A model of magnetised and rotating convection for stellar and planetary interiors
针对传统混合长理论忽略旋转与磁场共同作用的局限,研究者在笛卡尔框架下拓展该理论,结合热通量最大化原理推导相关物理量表达式,发现旋转与磁场共同作用下可增强对流,为恒星行星演化模型提供新依据。
2025-05-20 astro-ph.EP astro-ph.SR
Layer formation in double-diffusive convection over resting and moving heated plates
我们提出了一个双扩散对流的数值研究,其特征在于分层不稳定的热对流,而在同一时间的平均分子量(或溶质浓度)的顶部和底部之间的差异抵消这种不稳定性。在这种情况下,对流区可以通过对温度和溶质梯度的联合作用局部不稳定的分层或通过另一个过程,振荡双扩散对流不稳定性形成,该过程由与溶质相比更快的热分子扩散率触发。我们讨论了连续层形成这个问题的情况下,瞬间加热的底部(板),形成第一层的界面,变得暂时不稳定,并触发进一步的,二次层的形成。我们认为这两种情况下的普朗特数典型的水(海洋的情况下)和一个低的普朗特数(巨行星的情况下)。我们讨论了一个库埃特一样的剪切流的影响,特别是对层形成不同的剪切速率。由于振荡双扩散对流不稳定,形成额外的层,如在某些情况下观察到的。我们还测试我们的数值实验所依据的物理模型,通过恢复实验室设置中获得的层形成的实验结果。
2019-06-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
A model of rotating convection in stellar and planetary interiors: I - convective penetration
恒星和行星对流的单峰模型推导出均方根速度的大小,程度的超绝热,和特征长度尺度作为旋转速率的函数,以及与热和粘性扩散。对流模型被用来作为一个边界条件的对流不稳定和稳定的分层区域之间的过渡区域的运动方程的线性化,产生的深度对流渗透到稳定区域,并建立该深度和当地的对流Rossby数,扩散率,和这些流量的压力标度高度之间的关系。向上和向下的穿透对流有一个类似的标度与旋转速率和扩散率,但它们取决于不同的压力标度的高度,由于不同的能量过程发生在对流核心的早型恒星与对流信封的晚型恒星。
2019-02-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetized oscillatory double-diffusive convection
研究了垂直均匀背景磁场作用下振荡双扩散对流的性质。ODDC发生在根据史瓦西判据不稳定而根据勒杜判据稳定的恒星区域(有时称为反方向区域),这些区域通常被预测位于中等质量主序星的核心之外。以前对ODDC的流体动力学研究表明,基本不稳定性饱和成弱波浪状对流状态,但次级不稳定性有时会将其转化为分层对流状态,然后层迅速合并并增长,直到整个区域完全对流。我们发现,磁化的ODDC具有非常相似的性能整体,有一些重要的定量差异。线性稳定性分析表明,增长最快的模式是不受影响的领域,但其他模式。从数值上看,磁场影响基本不稳定性的饱和,总体上降低了温度和成分的湍流通量。这反过来又会影响地层的形成,通常会延迟地层的形成,有时甚至会在足够强的磁场下完全抑制地层的形成。然而,还需要进一步的工作来确定恒星中的层形成实际上被抑制的场强。潜在的观测影响进行了简要讨论。
2022-05-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Layered semi-convection and tides in giant planet interiors - I. Propagation of internal waves
分层半对流是解释土星光度过剩和一些热彗星异常大半径的可能候选者。在巨大的行星内部,它可能导致密度阶梯的产生,这是由薄的稳定分层界面分离的对流层。本文研究了内波在层状半对流区域中的传播,目的是预测入射到密度阶梯上的内波的能量输送。然后,我们的目标是了解当这些波被其他天体(如巨行星系统中的卫星)激发时所产生的潮汐耗散。我们使用当地的笛卡尔分析模型,考虑到在任何纬度的完整的科里奥利加速度,从而概括了以前的作品。我们发现入射内波的传输受到密度阶梯的强烈影响,即使这些波最初是纯惯性波(由科里奥利加速度恢复)。特别是,所有波长的低频波在临界纬度附近都能完美地传播。否则,只有当短波长波与阶梯的自由模式(界面重力波或短波长惯性模式)共振时,短波长波才被有效地传输。在所有其他情况下,波主要被反射,除非它们的波长长于整个楼梯的垂直范围(而不仅仅是一个台阶)。我们期望入射内波强烈影响的密度阶梯的存在下,在频率,纬度和波长依赖的方式。首先,这可能导致通过地震学探测巨行星内部的新标准;其次,这可能对潮汐耗散和我们对巨行星系统演化的理解产生重要影响。
