The rotational and divergent components of atmospheric circulation on tidally locked planets
潮汐锁定的系外行星可能拥有全球大气环流，具有超旋转的赤道喷流，行星尺度的驻波和热驱动的翻转环流。在这项工作中，我们表明，这些功能中的每一个都可以从总环流分离使用亥姆霍兹分解，它分裂成旋转（发散自由）和发散（涡度自由）组件的流通。这种技术被应用于模拟一颗类地行星和一颗气态热木星的环流。对于这两颗行星，旋转分量包括赤道喷流和驻波，而发散分量包含翻转环流。分离出每个组件使我们能够评估它们的空间结构和对总流量的相对贡献。与以前的工作相比，我们表明，发散速度是不可忽略的，当与旋转速度相比，发散，翻转环流采取的形式是一个单一的，大致各向同性的细胞，上升的一天侧和下降的夜侧。这些结论是在地球和热木星的情况下得出的。为了说明Helmholtz分解研究大气过程的实用性，我们计算了每个环流分量对从白天到夜晚的热量输送的贡献。令人惊讶的是，我们发现，发散环流占主导地位的昼夜热传输在陆地的情况下，约占一半的热木星的热传输。旋转和发散分量对昼夜热量输送的相对贡献可能对多个行星参数和大气过程敏感，值得进一步研究。
2021-02-23 astro-ph.EP physics.ao-ph
No snowball on habitable tidally locked planets
TRAPPIST-1，Proxima Centauri和LHS 1140系统是未来对潜在居住行星进行后续观测的最令人兴奋的前景。所有的轨道都在M星附近，并且可能被潮汐锁定在1：1的自旋轨道状态，这促使人们考虑潮汐锁定可能对行星可居住性的影响。在地球上，全球冰川期（雪球）可能对可居住性和遥远的生命迹象（生物特征）至关重要，因为它们与生命复杂性和大气氧浓度的增加有关。在本文中，我们研究了雪球分叉（突然发生的全球冰川）潮汐锁定行星使用的能量平衡模式和中等复杂度的全球气候模式。我们表明，潮汐锁定的行星是不可能表现出一个雪球分叉作为一个直接的结果，他们收到的太阳辐射的空间格局。相反，它们将平稳地从部分冰覆盖过渡到完全冰覆盖，然后再返回。这项工作的一个主要意义是，具有活性碳循环的潮汐锁定行星不应该以雪球状态被发现。此外，这项工作意味着，潮汐锁定的行星附近的外缘的宜居带与低CO2释气通量将平衡与一个小的unglaciated亚恒星区域，而不是循环之间的温暖和雪球状态。需要做更多的工作来确定缺乏雪球分叉可能会如何影响潮汐锁定行星上的生命发展。
2017-07-14 astro-ph.EP
The Phase-curve Signature of Condensible Water-rich Atmospheres on Slowly Rotating Tidally Locked Exoplanets
我们使用一个理想化的三维大气环流模式来研究在缓慢旋转的潮汐锁定的类地行星上具有无效冷阱的可凝结富大气。特别是，我们显示了在一个薄的和温和的大气与可凝结的水蒸气的气候动力学。讨论了我们的薄而温和的大气与以前工作中接近水蒸气失控温室的温暖而浓厚的大气之间的相似性，包括昼夜半球之间热发射的逆转。与依赖于大气水蒸气绝对量的水蒸气的凌日光谱不同，昼侧和夜侧热发射之间的对比提供了关于水蒸气与背景大气的相对比率以及亚恒星对流层顶附近的大气压力和潜在可居住世界上夜侧的发射水平的信息。
2020-09-28 astro-ph.EP physics.ao-ph
No Snowball on Habitable Tidally Locked Planets with a Dynamic Ocean
在M星的宜居带内运行的类地行星很可能被潮汐锁定在1：1的自旋：轨道配置中，并且是未来表征工作的主要目标。对于类地行星的潜在可居住性来说，一个重要的问题是它们是否会经历雪球事件（全球冰川期）。以前的工作使用一个中等复杂性的大气全球气候模型（GCM）没有海洋热传输表明，潮汐锁定行星将顺利过渡到一个雪球，与地球相比，它有分叉和滞后的气候状态与全球冰川。在本文中，我们使用一个耦合的海洋-大气GCM（ROCKE-3D）模型潮汐锁定行星没有大陆。我们选择这种配置是为了考虑我们预期具有高海洋热传输的情况。我们表明，包括海洋热传输不会重新引入雪球分岔。这一结果的一个含义是，在宜居带中被潮汐锁定的行星不太可能在一段地质学上重要的时间内以雪球状态被发现。
2019-10-14 astro-ph.EP
Atmospheric circulation of tidally locked exoplanets: a suite of benchmark tests for dynamical solvers
大气建模的复杂性及其固有的非线性，再加上可获得的系外行星数据数量有限，促使对模型进行相互比较和基准测试。在地球物理学界，Held-Suarez测试是一个标准的基准，用于比较地球大气层的动态核心模拟与不同的求解器，基于横向平均流量。在本研究中，我们进行类似的Held-Suarez测试潮汐锁定的系外行星与GFDL-Princeton柔性建模系统（FMS）的光谱和有限差分动力学核心的一套测试，包括地球的标准基准，一个假设的潮汐锁定地球，一个“浅”热木星模型和HD 209458 b的“深”模型。我们发现定性和定量的协议之间的解决方案为地球，潮汐锁定地球和浅热木星的基准，但协议是不够令人满意的HD 209458 b的深层模型。进一步的研究表明，可以通过任意调整两个求解器中的水平耗散参数的值来获得更接近的协议，但它仍然是这样的情况下，水平耗散的大小是不容易指定的第一原理。不管辐射转移或化学成分的考虑，我们的研究指出，我们的能力的局限性，准确地模拟热木星大气与气象解算器在百分之十的水平的温度场和百分之几十的速度场。因此，直接风测量对于模型来说应该特别具有约束力。我们的基准测试套件也为希望调整代码以研究潮汐锁定的地球/海王星/彗星的大气环流制度的研究人员提供了参考点。
2011-02-15 astro-ph.EP astro-ph.GA
Oceanic Superrotation on Tidally Locked Planets
系外行星上有海洋超旋转吗？大气超自转，以赤道上空的西向东风为特征，是金星、土卫六、土星、木星和潮汐锁定系外行星大气中的常见现象。在准两年振荡（QBO）的西风位相期间，地球平流层大气也是超旋转的。然而，同样的现象是否会发生在海洋中却知之甚少。通过数值模拟，在这里，我们表明，海洋超旋转确实发生在潮汐锁定的类地行星周围的低质量恒星。它的形成（从静止旋转起来）与表面风、罗斯贝波的向赤道动量会聚以及海洋中开尔文波的东向传播有关。它的维持是由不均匀的恒星辐射分布激发的海洋中耦合Rossby-Kelvin波向赤道的动量输运驱动的。超旋转的宽度主要受海洋中Rossby形变半径的制约，而其强度则较为复杂。行星自转速率、恒星通量、温室气体浓度、海水盐度、海底阻力等因素都能影响到海底阻力的强度，但目前还缺乏一个定标理论。这项工作证实，超旋转可以发生在潮汐锁定的类地行星与海水海洋，并表明它也可能发生在潮汐锁定的热行星与岩浆海洋，可能会在不久的将来观察到。
2021-01-28 astro-ph.EP
Transition from eyeball to snowball driven by sea-ice drift on tidally locked terrestrial planets
