Multiple zonal jets and convective heat transport barriers in a quasi-geostrophic model of planetary cores
Multiple zonal jets and convective heat transport barriers in a quasi-geostrophic model of planetary cores
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行星核心准地转模型中的多重纬向喷流和对流热传输屏障
DOI：
10.1093/gji/ggx315
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发表时间：
2017
影响因子：
2.8
通讯作者：
Guervilly C
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Guervilly C
本文研究了由内部加热驱动的快速旋转的Boussinesq对流。我们使用的数值模型的基础上的准地转近似的速度场，而温度场是3-D的。这种近似使我们能够对Ekman数低至10 − 8、与液态金属相关的普朗特数（10 − 1）和雷诺数高达3 × 104的情况进行模拟。由多股急流组成的持续性纬向流是位涡混合的结果。对于计算的最大瑞利数，尽管存在边界摩擦，纬向速度大于对流速度。随着热力强迫的增加，对流结构和纬向急流变宽。顺行和逆行的纬向急流在动力学上是不同的：（对应弱位涡梯度）对流传热效率高，平均温度趋于均匀化;相反，在逆行喷流的核心，（对应于位涡的陡梯度）动力学主要由Rossby波的传播，导致形成陡峭的平均温度梯度和热传递过程中传导的主导。因此，在准地转系统中，逆行纬向急流的宽度控制着热传递的效率。
We study rapidly rotating Boussinesq convection driven by internal heating in a full sphere. We use a numerical model based on the quasi-geostrophic approximation for the velocity field, whereas the temperature field is 3-D. This approximation allows us to perform simulations for Ekman numbers down to 10−8, Prandtl numbers relevant for liquid metals (∼10−1) and Reynolds numbers up to 3 × 104. Persistent zonal flows composed of multiple jets form as a result of the mixing of potential vorticity. For the largest Rayleigh numbers computed, the zonal velocity is larger than the convective velocity despite the presence of boundary friction. The convective structures and the zonal jets widen when the thermal forcing increases. Prograde and retrograde zonal jets are dynamically different: in the prograde jets (which correspond to weak potential vorticity gradients) the convection transports heat efficiently and the mean temperature tends to be homogenized; by contrast, in the cores of the retrograde jets (which correspond to steep gradients of potential vorticity) the dynamics is dominated by the propagation of Rossby waves, resulting in the formation of steep mean temperature gradients and the dominance of conduction in the heat transfer process. Consequently, in quasi-geostrophic systems, the width of the retrograde zonal jets controls the efficiency of the heat transfer.
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