2017-04-28 astro-ph.EP astro-ph.SR
Rotating Convection and Gravito-Inertial Wave Generation in Stellar Interiors
重力惯性波可以在对流区和辐射区的界面处以及对流区中的雷诺应力激发。因此,它们的能量通量的大小将随着对流的性质而变化。为了评估对流如何随旋转而变化,本文提出了一种简化的旋转对流局部单峰模型,该模型提供了均方根速度的大小、超绝热度和特征长度尺度作为对流Rossby数以及热扩散系数和粘性扩散系数的函数。在这种对流模型的背景下,两种模型用于评估重力惯性波通量被认为是:界面模型和充分处理的雷诺应力对波的影响。有人发现,有制度的亚惯性波可能携带一个显着的能量通量相对于纯重力波,取决于对流Rossby数,在稳定区域的浮力时间尺度的对流翻转时间的比率,和波的频率。
2019-02-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
The effects of rotation on a double-diffusive layer in a rotating spherical shell
迄今为止,湍流对流中双扩散分层的数值研究都忽略了旋转的影响。我们进行的第一步,通过研究科里奥利力如何影响旋转球壳内的双扩散层的方向。为此目的,我们已经运行的参数制度,这些层预计将形成和连续增加的旋转速度的结果,快速旋转被发现有一个类似的稳定效果的整体对流通量的增加的稳定性比$R_ρ$在非旋转设置。我们还研究了King、Stellmach和Buffett(2013)在瑞利-贝纳德对流情况下提出的旋转约束机制在多大程度上受到双扩散对流的影响:如果将其分类扩展为稳定性比$R_ρ$的函数,则其分类也适用于球壳中的双扩散对流情况。此外,我们检查了盐水和热努塞尔数的比率,并将我们的结果与Spruit(2013),Rosenblum等人(2011)和Wood,Garaud和Stellmach(2013)的模型进行了比较。我们发现我们的数据最适合Spruit的模型。我们的研究结果,快速旋转进一步减少对流传输,这是已经降低了双扩散对流,可以发挥重要作用,例如,一些快速旋转的巨行星的内部建模,因为气态巨行星最近被提出受到双扩散对流。
2014-04-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Compositional Convection in the Deep Interior of Uranus
天王星和海王星有着与太阳系中其他巨行星不同的共同属性,但它们也彼此不同,特别是在它们相对的内部热通量方面。海王星不仅释放的热量是天王星的十倍,而且释放的热量与它们从太阳吸收的能量的相对量也有很大的不同,与天王星相当,海王星是所有巨行星中最大的。因此,天王星内部是否存在热对流是值得怀疑的。然而,内禀磁场的存在意味着内部流体运动必须存在。在这里,我们认为组成对流驱动的氢的释放与形成大型有机网络或金刚石沉淀在内部深处。我们使用一组数值旋转对流模型来测试这一假设,其中对流驱动在热源和成分源之间变化,并且足够有力,不会受到旋转的强烈约束。在大多数情况下,我们发现冰巨人一样的纬向气流发展,三个带的特点是逆行赤道急流和高纬度的反赤道急流。大尺度环流单体也会发展,并导致热量和质量通量,这些通量往往沿着赤道平面呈现局部最大值。因此,尽管天王星的内部热流最小,但由热浮力和成分浮力驱动的对流之间的相似性预测天王星和海王星具有相似的内部动力学,从而可以解释为什么两个冰巨星具有可比的磁场。
2021-11-09 astro-ph.EP
Self-Consistent Evolution Models Show Weak Double-Diffusive Mixing in Jupiter and Saturn
California Institute of Technology(加州理工学院);University of California, Los Angeles(加州大学洛杉矶分校);University of California, Santa Cruz(加州大学圣克鲁兹分校)