潮汐锁定的低质量恒星周围的类地行星是未来潜在可居住系统的大气特征的主要目标，特别是附近的三个-Proxima b，TRAPPIST-1 e和LHS 1140 b。以前的研究表明，如果这些行星表面有海洋，它们将处于类似眼球的气候状态：在亚恒星点附近没有冰，其余区域被冰覆盖。然而，气候系统的一个重要组成部分--海冰动力学在以往的研究中没有得到很好的研究。一个基本的问题是：面对全球冰雪覆盖的雪球状态，开放的海洋是否稳定？在这里，我们表明，海冰漂流冷却海洋表面时，冰流动到温暖的亚恒星区域，并通过吸收海洋和覆盖空气的热量融化。结果，当大气中的温室气体并不比地球上丰富得多时，开阔的海洋就会缩小，甚至会消失，使地球变成一个雪球状态。这发生在同步旋转和自旋轨道共振（如3到2）。这些结果表明，海冰漂移强烈地减少了开放的海洋面积，并可能显着影响潮汐锁定行星的可居住性。
2019-12-24 astro-ph.EP physics.ao-ph
Lightning activity on a tidally locked terrestrial exoplanet in storm-resolving simulations for a range of surface pressures
本研究利用全球风暴解析气候模式，在多种地表气压下模拟潮汐锁定类地系外行星的闪电活动，比较两种参数化方案，发现闪电量随气压升高而单调减少，且空间分布受大尺度环流和垂直层结调控，为系外行星大气化学研究提供高分辨率新估计。
2025-07-18 astro-ph.EP physics.ao-ph
Phase Shift of Planetary Waves and Wave--Jet Resonance on Tidally Locked Planets
最近的研究发现，大气超旋转（即，赤道上的西向东风）可以改变行星波的相位。但是，超旋转和相移的大小之间的明确关系没有被检查。在这项研究中，我们重新调查这个问题，使用二维（2D）线性浅水模型与指定的均匀纬向流。我们发现，相位移动的程度是平均流强度的单调但非线性的函数，并且相位移动有两个极限：- $π$和+ $π$ .这些极限的存在可以用整个系统的能量平衡来解释。当向东急流的速度接近罗斯贝波的西相速度时，罗斯贝波与平均流发生共振;当向西急流的速度接近开尔文波的东相速度时，开尔文波与平均流发生共振。共振机制与以前在地球和热彗星上的研究中发现的相同。此外，在一个潮汐锁定岩石行星的三维全球大气环流模拟的自旋上升阶段，我们也发现了这两个现象：相移和波喷共振。这项研究提高了对潮汐锁定行星上波-平均流相互作用的理解。
2020-11-30 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Stabilization of dayside surface liquid water via tropopause cold trapping on arid slowly rotating tidally locked planets
在不久的将来，围绕附近红矮星（M矮星）运行的陆地型系外行星是大气特征和生物特征搜索的最佳目标之一。最近的演化研究表明，位于M矮星宜居带的类地行星可能被潮汐锁定，由于其宿主恒星早期的高光度，其表面的水储量有限。之前对这类行星的几次气候模拟表明，它们剩余的水将被输送到行星永久的夜面，并被困在表面的冰中，使昼面没有水。在这里，我们使用一个三维的大气环流模式与水循环和精确的辐射转移计划，调查表面水的演变缓慢旋转潮汐锁定类地行星有限的表面水库存。我们发现，在这种类型的气候系统的夜面和亚恒星对流层顶之间的水捕获的竞争。虽然在某些情况下，地表水仍然被困在夜面作为冰盖，在其他情况下，液态水稳定在一个圆形区域在亚恒星区域作为湿地。N $_2$为1 bar，大气CO $_2$水平大于0.1 bar的行星，即使地表水储量非常小，也能保持稳定的昼侧液态水。我们的研究结果揭示了地球型系外行星上可能的气候状态的多样性，并强调了未来表征工作的表面液态水检测技术的重要性。
2020-02-20 astro-ph.EP physics.ao-ph
Day and Night: Habitability of Tidally Locked Planets with Sporadic Rotation
本研究通过N体模拟证实TRAPPIST-1类系统中的潮汐锁定行星会偶发过渡到缓慢自转，并结合一维能量平衡模型发现这种自转变化对M型矮星周围行星表面温度影响较小，需三维全球环流模型进一步探究。
2023-07-14 astro-ph.EP
Global-mean Vertical Tracer Mixing in Planetary Atmospheres II: Tidally Locked Planets
在Zhang $\&$ Showman（2018年，以下简称论文I）中，我们开发了三维大气中全球平均垂直示踪剂输送的一维涡动扩散率$K_{zz}$分析理论。我们还对快速旋转的行星进行了二维数值模拟，以验证我们的理论。在金星等缓慢旋转的行星或热木星等潮汐锁定行星（不一定是缓慢旋转的行星）上，示踪剂分布可能表现出显着的纵向不均匀性，并且示踪剂传输本质上是3D的。在这里，我们研究全球平均垂直示踪剂运输潮汐锁定行星使用三维示踪剂运输模拟。我们发现，我们的分析$K_{zz}$理论在纸我验证潮汐锁定行星在一个广泛的参数空间。$K_{zz}$强烈地依赖于大尺度环流强度、由涡旋和波引起的水平混合以及由化学和微物理引起的局部示踪剂源和汇。正如我们的分析理论所预测的那样，潮汐锁定行星上的$K_{zz}$也表现出三个区域。在区域I中，化学和微物理过程均匀分布在全球各地，不同的化学物种应该通过不同的涡动扩散率进行传输。在制度II的化学和微物理过程是不均匀的-例如，光化学或云的形成，表现出强烈的昼夜对比-全球平均垂直示踪剂混合并不总是表现扩散。在第三种情况下，示踪剂是长寿命的，非扩散效应是显着的。利用依赖于物种的涡旋扩散率，我们从第一性原理出发，提供了一种新的分析理论，用于分析潮汐锁定行星上不平衡示踪剂的动力学猝灭点。
2018-08-16 astro-ph.EP
Hurricanes on tidally locked terrestrial planets: Fixed surface temperature experiments
在这项工作中，我们研究了系外行星上飓风的存在。M矮星周围潮汐锁定的类地行星是寻找可居住系外行星的太空任务的主要目标。飓风能否在这类行星上形成的问题对于确定其气候和可居住性非常重要。利用一个高分辨率的全球大气环流模式，我们研究了在固定的地面温度下，潮汐锁定的类地行星上是否存在飓风。研究了行星自转速率、地面温度和大气成分的相关影响。我们发现飓风可以在行星上形成，但不是在所有行星上。对于靠近晚M矮星宜居带内缘的行星来说，在白天和黑夜两侧都有更多更强的飓风。对于处于宜居带中、外范围的行星，飓风形成的可能性很低，甚至接近于零，这一点在最近的研究中已经提出。只有当大气成分与地球相似时，基于地球的飓风理论才适用于潮汐锁定行星。然而，如果背景大气比H2O轻，飓风就很难产生，因为对流总是受到平均分子量的影响而受到抑制，这与土星的情况类似。这些结果对潮汐锁定行星的降水、海洋混合、气候和大气特征具有广泛的影响。最后，在一个为期十个地球日的潮汐锁定轨道上，用一个耦合的板状海洋和一个类似地球的大气进行的测试表明，实验中也存在飓风。
2020-11-11 astro-ph.EP
Stratosphere circulation on tidally locked ExoEarths
