天体物理学 > 地球与行星天体物理学
[提交于 2022年4月8日
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标题: 具有净反应的三维GCM微型化学方案I.:热化学动力学
标题: A Mini-Chemical Scheme with Net Reactions for 3D GCMs I.: Thermochemical Kinetics
摘要: 越来越多的证据表明,全球组分分布在全球观测数据分析中扮演着不可或缺的角色。具有可靠化学和云处理的三维广义环流模型(GCMs)对于即将到来的观测尤为重要。在实现三维化学-气候建模的努力中,主要挑战在于需要昂贵的计算能力来处理大量的化学物种和反应。受对稳健且计算高效的化学方案的需求驱动,我们设计了一个最小物种和反应数量的微型化学网络,用于 H$_2$占主导的大气环境。我们采用了一种新颖的技术简化了从完整动力学模型 VULCAN 中的化学网络——用净反应取代了大量的中间反应。化学物种的数量从67减少到12,保留了热学和观测上重要的主要物种,包括 H$_2$O、CH$_4$、CO、CO$_2$、C$_2$H$_2$、NH$_3$和HCN。 总反应数从$\sim$ 800 减少到 20,大幅减少了反应规模。 通过验证四种系外行星大气(GJ 1214b、GJ 436b、HD 189733b 和 HD 209458b)中时间演化以及将其预测成分与 VULCAN 完整动力学进行基准对比,验证了最小化学方案的有效性。 对于主要物种在 1 巴至 0.1 毫巴压力范围内的化学时标和成分分布,它在各种金属丰度和碳氧比(C/O)条件下很好地再现了完整动力学的结果,误差在一个数量级以内。 最小化学方案的小规模使其使用简单且计算速度快,这非常适合在三维全球环流模型(GCM)或检索框架中实施。 本文重点研究净反应的热化学动力学,并在后续论文中讨论光化学。
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