研究巨行星‘模糊’核中双扩散对流重元素再分布效率,在行星演化代码中实现跨对流阶梯输运方法并应用于木星和土星模型,发现双扩散对流混合有限,重元素分布可能需其他机制。
2026-09-29 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Regime transitions of dynamos driven by fingering double-diffusive convection
Southern University of Science and Technology(南方科技大学)
本研究通过三维数值模拟揭示,热稳定分层的增强会引发指状双扩散对流发电机从强场偶极子主导状态向弱场状态的突然转变,最终导致发电机停止,为行星磁演化提供新见解。
2026-09-22 astro-ph.EP
Dynamos driven by top-heavy double-diffusive convection in the strong-field regime
本研究对比了旋转球壳中双扩散对流与co-density模型的发电机模拟,发现在强场区域两者产生相似的磁场和长期变化,支持了co-density模型在行星发电机模拟中的适用性。
2025-08-13 astro-ph.EP
Bayesian Evolution Models for Jupiter with Helium Rain and Double-diffusive Convection
氢和氦在足够冷的时候会发生分离,这关系到所有巨大行星在大分离时的演化,这些大分离大约等于或低于木星质量。我们模拟木星的热演化,包括其不断变化的氦分布的从头计算模拟结果的氦不溶性金属氢。经过4 Gyr的均匀演化,分化建立了一个薄的氦梯度低于1毫巴,动态稳定的流体对流。该地区经历过稳定的双扩散对流(ODDC),其弱的热传输维持超绝热温度梯度。与通用参数化的ODDC效率,该模型可以调和木星的本征通量,大气中的氦含量,半径在太阳系的年龄,如果Lorenzen等人的H-He相图被翻译到较低的温度。我们投在MCMC框架的进化模型,探索数以万计的进化序列,检索的概率分布的总重元素质量,超绝热的温度梯度由于ODDC,和相图扰动。所采用的SCvH-I状态方程有利于低效的ODDC,从而形成热边界层,允许分子包层快速冷却,而更深的内部实际上随着时间的推移而加热。如果用一个附加的自由参数来模拟较冷或较暖EOS的影响,则模型更倾向于那些比SCvH-I更冷的EOS。在这种情况下,超绝热性是适度的,深部变暖或变冷的可能性相同。
2016-09-28 astro-ph.EP
An Exploration of Double Diffusive Convection in Jupiter as a Result of Hydrogen-Helium Phase Separation
木星的大气层被观测到缺乏氦(Yatm~0.24),这表明内部有活跃的氦沉降。在标准的木星结构和演化模型中,这是通过假设一个外部的氦耗尽的包层与氦丰富的内部深处被一个尖锐的边界分开来解释的。在这里,我们的目标是开发一个模型,木星的不均匀的热演化,依赖于一个更自我一致的描述,他的丰度,温度和热通量的内部配置文件。我们利用最近的数值模拟H/He分层,分层(LDD)和振荡(ODD)双扩散对流,并假设一个理想化的行星模型组成的H/He信封和一个巨大的核心。介绍了一种利用He rain构造室内模型的一般框架。尽管,或者也许是因为,我们的简化使我们发现,自洽模型是罕见的。我们修改了Lorenzen等人的H/He相图,重现了木星大气中的氦丰度,并研究了LDD层高度的演化模型,从延长木星冷却时间的模型到实际缩短冷却时间的模型,得到的满足光度约束的模型的层高度约为0.1-1 km,相当于~10,-20,000层,位于约1毫巴和3-4.5毫巴之间的雨区。目前的限制和未来工作的方向进行了讨论,如He液滴的形成和下沉。
2014-12-13 astro-ph.EP
Layered semi-convection and tides in giant planet interiors
分层半对流可以在巨行星中运作,可能解释最近从朱诺号观测中推断出的木星中重元素分布的限制,并有助于土星的光度过剩或一些热彗星的异常大半径。这是一种由密度阶梯组成的状态,其中对流层被薄的稳定分层界面分隔开。行星的潮汐耗散效率很大程度上取决于其内部结构。提高我们对驱动这种耗散的机制的理解至关重要,因为它对预测任何行星系的长期演化具有重要意义。在这项工作中,我们的目标是研究所产生的潮汐耗散时,内波激发的其他机构(如巨行星的卫星)在分层半对流区域。我们发现,潮汐耗散率可以显着增强分层半对流介质相比,均匀对流介质,特别是在天体物理相关的亚惯性频率范围。因此,分层半对流是一个可能的候选人来解释最近在木星和土星上观察到的高潮汐耗散率。