平流层环流对于解释光化学产生的化合物（如臭氧）的丰度非常重要，我们的目标是观察这些化合物以评估系外行星的可居住性。因此，我们研究了一个潮汐锁定外地球的情况下，TRAPPIST-1b，TRAPPIST-1d，Proxima Centauri~b和GJ 667 C~f与简化的三维大气模式和不同的平流层风破断的假设。这些行星代表了轨道周期不同的环流状态：$P_{orb}=1-100$ ~天。$P_{orb} \leq $为25天的系外行星的环流可以由对流层和平流层中的热带罗斯贝波主导：它导致强烈的赤道东风急流和“反布鲁尔-多布森”环流，将空气质量限制在平流层赤道区域。因此，光化学产生的物质和气溶胶的分布可能局限于“赤道输送带”。相比之下，具有$P_{orb}>25$ ~天的行星，如GJ~667~C~f，在平流层中表现出有效的热驱动环流，允许一天的空气质量分布。然而，在$P_{orb} \leq 25$ ~天的潮汐锁定的系外地球上，热带罗斯贝波的影响可以通过单独的平流层深层风来规避-允许像地球上一样的赤道到极点的传输。对于具有$3 \leq P_{orb} \leq 6$ ~天的行星，在浅层风破裂的情况下，热带外罗斯贝波作为对热带罗斯贝波的额外安全防护。因此，TRAPPIST-1d比Proxima~Centauri~b更不容易在平流层中有赤道输送带。即使我们的地球模型也显示了赤道风射流，如…
2017-11-29 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.space-ph
Tropical cyclones on tidally locked rocky planets: Dependence on rotation period
本文利用ExoCAM模拟研究潮汐锁定岩质行星上热带气旋对自转周期的依赖性，发现气旋频率和强度在8天周期处达到峰值，并验证了地球环境有利度指标的适用性。
2024-02-26 astro-ph.EP physics.ao-ph
The impact of the explicit representation of convection on the climate of a tidally locked planet in global stretched-mesh simulations
本研究采用带拉伸网格的全球3D模型，对类TRAPPIST-1e潮汐锁定行星开展显式对流模拟，发现其气候比参数化对流模拟更冷更干，同时验证了LFRic-Atmosphere模型拉伸网格配置的可行性。
2024-05-21 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.ao-ph
Wave-Mean Flow Interactions in the Atmospheric Circulation of Tidally Locked Planets
我们使用一个线性浅水模型来研究潮汐锁定行星大气的全球环流。模拟、观测和简单的模型显示，如果这些行星的自转速度足够快，它们的大气层会有一个向东的赤道喷流和一个位于亚恒星点以东的热点。我们线性化浅水模型，这个向东流动及其相关的高度扰动。强迫解的结果表明，切变流解释了全球环流的形成，特别是热点的移动和冷驻波在夜侧的位置。我们认为，在这些大气的观测和三维模拟中看到的热点向东移动是由纬向流多普勒频移驻波响应向东，加上高度扰动流本身。这与其他研究不同，其他研究将热点转移解释为来自亚恒星点向东流动的空气的热量的纯粹平流，或者是向东传播的赤道波。我们将我们的解决方案与我们的气候模型Exo-FMS中的模拟进行比较，并表明高度场和风模式相匹配。我们将讨论行星的性质如何影响全球环流，以及它们如何改变可观测的数据，如热点转移或昼夜对比度。我们的结论是，波平均流之间的相互作用的定常行星波和赤道急流是一个重要的组成部分，潮汐锁定行星上的平衡环流。
2018-10-26 astro-ph.EP
Stabilizing Cloud Feedback Dramatically Expands the Habitable Zone of Tidally Locked Planets
宜居带（HZ）是行星可以维持表面液态水的星周区域。在附近恒星的HZ中搜索类地行星是正在进行和计划中的太阳系外行星调查的既定目标。以前的估计的内边缘的HZ是基于一维辐射对流模型。这些模型最严重的局限性是无法预测云的行为。在这里，我们使用全球气候模型与复杂的云计划表明，由于稳定的云反馈，潮汐锁定行星可以居住在以前的研究发现的恒星通量的两倍。这极大地扩大了HZ，并使围绕红矮星运行的可居住行星的频率大约增加了一倍。在高恒星通量下，强烈的对流在亚恒星位置附近产生厚厚的水云，大大增加了行星的温度，降低了地面温度。更高的日射量产生更强的星下对流，从而产生更高的辐射，使这种现象成为稳定气候的反馈。亚恒星云也有效地阻挡了来自地表的向外辐射，减少甚至完全逆转了昼面和夜面之间的热辐射对比。因此，詹姆斯·韦伯太空望远镜可以探测到亚恒星水云的存在以及由此产生的表面状况。
2013-07-01 astro-ph.EP physics.ao-ph
Atmospheric dynamics of Earth-like tidally locked aquaplanets
我们提出了模拟大气的类地aquaplanes潮汐锁定到他们的恒星，也就是说，行星的轨道周期是等于旋转周期围绕他们的自旋轴，使一面总是面对恒星和另一面总是黑暗的。作为说明慢速和快速自转影响的极端情况，我们考虑自转周期等于当前地球年和当前地球日的行星。负责地表气候的动力学（例如，风、温度、降水）和大气环流之间的关系，并结合现有的大气环流理论进行了讨论。例如，随着旋转速率的增加，科里奥利加速度相对于惯性加速度的重要性增加，在缓慢旋转的大气中，风近似是各向同性的，并且在领先的顺序是发散的，但在快速旋转的大气中，风主要是纬向的和旋转的。在缓慢旋转的大气中，自由大气的水平温度变化一般比在快速旋转的大气中弱。有趣的是，无论是在快速旋转还是缓慢旋转的大气层中，行星夜晚一侧的地面温度都不会低于~240 K;也就是说，从行星白天一侧到夜晚一侧的热量传输有效地降低了两种情况下的温度差异。在快速旋转的大气中，旋转波塑造了风、温度和降水的分布;在缓慢旋转的大气中，这些分布由简单的发散环流控制。这些结果对潮汐锁定的类地系外行星的研究很有意义，也是行星自转和日射分布如何塑造气候的例证。
2010-01-28 astro-ph.EP physics.ao-ph
Atmospheric heat redistribution and collapse on tidally locked rocky planets
大气塌陷可能对潮汐锁定的岩石系外行星具有根本的重要性，但仍然研究不足。在这里，一般结果的热传输和潮汐锁定的陆地型大气的稳定性的报告。首先，问题是模拟与理想化的三维大气环流模式（GCM）与灰色气体辐射转移。结果表明，在很宽的参数范围内，大气边界层，而不是大尺度环流，是理解行星能量平衡的关键。通过对半球间能量传输的尺度分析，建立了昼夜温差和地面风速的理论表达式，该表达式再现了GCM结果，无需调谐。其次，用GCM和相关k辐射转移研究了两种真实气体（CO2和CO）的热输运。对于CO2，经验公式的崩溃压力作为行星质量和恒星通量的函数，并在地球的恒星通量的大气崩溃的临界压力得到约5倍高（0.14巴）比以前的灰色气体估计。这些结果提供了对大气稳定性的限制，这将有助于未来对观测和系外行星可居住性建模的解释。
