーバーは対数です。
等高線間隔を√10の係数で。


図4.乱流が回転によって強く影響を受けると予想される、推定長さスケール
式のスケーリング。 （21）、乱流散逸率（ε）と回転率（Ω）の関数として。 白い星は
表1に示されているパラメーターを想定した、Snowball Earth（Ea）、Europa（Eu）、およびEnceladus（En）の推定値。カラーバー
等高線間隔が√10の係数で対数です。


図5.推定地衡流速度（Ug = √2Eg）エネルギー散逸率（ε）と海の深さ（H）の関数として
式のスケーリングによって予測されるように。 （25）ほとんどの散逸が海底近くの乱流境界層で起こると仮定する
抗力係数Cd=0.025の氷海界面。 白い星はSnowballEarth（Ea）、エウロパの見積もりを示しています
（Eu）およびエンケラドス（En）、表1に示されているパラメーターを想定。カラーバーは等高線間隔10^1/4の係数の対数です。

6.結論
運動エネルギーの発生源と散逸率を考慮すると、氷に覆われた海。一般に、運動エネルギーは、潮汐または位置エネルギーからの変換によって生成できます。
次に、熱と塩のフラックスの強制によって生成することができます。
一般的に想定される強制は、氷床を介した熱損失とバランスの取れた固体コアからの加熱で構成されます。
これは、位置エネルギーの源として機能し、熱膨張性がある限り、海洋循環を促進することができます。
水はポジティブです。ただし、スノーボールアース、エウロパ、エンケラドスの海では、関連するエネルギー入力は
地球の現在の循環を支配的に推進している風力エネルギー入力よりも桁違いに小さい
海洋。結果として生じる熱駆動流の流速は最大で数cm/sであり、強力になると予測しています。
回転の影響を受けます（つまり、ロスビー数が小さい）。氷の衛星の熱駆動流の数値シミュレーション
通常、人工的に大きな粘性散逸を使用し、場合によっては人工的に大きな熱的強制が誤って表現されることがあります
エネルギーのソースとシンクの両方が数桁大きくなり、大きく異なり、非現実的になる可能性があります
運動エネルギーのレベル。
氷床境界での凍結と融解に関連する塩のフラックスは、位置エネルギーの源を提供するだけです
氷結よりも薄い氷の下で凍結が発生した場合、これは、凍結と融解が必要な平衡状態ではありそうにありません。
氷の流れとバランスを取ります。平均して融解がより浅い深さで発生するより可能性の高いシナリオでは
凍結すると、塩フラックス強制は位置エネルギーのシンクとして機能します。ライターを押すことができる乱流垂直混合
内部への淡水は、その後、重要な循環を促進するために必要です。ただし、このような乱流混合には
代替エネルギー源。
海の潮汐と秤動は、海の乱流の重要なエネルギー源を提供する可能性があります。現在の見積もりは次のことを示しています
スノーボールアースの海では、潮汐によって引き起こされる垂直方向の混合が重要である可能性が高く、重要な役割を果たす可能性があります
エウロパでの役割、秤動はエンケラドスでの乱流運動エネルギーの重要な源を提供するかもしれません。しかし
潮汐と秤動によって生成される乱流の大きさと空間分布は非常に不確実なままであり、
氷の世界の海洋の循環をよりよく制限するための主要なハードルを表しています。理解の向上
したがって、氷の衛星の海の潮汐と秤動は、将来の研究にとって重要なトピックとして残っています。