2017-10-27 astro-ph.EP
Layered semi-convection and tides in giant planet interiors - II. Tidal dissipation
最近的朱诺号观测表明,木星中的重元素可能在其大部分气体包层中被稀释,从而在行星的扩展区域提供稳定的成分梯度。这可能会引发分层的半对流,在更普遍的巨行星背景下,这可能解释了土星的光度过剩,并在导致一些热彗星异常大的半径方面发挥了作用。在巨大的行星内部,它可以采取密度阶梯的形式,这是由薄的稳定分层界面分离的对流层。此外,已知潮汐耗散的效率强烈依赖于行星的内部结构。我们的目标是研究所产生的潮汐耗散时,内波被激发在一个区域的分层半对流的潮汐引力强迫由于其他机构(如卫星在巨大的行星系统,或在热木星系统的恒星)。我们采用了一个本地笛卡尔模型与背景分层的密度剖面进行了强加的潮汐强迫,我们计算的粘性和热耗散率数值。我们发现,潮汐耗散率可以提高分层半对流区域相比,均匀对流介质,后者对应于通常的假设,通过在巨行星内部模型。特别是,分层半对流区域拥有更丰富的共振,允许增强耗散更广泛的潮汐频率。这些结果的细节显着依赖于层状半对流区的结构特性。分层的半对流可以解释在木星和土星上观测到的高潮汐耗散率,这还没有被理论完全解释。需要进一步开展工作,以探索这一机制在全球模型中的效率。
2019-02-13 astro-ph.EP
Mercury, Moon, Mars: Surface expressions of mantle convection and interior evolution of stagnant-lid bodies
相对于地球而言,滞盖体内部的演化更容易建模和预测,因为没有与板块构造物理学相关的大的不确定性,其开始时间和地球历史的效率。然而,对这些天体的观测记录相对于地球来说既稀少又稀疏。它仅限于数量有限的样本和对数十亿年之久的表面进行的各种遥感测量,这些表面的实际年龄难以精确确定。因此,将这些观测结果结合成行星内部热和对流演化的连贯图像是一项重大挑战。在这一章中,我们审查的关键过程和(主要是地球物理)观测的限制,可以用来推断全球的地幔对流和热演化的内部的水星,月球和火星,三个主要的地球机构,其中一个停滞的盖子可能存在于整个历史的大部分。
2019-12-11 astro-ph.EP physics.geo-ph
A model of rotating convection in stellar and planetary interiors: II -- gravito-inertial wave generation
引力惯性波在对流区和辐射区的界面处以及在旋转恒星和行星的对流区的大部分中由雷诺应力激发。这种波在旋转恒星的频谱中具有显著的星震特征,特别是在快速旋转的早期型恒星中,这提供了探测其内部结构和动力学的手段。它们还可以将角动量、化学物质和能量从激发区域传输到它们在辐射区域中耗散的地方。为了估计这些波的振幅的激励和对流参数的依赖性,采用了一个单峰模型的恒星和行星对流,如在论文I中所述,它提供了作为旋转速率的函数的均方根对流速度的大小。与此对流模型,两个渠道的波驱动被认为是:激励在对流稳定和不稳定的区域之间的边界和激励由于湍流应力。参数制度的亚惯性波可能携带显着的能量通量,这取决于对流Rossby数,界面刚度,和波的频率。超惯性波也可以增强,但仅限于对流Rossby数接近1时。当激发界面激发波的流动的对流罗斯比数低于取决于界面刚度的临界罗斯比数时,界面激发波在较低截止频率附近具有峰值能量通量,而当对流罗斯比数大于临界罗斯比数时,该通量减小。这个临界罗斯比数。
2020-09-22 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
The Spectral Amplitude of Stellar Convection and its Scaling in the High-Rayleigh-Number Regime