2014-12-17 astro-ph.EP
Lorenz Energy Cycle: Another Way to Understand the Atmospheric Circulation on Tidally Locked Terrestrial Planets
本文通过修改洛伦兹能量循环框架，揭示快速与慢速自转潮汐锁定类地行星大气环流的能量转换路径差异，为理解其环流提供了新视角。
2023-04-23 astro-ph.EP
Effects of a Binary Companion Star on Habitability of Tidally Locked Planets around an M-type Host Star
在M型恒星周围的“宜居带“中的行星是未来观测中表征的重要目标。由于同步自旋轨道旋转中的潮汐锁定，行星倾向于有一个热的白天和一个冷的黑夜。在寒冷的夜面，从昼面传送来的水蒸气可能会被冻结（“冷阱”），或者如果大气层太薄，热量再分配效率不高，则主要的大气成分也可能会冷凝（“大气塌陷”），就单个M型恒星而言。基于双星系统的丰富性，利用二维能量平衡模型，研究了M型恒星周围潮汐锁定行星的G型伴星辐射对气候的影响.我们发现，来自G型恒星的辐射在使行星的夜面升温方面比昼面更有效。这有助于防止水和大气不可逆转地被困在寒冷的夜面，扩大了潮汐锁定行星可以保持表面液态水的参数空间。大气层< ~ 0.3 bar的潮汐锁定海洋行星或大气层< ~ 3 bar的陆地行星，当它们也受到距离为1 - 4 au的伴星照射时，可以实现表面有液态水的温带气候。我们还证明了具有特定性质的行星可以在相同的总辐射下处于类似地球的温带气候状态或完全冻结状态。
2019-06-13 astro-ph.EP
Atmospheric circulation of tidally locked gas giants with increasing rotation and implications for white-dwarf-brown-dwarf systems
潮汐锁定的气体巨星通常在几天的轨道上运行，这意味着旋转在大气环流中的作用不大。然而，存在着一类气体巨星，高度辐射的物体-棕矮星在极紧的轨道上绕着白矮星运行-它们的轨道和旋转周期短至1-2小时。已经获得了这类天体的相位曲线和其他观测结果，提出了关于行星自转速率增加在控制环流中的作用的基本问题。到目前为止，大多数模拟研究都研究了超过一天的旋转周期，适合于典型的热彗星。在这里，我们调查的大气环流潮汐锁定大气减少旋转周期下降到2.5小时。随着自转周期的减小，赤道东向急流的宽度减小，这与赤道形变半径减小导致赤道波导变窄的现象相一致。赤道热点偏移量的东移相应减小，离赤道西移的热点区变得越来越明显。在高纬度地区，风变得更弱，更旋转主导。由于自转的影响，昼夜温差变大。我们的模拟大气表现出可变性，可能是由不稳定性和波的相互作用引起的。与典型的热木星模型不同，快速旋转模型的热相位曲线显示出峰值通量与二次日食的接近对齐。这一结果有助于解释为什么许多环绕白矮星的褐矮星与热矮星不同，它们的红外通量峰值与二次食一致。我们的研究结果对于理解快速旋转的潮汐锁定大气层具有重要意义。
2020-08-18 astro-ph.EP astro-ph.SR
3D convection-resolving model of temperate, tidally-locked exoplanets
位于M矮星宜居带的大部分已知的地球大小的系外行星预计将被潮汐锁定。已经进行了许多努力来研究这些行星的气候，特别是使用三维全球气候模型（GCM）。模拟这种极端环境的最大挑战之一是正确表示次网格对流的影响。大多数GCM使用简单的对流调整参数化或复杂的（例如，质量通量方案）地球调谐参数化。改进对流表示的一种方法是使用具有良好空间分辨率的对流解析数值模型（CRM）来研究对流。在这项研究中，我们开发了一个CRM耦合的非流体静力学核心WRF与辐射转移和云/降水模式的LMD通用气候模式，研究对流和云潮汐锁定行星，重点是Proxima b。模拟了一组3个地面温度（对应于三个不同的入射通量）和2个旋转速率，假设地球一样的大气。我们的研究的主要结果是，虽然我们恢复的预测，（低空）云clouddo随着恒星通量的增加而增加，云反馈是弱得多，由于对流的瞬时聚集导致低部分云量。
2021-04-12 astro-ph.EP
Atmospheric Dynamics of a Near Tidally Locked Earth-Size Planet
地球大小的行星处于或接近潮汐锁定状态的发现和表征对于理解类地行星的演化至关重要，金星是一个明显的类比。系外行星科学处于描述数百个陆地行星大气特征的起点，从而提供了远大于太阳系内有限的陆地行星大气清单的统计样本。然而，用于表征系外行星大气的基于模型的方法依赖于太阳系数据，导致我们有限的库存既是基础又是关键的大气实验室。目前的类地系外行星人口统计数据严重偏向于短周期行星，其中许多行星预计将被潮汐锁定，也可能是失控的温室候选者，类似于金星。在这里，我们描述了陆地系外行星人口的增加和气候模拟潮汐锁定的研究。这些系外行星的研究被放置在金星的背景下，金星是一个地球大小的异步转子的本地例子，接近潮汐锁定极限。我们描述了最近关于金星大气动力学的经验教训，以及这些经验教训如何与我们兄弟星球的进化有关。我们讨论了这些经验教训的系外行星大气的影响，并概述了金星气候的全面表征，以实现全面和强大的解释陆地行星大气的必要性。
2022-04-20 astro-ph.EP
3D modelling of the impact of stellar activity on tidally locked terrestrial exoplanets: atmospheric composition and habitability
恒星耀斑通过引起大气成分的变化和大量紫外线照射行星表面，对绕M矮星运行的类地行星的潜在可居住性提出了挑战。为了研究它们的影响，我们耦合了一个大气环流模型与光化学动力学方案，以研究类似地球的大气对恒星耀斑和日冕物质抛射的响应和变化。我们发现，恒星耀斑增加了大气中的臭氧量的一个因素的20相比，一个静止的恒星。我们发现，日冕物质抛射非生物产生的潜在的生物签名，如N $_2$ O的显着水平。大气成分的变化导致到达行星表面的紫外线量适度减少，这表明虽然耀斑对生命有潜在的危害，但恒星耀斑引起的大气变化会减少下一次恒星耀斑的影响。
2022-10-25 astro-ph.EP physics.ao-ph
Climate instability on tidally locked exoplanets
在昼夜地面温度对比强烈的行星上，可能会出现使同步旋转的岩石行星气候不稳定的反馈。类地可居住带（HZ）行星在地质时期保持稳定的表面液态水。这就需要在气候变化导致的温室气体消耗与其他过程的温室气体再供应之间取得平衡。探测到的小半径系外行星和预期的M-矮HZ岩石行星，预计将被潮汐锁定。我们调查了两个反馈，可以不稳定的潮汐锁定行星的气候。(1)如果压力的微小变化改变了行星表面的温度分布，使得当压力降低时风化率增加，则会发生正反馈，包括增加亚恒星点附近的风化率，降低压力，并增加亚恒星地面温度。(2)当压力的降低增加了熔点以上的表面积时（通过减少亚恒星点的平流冷却），液体体积的相应增加导致大气的净溶解，压力进一步降低。我们使用一个理想化的能量平衡模型来绘制这些不稳定性可能发生的条件。风化失控可使宜居带缩小，并在HZ内引起地质上快速的10^3倍的压力变化。火星可能在过去经历过风化失控。星下溶解通常是压力变化的负反馈或弱正反馈。如果大气具有高的辐射效率，则这两种不稳定性都被抑制。我们的研究结果是最相关的大气是薄，温室气体辐射效率低。这些结果确定了HZ行星可以经历快速气候变化并变得不适合居住的新途径。
2011-09-13 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Super-Earth LHS3844b is tidally locked
本文通过重新分析超级地球 LHS 3844b 的斯皮策相位曲线，排除了快速非同步自转并将其偏心率约束到小于 0.001，从而支持短周期岩质系外行星被潮汐锁定的假说，同时指出太空风化可能显著改变无大气行星表面。
2024-01-24 astro-ph.EP
JWST Transit Spectra I: Exploring Potential Biases and Opportunities in Retrievals of Tidally-locked Hot Jupiters with Clouds and Hazes
我们可以获得最高信噪比过境光谱的许多系外行星都是潮汐锁定的。潮汐锁定行星上的大气层可能在行星的白天和黑夜之间表现出巨大的差异，两极，以及早晨和晚上的终结者。在本文中，我们说明了如何气溶胶和昼夜温度梯度的综合影响形状过境光谱的潮汐锁定系外行星时，考虑到完整的三维结构和评估的影响，检索的大气属性。为此，我们已经开发了一个新的代码，METIS，它可以计算过境光谱的任意跨纬度高度网格的温度和压力。使用METIS，我们将云和薄雾的灵活处理与简单的参数化昼夜温度梯度配对，以计算过境光谱，并在广泛的系外行星大气特性中进行检索实验。我们的主要发现是：（1）气溶胶的存在通常会增加昼夜温度梯度对过境光谱的影响;（2）当试图执行贝叶斯参数估计时忽略昼夜温度梯度，当气溶胶存在时仍然会返回有偏差的结果，如文献中对于晴朗大气所示的那样;（3）在考虑昼夜温度梯度的情况下，一些凌日谱可以提供足够的信息来约束温度和昼夜转换的宽度。云和霾的存在实际上可以加强这种约束，但也削弱了对金属丰度的约束。本文代表了朝着开发足够复杂的模型和理论以匹配即将可用的优质数据的更大目标迈出的一步。
2020-06-12 astro-ph.EP
Simulations of Water Vapor and Clouds on Rapidly Rotating and Tidally Locked Planets: a 3D Model Intercomparison
对宜居带的内边缘进行鲁棒建模对于确定最有希望的潜在宜居系外行星进行大气表征至关重要。全球气候模式（GCM）已成为计算这一边界的标准工具，但不同的GCM之间出现了不同的结果。在这项研究中，我们进行了一个相互比较的标准GCM在现场使用的快速旋转的行星接收G-星光谱能量分布和潮汐锁定的行星接收M-星光谱能量分布。有云和无云的实验进行了检查。我们发现在全球平均地面温度模拟模型之间的G-星云的情况下，相对较小的差异（8 K内）。相比之下，全球平均地面温度模拟M星的情况下是高度发散（20-30 K）。此外，即使在云关闭时，模拟的地面温度的差异也是显著的。这些差异是由云模拟和/或辐射转移的差异以及大气动力学和这两个过程之间复杂的相互作用造成的。例如，我们发现，大气对短波辐射吸收的增加会导致全球高海拔地区的相对湿度增加，因此，发射到太空的行星辐射会显著减少。这项研究强调了根据各种GCM模拟得出行星气候结论的重要性，并促使最终将GCM结果与陆地系外行星观测结果进行比较，以提高其性能。
2019-12-24 astro-ph.EP physics.ao-ph
Longitudinally asymmetric stratospheric oscillation on a tidally locked exoplanet
研究用三维 GCM 模拟 Proxima Centauri b 参数下的潮汐锁定类地系外行星，发现类似地球 QBO 但具有经度不对称性的 LASO，并量化其结构、周期、风场及观测影响。
2021-11-22 astro-ph.EP physics.ao-ph
Temperature Structure and Atmospheric Circulation of Dry, Tidally Locked Rocky Exoplanets
下一代太空望远镜将观测环绕M矮星附近的岩石行星的大气层。理解这些观察结果除了数值模拟之外还需要成熟的理论。在这里，我们提出了理论模型的温度结构和大气环流的干燥，潮汐锁定岩石系外行星与灰色辐射转移和测试它们使用的大气环流模型（GCM）。首先，我们发展一个辐射对流模式，捕捉缓慢旋转和冷大气的地面温度。第二，我们表明，大气环流作为一个全球热机，这对大规模的风速有很强的约束。第三，我们发展了一个辐射-对流-沉降模式，将我们的辐射-对流模式扩展到热而薄的大气。我们发现，岩石行星开发大昼夜温度梯度的比值波辐射的时间尺度高达两个数量级小于工作建议的值热彗星。小的比率是由于热机效率低和对流大气中上升气流和下沉气流之间的不对称。第四，我们使用GCM模拟，旋转只有在大气是热的或薄的温度结构有很强的影响。我们的模型让我们绘制出GJ 1132 b等行星的大气场景，并展示了热相位曲线如何限制它们。测量短周期行星的相位曲线将需要詹姆斯韦伯太空望远镜通过凌日光谱检测分子的类似时间，因此未来的观测应该同时采用这两种技术。
2016-05-03 astro-ph.EP
The Hydrological Cycle and Circulation of Tidally-Locked Planets with a Finite Moisture Inventory
University of Exeter（埃克塞特大学）
本研究通过理想化 GCM 模拟，探究了潮汐锁定行星的水文循环与环流，发现水汽总量影响昼侧是否形成亚星湖，该湖可延迟昼侧干燥，其研究结果对理解行星气候与宜居性有重要意义。
2026-10-12 astro-ph.EP physics.ao-ph
Three-Dimensional Ocean Dynamics and Detectability of Tidally Locked Lava Worlds
Tsung-Dao Lee Institute, Shanghai Jiao Tong University（上海交大李政道研究所）；Department of Earth, Atmosphere and Planetary Science, MIT（麻省理工学院地球、大气与行星科学系）；Peking University（北京大学）；School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院）；State Key Laboratory of Dark Matter Physics, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学暗物质物理全国重点实验室）
本文研究了三维熔岩海洋动力学，推导了海洋热输送的标度律，并预测其可探测性。研究发现风力驱动的海洋环流主导其他机制，尽管流速极快，但熔岩海洋环流本身无法产生可观测的热点偏移。
2026-04-01 astro-ph.EP
On the Method to Infer an Atmosphere on a Tidally-Locked Super Earth Exoplanet and Upper limits to GJ 876d