对流在任何恒星内部的动力学中起着核心作用,但它的运作仍然很大程度上隐藏在直接观测之外。因此,我们对恒星对流的许多理解必然来自理论和计算模型。太阳在这方面是例外的。它的邻近提供了丰富的观测数据,为对流模型与观测结果的比较提供了一个独特的测试平台。当进行这种比较时,这些模型和观测结果之间令人惊讶的不一致变得明显。光球和日震测量表明,对流模拟可能高估对流流动速度在大的空间尺度。此外,许多太阳对流模拟很难再现观测到的太阳差异旋转,由于这一明显的高估。我们提出了一系列的3维(3-D)恒星对流模拟,旨在研究如何建立在恒星内部对流的振幅和光谱分布。虽然这些模拟是非磁性和非旋转的性质,他们证明了两个强大的现象。当以足够高的瑞利数运行时,对流的积分动能变得有效地独立于热扩散,但是该动能的谱分布仍然对这两个量敏感。已经收敛到动能的扩散无关值的模拟将在空间尺度之间划分能量,使得相对于具有较高瑞利数的可比系统,低波数功率被高估,而高波数功率被低估。我们讨论了这些结果的影响,根据目前的模型和观测之间的不一致。
2015-11-07 astro-ph.EP astro-ph.SR
Seven decades of exploring planetary interiors with rotating convection experiments
本文回顾了七十年间三类旋转对流实验的发展,介绍了不同实验模拟行星内部引力场的原理与技术演进,阐明其对理解行星内部及地球外核的重要作用。
2025-03-19 astro-ph.EP physics.geo-ph
On Limiting the Thickness of the Solar Tachocline
我们提出了在太阳的耦合对流和辐射区域的轴对称模拟,以调查角动量的辐射内部的演变。流体动力学和磁流体动力学模型运行。我们发现了一个初始的快速调整,在这个调整中,对流区的差异旋转粘性地传播到辐射内部,从而形成了一个“速跃层”。在极地地区,在速跃层中发展的反向旋转的双斜环流圈阻止了速跃层的随后扩展。在赤道附近,这样一个反向旋转的细胞是更间歇性和速跃层渗透深度继续增加,虽然比以前预测的更慢。在磁模型中,我们施加了一个偶极场最初局限于辐射内部。磁性模型的行为与它们的非磁性对应部分非常相似。尽管与对流区相连,但对流区和辐射区之间的角动量传递非常小。因此,虽然看起来磁场对于停止速跃层扩散不是必需的,但如果连接到对流区,它也不会促进这种扩散。
2011-04-24 astro-ph.EP astro-ph.SR
Interior convection regime, host star luminosity, and predicted atmospheric CO2 abundance in terrestrial exoplanets
本研究通过耦合地质与大气模型模拟两种地幔对流状态下类地行星的演化,发现两类行星宜居气候占比相近,但可通过探测25颗行星的CO₂丰度(>0.1 bar)以高置信度推断主导对流状态,为未来空间望远镜任务设计提供参考。
2024-12-10 astro-ph.EP
Partially Diffusive Helium-Silica Compound in the Deep Interiors of Giant Planets
氦是宇宙中第二丰富的元素,与二氧化硅一起,它们是巨行星的主要成分。探索氦和硅在高压下的反应性和状态对于发展和理解巨行星的演化和内部结构具有重要意义。在这里,使用第一性原理计算和晶体结构预测,我们确定了四个稳定的相的氦-硅化合物与七/八配位的硅原子在压力范围为600-4000 GPa,对应于太阳系外行星的内部条件。HeSiO 2的密度与目前的行星结构模型一致。这种氦-硅化合物在高压和高温条件下沿着土星的等熵线呈现出类似于超离子的氦扩散状态,在木星呈现出金属流体状态,在天王星和海王星的内部深处呈现出固体状态。氦和硅的反应可能导致巨行星岩石核心的侵蚀,形成稀释的核心区域。这些结果突出了氦在高压下形成新化合物的反应性,也为帮助建立更复杂的巨行星内部模型提供了证据。
2021-07-30 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci
Heat transport and convective velocities in compositionally-driven convection in neutron star and white dwarf interiors
该研究通过混合长度理论与数值模拟,探究中子星和白矮星内部成分驱动对流的热输运特性,发现两种对流状态及转变规律,修正了对流速度等结果,对白矮星磁场的结晶驱动发电机解释提出质疑。