我们开发了一种方法来推断或排除潮汐锁定的热超级地球上的大气层的存在。大气层的保留是一个基本的问题，特别是对于绕M恒星运行的行星，由于恒星的长期活动阶段和相应的恒星引起的行星大气逃逸和侵蚀的可能性。没有大气层的潮汐锁定行星预计会显示出类似朗伯的热相位曲线，导致行星-恒星系统的组合光随行星轨道相位而变化。我们报告斯皮策8微米IRAC观测GJ 876采取了超过32个连续的小时，达到相对光度精度为3.9e-04每点为25.6秒的时间采样。这转化为行星热相位曲线幅度上的5.13e-05的3西格玛极限。尽管几乎光子噪声有限的数据，我们无法最终推断出大气的存在或排除非过境短周期超级地球GJ 876 d上的大气。我们观测的限制因素是轻微活跃的M星的微小的、单调的光度变化，因为行星的部分正弦波与恒星的线性趋势有一个共同的成分。然而，所提出的方法是非常有前途的过境热超级地球与詹姆斯韦伯太空望远镜，是至关重要的建立观测约束大气逃逸。
2009-10-08 astro-ph.EP
Small Sensitivity of the Simulated Climate of Tidally Locked Aquaplanets to Model Resolution
潮汐锁定的低质量恒星周围的类地行星是寻找潜在的宜居系外行星的主要目标。几个大气环流模式已被用来模拟其可能的气候，然而，模式的相互比较表明，有很大的差异，即使它们被强迫与相同的边界条件的模式的结果。在本文中，我们研究模型分辨率是否有助于差异。使用大气环流模式ExoCAM耦合到一个50米的板状海洋，我们研究了三种不同的水平分辨率（440 km * 550 km、210 km * 280 km和50 km * 70 km经纬度）和三种不同的垂直分辨率（26、51和74层）的辐射、对流和云的方案。在实验中，全球平均地面温度的差异在5 K以内，行星平均温度的差异在0.007 K以内。这些差异主要来自云反馈、水蒸气反馈以及相对湿度随分辨率增加而减小的趋势。相对小规模的下降气流之间的上升流柱在亚恒星区域更好地解决和干，湿空气之间的混合和砧云和它们的环境之间的分辨率增加而增强。这些减少大气相对湿度和高层云分数，导致较低的晴空温室效应，较弱的云长波辐射效应，随后随着模式分辨率的增加，气候变冷。总体而言，潮汐锁定aquaplanes模式分辨率的模拟气候的敏感性是小的。
2020-06-17 astro-ph.EP
Utility of the Weak Temperature Gradient Approximation for Earth-Like Tidally Locked Exoplanets
M矮星的宜居带中的行星很可能被潮汐锁定，轨道周期为数十天。这意味着旋转对大气动力学的影响相对较弱，这就要求地球大气边界层上方的水平温度梯度较小。通过弱温度梯度（WTG）近似，假设高空温度水平均匀，可以构造一个只有三个自由参数的行星气候解析可解的动力学自洽模式。与3D大气环流模型（GCM）相比，WTG模型的极端数值效率使其成为蒙特卡罗拟合参数空间上的观测值的最佳工具。此外，这种低阶模型对于发展物理直观性和将大气动力学与行星气候其他组成部分的模型相结合至关重要。本文的目的是确定WTG模式是否提供了一个足够的近似值的影响，大气动力学的数量可能会被观察到在未来十年。要做到这一点，我们首先调整一个WTG模型GCM输出一个类似地球的潮汐锁定行星干燥，1巴的大气，然后生成和比较两个模型的预期相位曲线。我们发现，这两个模型之间的差异将是非常难以检测的相位曲线使用JWST。这一结果证明了WTG近似与GCM结合使用时的有用性，作为建模层次的一部分，以了解遥远行星的气候。
2013-08-07 astro-ph.EP
Sensitivity of the Atmospheric Water Cycle within the Habitable Zone of a Tidally-Locked, Earth-like Exoplanet
同步轨道，潮汐锁定的系外行星，其向阳面面对恒星，而其永久黑暗的黑夜面围绕昏暗的恒星运行，是宜居性的主要候选者。对这些行星的模拟经常显示出维持类似地球的气候和完整的水文循环的潜力。在这里，我们研究的敏感性大气水循环恒星通量的变化，并描述了主要的基本机制。在一个缓慢旋转，潮汐锁定类地大气模型中，恒星辐照度从一个可居住区控制模拟的一个小的（约10%）增加的反应进行了检查。水循环的增强是对恒星辐照度增加的响应。虽然蒸发量的增加与恒星辐射的增加类似，但平均环流的昼夜能量输送对行星的降水变化至关重要。在温暖的气候中，能量输送的效率提高，形成了星下降水的增加。在夜面，由于能量输送的增加和长波辐射的增加之间的大的抵消，降水变化是弱的。昼夜能量输送效率对大气垂直层结的变化很敏感。由于对流层上层温度梯度较弱，亚恒星区域保持潮湿的水汽，亚恒星地面温度和比湿度的变化控制着行星层结随变暖而增加。这表明，一个缩放的夜面的降水量的基础上，亚恒星表面的热力学变化，一个敏感性，在更广泛的恒星辐照度的变化。
2020-07-08 astro-ph.EP
Idealized 2D Cloud-Resolving Simulations for Tidally Locked Habitable Planets
云对行星气候和可居住性至关重要，但它也是研究太阳系内外行星最具挑战性的部分之一。在这里，我们使用一个高分辨率（2公里）的云解析模式（CRM）在一个二维（2D）的配置来模拟潮汐锁定的水行星上的云和环流。我们发现，亚恒星区域被深对流云覆盖，夜面主要是低层云，这两个是由全球尺度的沃克环流。我们进一步发现，一个均匀的表面变暖导致的亚恒星云的宽度减少，但昼夜地面温度对比度的减少或长波辐射冷却率的增加导致的亚恒星云的宽度增加。这些关系可以根据简单的热力学理论得到粗略的解释。比较了CRM和全球三维大气环流模式（GCM）的结果，发现两者在沃克环流、星下云系以及星下上升面积和强度对地面温度或纬向对比度变化的响应等方面表现出了定性一致的结果。但是，云水路径的大小、云的宽度以及它们对外强迫的响应存在着很大的数量差异。这些结果增加了我们的信心，使用GCM模型外行星气候，虽然大的定量不确定性应该总是存在。未来的工作需要使用三维CRM（s）与现实的辐射转移和科里奥利力来检查潮汐锁定行星的云和气候。
2022-06-16 astro-ph.EP
Nightside Clouds on Tidally-locked Terrestrial Planets Mimic Atmosphere-Free Scenarios
本研究发现潮汐锁定类地行星的夜侧厚云层会模拟无大气的观测特征，指出仅凭昼夜温差不能判定行星无大气，需结合更多观测与建模，并提出了利用JWST开展后续研究的方向。
2024-09-11 astro-ph.EP
Atmospheric dynamics and variability of periodically irradiated tidally locked planets
University of Toronto（多伦多大学）；University of Oxford（牛津大学）；The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）
本研究首次从动力学角度系统研究变化辐照潮汐锁定行星的大气响应，发现共振导致全球驻波和夜面变暖，并识别出11颗具有显著相位曲线调制的候选行星。
2026-09-30 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.flu-dyn
The influence of a sub-stellar continent on the climate of a tidally-locked exoplanet
先前的研究已经表明，大陆碳硅酸盐风化对类地行星的持续可居住性很重要。尽管如此，很少有研究考虑到陆地对潮汐锁定行星气候的影响。在这项工作中，我们使用气象局统一模型，再加上一个陆面模型，调查位于亚恒星点的大陆的气候影响。我们选择使用Proxima Centauri B的轨道和行星参数作为模板，以便与其他人的工作进行比较。表面的一个区域，其中$T_{\text{s}} > 273.15\,\text{K}$总是保留，和以前的结论，可居住的比邻星B保持不变。我们发现，亚恒星陆地导致全球冷却，并通过限制热量再分配增加昼夜温度对比。此外，我们发现，亚恒星的土地是能够引入一个政权的变化，大气环流。具体来说，当一个大陆偏移到东的亚恒星点被引入，我们观察到两个中纬度反向旋转喷流的形成，和一个大大减弱的赤道超旋转喷流。
2018-02-01 astro-ph.EP
Cloud Behaviour on Tidally Locked Rocky Planets from Global High-resolution Modeling
该研究利用高分辨率云允许模型模拟潮汐锁定岩石行星，发现恒星下点深对流云及云街，且云反照率随恒星通量增加，与GCM结果存在差异。
2023-06-21 astro-ph.EP
The Bio-habitable Zone and atmospheric properties for Planets of Red Dwarfs
开普勒的数据显示，围绕红矮星（RD）运行的可居住小行星非常丰富，因此可能是寻找生物标志物和生命的有希望的目标。在RD的宜居带内运行的行星足够接近，可以被潮汐锁定。最近的一些研究对绕着RD运行的行星是否有能力支持生命产生了怀疑。与此相反，它表明，温度适合液态水，甚至有机分子可能存在于潮汐锁定的行星上的大范围的大气层的RD。绘制了地面温度分布图，它是辐射、温室因子和热量循环的函数。导出了可居住性边界及其对大气性质的依赖性。扩展我们以前对潮汐锁定行星的分析，我们发现潮汐锁定以及RD和K型恒星的同步（不完全锁定）行星可能支持生命，轨道距离和大气条件的范围比以前想象的更广。特别是，有人认为，在潮汐锁定和同步轨道的RD和K型恒星的行星上，可能存在生命的环境，有条件支持氧气光合作用，这在地球上是复杂生命的关键。综述了不同的气候预测和潮汐锁定对假定复杂生命的生物学意义。我们表明，当考虑到连续辐射的影响，光合有效辐射（PAR）潮汐锁定的行星，即使是RD，可以产生一个高的潜在植物生产力，在类似的仲夏生长在地球上的高纬度地区。等待TESS和JWST的发现，我们讨论了上述论点对检测生物标志物（如液态水和氧气）以及生物行星和生命丰度的影响。
2019-07-24 astro-ph.EP
Traveling planetary-scale waves cause cloud variability on tidally locked aquaplanets
本研究通过潮汐锁定海洋行星模拟，揭示行星尺度Rossby波传播与日侧云辐射反馈如何造成晨昏线周期性晴空，并评估其对Proxima Centauri b等行星透射光谱的影响。
2023-07-13 astro-ph.EP
Assessing the Climate and Habitability of Tidally Locked Rocky Exoplanets
INAF – Osservatorio Astronomico di Trieste（意大利国家天体物理研究所的里雅斯特天文台）；CNR – Istituto di Geoscienze e Georisorse（国家研究委员会地球科学与地质资源研究所）；Institute for Fundamental Physics of the Universe（宇宙基础物理研究所）；Centro di Ricerca Nazionale in High Performance Computing, Big Data e Quantum Computing (ICSC)（高性能计算、大数据和量子计算国家研究中心）；Politecnico di Torino – DIATI（都灵理工大学）；CNR – Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima（国家研究委员会大气与气候科学研究所）；CSIC-INTA – Centro de Astrobiología（西班牙国家科学研究委员会-国家航空航天技术研究所天体生物学中心）；Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”（罗马第二大学）；Università degli Studi di Padova（帕多瓦大学）
本研究通过修改气候模型PLASIM，对潮汐锁定岩石系外行星的气候进行分类分析，揭示三种气候类型，发现眼球行星气候在宽压力范围内稳定，为未来宜居系外行星观测提供指导。
2026-08-27 astro-ph.EP
Atmospheric Collapse and Habitability on Tidally-Locked Exoplanets
Earth-Life Science Institute, Institute of Science Tokyo（地球生命研究所，东京科学大学）；Department of Earth and Planetary Sciences, Institute of Science Tokyo（地球行星科学系，东京科学大学）；Laboratoire de Météorologie Dynamique/IPSL, CNRS, Sorbonne Université, Ecole Normale Supérieure, PSL Research University, Ecole Polytechnique（气象动力学实验室/IPSL，法国国家科学研究中心，索邦大学，巴黎高等师范学院，PSL研究大学，巴黎综合理工学院）；Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, Univ. Bordeaux, CNRS（波尔多天体物理实验室，波尔多大学，法国国家科学研究中心）；Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心，地球与行星物理学研究所）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）
研究发现，大气坍缩可能通过削弱温室效应和昼夜热传输，反而有助于维持潮汐锁定行星上的液态水。
2026-03-10 astro-ph.EP
The thermal phase curve offset on tidally- and non-tidally-locked exoplanets: A shallow water model