2023-04-07 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Crossover from ballistic to diffusive vortex motion in convection
涡旋在天体物理和地球物理的热量和动量传输中起着独特的作用,它也是地球发电机的起源。根据历史资料能否预测或理解涡旋的运动是一个长期存在的问题。在这里,我们使用实验和数值模拟来展示一些通用的涡运动和分布的特点。结果表明,涡旋运动可以用布朗粒子的框架来描述,在布朗粒子的框架中,涡旋运动在短于某些临界时间尺度的时间内进行弹道运动,然后进行扩散运动。传统上,当人们考虑它们的运动时,通常忽略了涡旋的惯性,我们的结果意味着涡旋实际上具有惯性诱导记忆,使得它们的短期运动可以预测。扩展到天文和地球物理学,过渡的临界时间尺度是在几分钟的量级,在大气和海洋中的旋涡,这种惯性效应往往可以忽略不计相比,其他导向源。然而,涡旋的时间尺度要大得多,从几天到一年不等。提出了地球磁场短期变化不仅有太阳风等外源的贡献,还有涡旋惯性等内源的贡献。
2019-02-25 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Geomagnetic semblance and dipolar-multipolar transition in top-heavy double-diffusive geodynamo models
地球液态外核的对流是由热和化学扰动驱动的。本研究的主要目的是研究双扩散对流磁场产生的影响,通过三维全球地球发电机模型,在所谓的“头重脚轻”制度的双扩散对流,当热和成分背景梯度不稳定。使用线性本征解算器,我们首先确认,相比于标准的单扩散配置,对流的发病是由另外的第二个浮力源促进。接下来,我们进行系统的参数调查进行$79$数值发电机模拟。我们表明,对于对流输入功率在其热成分和化学成分之间的任何分配,模拟磁场和地磁场之间都可以达到良好的一致性。相反,偶极主导和多极发电机之间的过渡被发现强烈依赖于浮力强迫的性质。经典的参数,如当地的罗斯贝数或赤道对称的程度的流动,预计将支配这种转变,未能捕获偶极击穿。力平衡的尺度相关分析表明,当惯性力与主导长度尺度下的洛伦兹力之比达到$0.5$时,无论浮力如何分配,都会发生过渡。积分动能与磁能之比$E_k/E_m$提供了该力比的合理代表。考虑到地核中的$E_k/E_m \ll 1$,地球发电机预计将在远离偶极-多极转变的地方运行。由此看来,地磁极性倒转的发生不太可能与地核中惯性力振幅的剧烈而准时的变化有关,必须寻找另一种机制。
2021-05-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Energy conservation and gravity waves in sound-proof treatments of stellar interiors: Part II Lagrangian constrained analysis
在许多恒星和行星内部,声速大大超过了典型的流速。为了跟踪亚音速运动的缓慢演变,各种隔音模型试图去除快速声波,同时保留分层对流和浮力动力学。在天体物理学中,滞弹性模型通常在声音过滤分层模型中受到最多的关注。一般来说,滞弹性模型在接近绝热分层的区域(如恒星对流区)仍然有效,但在恒星辐射区常见的强烈亚绝热、稳定分层层中可能会失效。然而,研究恒星自转、环流和发电机需要理解对流和辐射区之间的复杂耦合,这需要在两种情况下都有效的鲁棒方程。在这里,我们将Brown Vasil & Zweibel 2012中开始的方程组分析(研究滞弹性模型)扩展到两种类型的伪不可压缩模型。这类模型在大气应用中受到关注,最近在白矮星超新星祖先的研究中也受到关注。我们证明,一个模型保存的能量,但其他没有。我们利用拉格朗日变分法将能量守恒模型推广为一般的状态方程,并将所得方程组称为广义伪不可压缩(GPI)模型。我们表明,GPI方程适当地捕捉在恒星和其他分层系统的对流和辐射区的低频现象,我们提供了转换低马赫数代码到这个方程组的建议。
2013-02-28 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Hot Start Giant Planets Form With Radiative Interiors
在气体巨星的热启动核心吸积形成模型中,行星的内部通常被假设为完全对流。通过计算详细的内部演化的行星假设热启动外边界条件,我们表明,这样的行星实际上将形成一个径向增加的内部熵的配置文件,使其内部将是辐射,而不是对流。对于一个热的外边界,在$S_{min}$有一个最小的熵值,低于这个值,吸积的包层就不能平滑地匹配到内部,而是将高熵物质沉积到不断增长的内部。这意味着至少可以暂时停止行星内重元素的混合,这些重元素是由形成过程中吸积的星子沉积下来的。这将造成的成分梯度可能随后在吸积后冷却期间破坏对流,这将改变观测到的行星冷却曲线。然而,即使是一个均匀的组成,对流随着行星的冷却而发展,冷却时间尺度的差异也会改变直接成像的气体巨星的推断质量。
2017-07-20 astro-ph.EP
The influence of bulk composition on long-term interior-atmosphere evolution of terrestrial exoplanets
目的:类地行星的次级大气层是在地质时期与内部相互作用的结果而形成和演变的。我们的目标是量化的影响,行星的整体组成的内部-地球大小的类地行星的大气演化,以帮助解释未来的观测地球系外行星的大气。研究方法:我们使用的地球化学模型,以确定主要元素组成的行星内部(MgO,FeO和SiO2)的岩浆海洋结晶后,行星形成,预测的组成配置文件的内部作为我们的长期热演化模型的初始条件。我们的一维演化模型预测的压力-温度结构的内部,我们用来评估近表面的熔体生产和随后的挥发性放气。挥发物根据质量守恒在内部和大气之间交换。结果如下:基于Hypatia目录中报告的恒星组成,我们预测大约一半的岩石系外行星具有作为单层对流(全地幔对流)的地幔,另一半由于存在中地幔成分边界而表现出双层对流。双层对流是更有可能的行星与高块体行星铁含量和低镁/硅比。我们发现,低Mg/Si比的行星往往冷却缓慢,因为它们的地幔粘度高。因此,低Mg/Si的行星也倾向于通过广泛的熔化迅速失去挥发物。此外,岩石圈的动力学机制(板块构造与停滞盖)对热演化和挥发物循环具有一级影响。这些结果表明,地球外行星大气的组成可以提供信息的动力学制度的岩石圈和内部的热化学演化。
2020-10-05 astro-ph.EP physics.geo-ph
Layered convection as the origin of Saturn's luminosity anomaly
当它们不断冷却和收缩时,太阳系巨行星辐射的能量比它们从太阳接收的能量要多。应用热力学第一和第二原理,可以确定它们在给定年龄时的冷却速率、光度和温度。然而,对土星红外固有光度的测量显示,这颗行星比其年龄预测的要亮得多。这种过度的亮度通常归因于氦在富氢包层中的不可吸收性,导致富氦液滴的“雨”。然而,现有的演化计算表明,这种沉积过程释放的能量可能不足以解决这个难题。在这里,我们证明使用行星演化模型,在土星的内部,产生的分层对流的存在下,像在地球海洋的某些部分,由存在的成分梯度,显着降低其冷却。它可以解释行星目前的光度为广泛的配置,而无需调用任何额外的能源。这意味着对传统的巨行星内部均匀绝热模型的修正,并质疑我们评估其重元素含量的能力。这加强了分层对流的可能性,有助于解释太阳系外巨行星观测到的异常大的半径。
2013-04-23 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Ohmic Dissipation in the Interiors of Hot Jupiters
我们提出的热木星内部的欧姆加热模型,其中我们解耦的内部和风区取代风区的边界温度TISO和磁场BPHI0。欧姆加热以两种方式影响气体巨星的收缩:通过对流区内的直接加热,以及通过对流区外的加热,这增加了内部的有效绝缘。我们计算了这些效应,并表明内部欧姆加热只有在行星达到内部熵的临界值时才能减缓冷却气体巨行星的收缩速率。我们确定的气体巨星的年龄时,欧姆加热成为重要的质量,TISO和诱导Bphi0的函数。完成参数空间的调查后,我们采用Menou(2012)的风区标度,并计算具有不同辐射水平的气体巨星的预期演化。我们发现,在这种磁阻力的情况下,很难用欧姆加热来膨胀大质量的行星或那些具有强辐射的行星,这意味着我们无法解释许多观测到的热木星半径。这与先前的进化模型相反,该模型假设恒定比例的辐射转化为欧姆功率。
2012-07-13 astro-ph.EP
Hot interiors of ice giant planets inferred from electrical conductivity of dense H2O fluid
本研究通过高达45 GPa、2,750 K的静态压缩实验首次测量离子态H2O流体电导率,发现其远低于冲击实验结果,从而支持天王星和海王星具有更炽热内部。
2024-01-21 astro-ph.EP physics.geo-ph