使用浅水模型与时间相关的强迫，我们表明，太阳系外行星的热相位曲线的峰值是，在一般情况下，从二次日食时，行星旋转偏移。也就是说，行星热点偏离最大加热点（亚恒星点），可能导致或滞后于强迫;偏移的程度和符号是行星自转速率和轨道周期的函数。我们还发现系统在移动强迫的参考系中达到一个定态。该模型是一个扩展的研究松野吉尔模型到一个完整的球形几何形状和行星尺度的翻译强迫表示太阳能接收到的系外行星从主恒星。模型中的重力波的速度被证明是评估相位曲线偏移的关键度量。如果亚恒星点的速度（相对于行星表面）超过了重力波的速度，那么热点将滞后于亚恒星点，这可能是通过考虑强制重力波动力学所预期的。然而，当星下点的运动速度慢于系统的内部波速时，最热点可以引导强迫的通过。我们提供了一个解释这个结果考虑Rossby和开尔文波动力学，以及在非常缓慢的旋转的情况下，一维模型，产生一个解析解。最后，我们考虑从观测相位曲线约束行星自转速率的逆问题。
2017-04-22 astro-ph.EP
Asymmetry and Variability in the Transmission Spectra of Tidally Locked Habitable Planets
空间异质性和时间变异性是行星天气和气候的一般特征，由于行星旋转，不均匀的恒星通量分布，流体运动不稳定性等的影响，在这项研究中，我们调查的不对称性和变化的传输光谱的1：1自旋轨道潮汐锁定（或称为同步旋转）行星周围的低质量恒星。我们发现，对于快速旋转的行星，过境大气层厚度上的夜晚终结者（东的亚恒星区域）是显着大于早晨终结者（西的亚恒星区域）。这种不对称性主要与冰云中的空间不均匀性有关，因为液态云和水蒸气的贡献较小。潜在的机制是，在晚上的终结者上总是有更多的冰云，这是由于耦合的Rossby-Kelvin波和赤道超旋转的共同作用，这些波将水汽和云平流输送到东部，特别是在大气的高层。对于缓慢旋转的行星，不对称性会逆转（早晨的明暗界限比晚上的明暗界限有更大的传输深度），但幅度很小，甚至可以忽略不计。对于快速和缓慢旋转的行星，透射光谱都有很强的变化。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）几乎不可能观测到不对称信号，因为不对称的幅度（约10 ppm）小于仪器噪声，并且高可变性进一步增加了挑战。
2021-07-30 astro-ph.EP
Deciphering thermal phase curves of dry, tidally locked terrestrial planets
下一代太空望远镜将使我们能够描述类地系外行星的特征。为了有效地开展这项工作，必须利用所有现有数据。我们调查的大气属性可以，不能，推断出的宽带热相位曲线的干燥和潮汐锁定的类地行星。首先，我们使用量纲分析表明，相位曲线是由六个无量纲参数控制。其次，我们使用一个理想化的大气环流模式（GCM）来探讨相位曲线对这些参数的相对敏感性。我们发现相位曲线对大气参数最敏感的特征是峰谷振幅。此外，除了炎热且快速旋转的行星外，相位振幅主要只对两个无维参数敏感：1）动力时间尺度与辐射时间尺度之比，以及2）表面的长波光学深度。作为这种技术的应用，我们展示了如何相位曲线测量可以结合过境或发射光谱产生一个新的约束的表面压力和大气质量的类地行星。我们估计，用詹姆斯·韦伯太空望远镜在半个轨道上测量的单一宽带相位曲线，可以有意义地限制附近超级地球的大气质量。这些限制对于研究类地系外行星的大气演化以及描述潜在宜居行星的表面条件非常重要。
2014-12-28 astro-ph.EP
Water Trapping on Tidally Locked Terrestrial Planets Requires Special Conditions
地表液态水是标准行星可居住性的必要条件。对M星周围潮汐锁定行星的大气环流的计算表明，这种特殊的轨道结构有助于将大量的水捕获在夜晚一侧的厚达200厘米的冰中，可能会将所有的液态水从白天一侧移走，而白天是光合作用的可能场所。我们研究这个问题，使用一个全球气候模式，包括耦合大气，海洋，陆地和海冰组件以及大陆冰盖模式驱动的气候模式输出。对于一个水世界，我们发现表面风将海冰向白天输送，海洋将热量向夜晚输送。因此，夜侧海冰仍然是O（10米）厚和夜侧水截留是微不足道的。如果一颗行星在其夜晚一侧有大型大陆，如果地热通量与地球相似或更小，它们可以生长O（1000米）厚的冰盖。因此，当板块构造将其大陆推向夜晚时，具有与地球相似的水补充的行星将经历海平面的大幅下降，但不会经历完全的白天干燥。只有那些地热通量低于地球的行星，它们的大部分表面被大陆覆盖，并且地表水储量为地球的O（10%），才容易受到完全的水捕获。
2014-11-03 astro-ph.EP
Biosignature Anisotropy Modeled on Temperate Tidally Locked M-dwarf Planets
行星的大气成分（例如，O $_2$，O $_3$，H $_2$ O $_v$，CO $_2$，CH $_4$，N $_2$ O）可以提供其表面可居住性的线索，并可能为远程生命探测工作提供生物特征目标。最近的凌日调查发现了大量的岩石系外行星（例如，开普勒任务）表明，围绕K-和M-矮星运行的潜在宜居系统可能具有与地球非常不同的轨道和大气特征。为了评估各种生物特征和可居住性指标的物理分布和观测前景，必须了解它们在不同的天体物理和地球物理配置下可能如何变化，并利用包括行星气候不同子系统之间反馈的模型模拟这些变化。在这里，我们使用一个三维（3D）化学气候模型（CCM）研究恒星光谱能量分布（SED），恒星活动和行星旋转的变化对地球类似物和潮汐锁定行星的影响。我们的模拟结果表明，除了恒星SED和UV辐射的变化，照明几何形状和旋转引起的环流的变化可以影响大气生物特征的全球分布。我们发现，平流层昼夜侧混合比潮汐锁定行星的差异仍然很低（$<20\%$）在大多数典型的生物签名。然而，有趣的是，次级光合生物特征（例如，C $_2$ H $_6$ S）显示出更大的（${\sim}67\%$）昼夜侧差，并指出潮汐锁定可能对相位曲线、凌日和二次日食测量产生观测上可区分的影响。总的来说，这项工作突出了3D CCM研究地球大气特性和可居住性的潜力和前景。
2018-12-26 astro-ph.EP
Ocean Circulation on Tide-locked Lava Worlds, Part I: An Idealized 2D Numerical Model
本研究针对潮汐锁定熔岩星球，利用自主开发的理想化二维模型模拟其海洋环流与深度，发现岩浆洋深度远浅于传统对流假设的预测，且海洋环流对热相位曲线的观测影响极小。
2024-08-19 astro-ph.EP
A Scaling for Atmospheric Heat Redistribution on Tidally-Locked Rocky Planets
大气的热量再分配塑造了岩石系外行星的遥远外观，但目前还没有简单的方法来预测行星的物理性质的热量再分配。本文提出了一个解析标度理论的潮汐锁定岩石系外行星上的热再分布。定标的主要参数是行星的平衡温度、表面压力和宽带长波光学厚度。与TRAPPIST-1b、GJ 1132 b和LHS 3844 b的理想化大气环流模式模拟相比，该比例尺是有利的。对于这些行星来说，热量再分配通常变得有效，一旦表面压力超过O（1）bar，行星的可观测热相位曲线和二次日食开始明显偏离裸露岩石。缩放还指出了行星的情况下，热传输可以显着或多或少的效率，如H2和CO大气或热熔岩海洋世界。因此，这些结果弥合了理论与詹姆斯韦伯太空望远镜即将观测之间的差距。它们也可以用来在一维模式中参数化三维大气动力学的影响，从而提高这种模式的自洽性。
2022-01-20 astro-ph.EP
