外星世界的气候研究
The Study of Climate on Alien Worlds
摘要：
描述太阳系以外的大气层不再是一项局限于科幻小说领域的努力。
英文摘要：
Characterizing atmospheres beyond the Solar System is an endeavor no longer confined to the realm of science fiction.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
相关论文
外星世界能有多外星？
How alien can alien worlds be?
在试图选择恒星，可以主机与我们自己的特征相似的行星，我们选择了七个太阳型恒星已知的主机行星在宜居带和光谱恒星参数。对于这些恒星，我们估计了O，C，Mg和Si的“经验”丰度，进而我们使用Santos等人（2015）提出的模型推导出行星构建块的铁和水团质量分数。我们的研究结果表明，如果岩石行星围绕这些恒星运行，它们之间的成分可能会显着不同，并且与我们地球的成分不同。然而，为了对位于宜居带的系外行星和我们自己的行星的成分特性进行有意义的比较，一个复杂得多的分析（例如Dorn等人，2017年）的大量系统与精确的质量和半径的行星，和准确的化学丰度的主恒星。这里介绍的工作只是朝着这个方向迈出的第一步。
astro-ph.EPastro-ph.SR
在昆士兰寻找外星世界——MINERVA-Australis十年历程
Finding Alien Worlds in Queensland -- A Decade of MINERVA-Australis
University of Southern Queensland（南昆士兰大学）；University of California, Riverside（加州大学河滨分校）；University of Louisville（路易斯维尔大学）
MINERVA-Australis作为南半球唯一的系外行星探测设施，通过地面观测确认TESS发现的行星，已发现40颗新行星并延续了径向速度数据的遗产。
astro-ph.EPastro-ph.IM
系外行星大气化学的复杂系统方法：排除已知生命可能性新前景
A Complex Systems Approach to Exoplanet Atmospheric Chemistry: New Prospects for Ruling Out the Possibility of Alien Life-As-We-Know-It
本研究采用复杂系统方法，通过化学反应网络分析模拟3万种类地大气，结合贝叶斯统计，有效区分生物与非生物来源气体，增强排除已知生命解释的置信度。
astro-ph.EP
海洋世界的外星地图
Alien Maps of an Ocean-Bearing World
为了模拟最终将获得的系外行星观测结果，深度撞击航天器获得了地球在300-1000 nm的七个波段的光变曲线，作为EPOXI机遇任务的一部分。在本文中，我们分析光盘集成光变曲线，把地球当作一颗系外行星，以确定我们是否可以探测到海洋和大陆的存在。我们提出了两个意见，每个跨越一天，在凸形阶段。行星的自转导致了15- 30%的昼夜变化，最大的相对变化发生在最红的波长。为了以无偏的方式描述这些变化，我们对多波段光变曲线进行了主成分分析;该分析表明，地球98%的昼夜颜色变化是由于只有2个主要的本征色。我们使用这两个特征色的时间变化来构建地球的纵向地图，把它作为一个非均匀的朗伯球。我们发现，光谱和空间分布的本征色对应于无云的大陆和海洋，这尽管我们的观察是在典型的云层覆盖的日子。我们还发现，近红外波段在区分陆地和水方面特别有用。基于这个实验，我们的结论是，它应该是可能的推断水海洋的存在与时间分辨的宽带观测所采取的大型天基日冕望远镜的系外行星。
astro-ph.EP
外星世界的变化阶段：用高精度Photometry探测开普勒行星的大气层
Changing Phases of Alien Worlds: Probing Atmospheres of Kepler Planets with High-Precision Photometry
我们提出了一个全面的分析行星相位的变化，包括可能的行星光偏移，使用开普勒太空望远镜的数据的18个季度。经过系统学校正，我们发现了14个系统的相位曲线组件中的每一个显着的检测：行星的相位函数，二次日食，多普勒增强和椭球的变化。我们同时模拟了完整的相位曲线，包括主凌日和次凌日，并推导出太阳系、昼夜温度和行星质量。大多数行星都有低光学几何像差（<0.25），除了开普勒-10 b、开普勒-91 b和KOI-13 b。我们发现KOI-13 b的偏心率为0.0006 ± 0.0001，是唯一一颗偏心轨道的行星。我们首次检测到HAT-P-7 b的振幅为1.9 ± 0.2 ppm的三次谐波，并确认Esteves等人报道的KOI-13 b的三次谐波：两者都可能是由于它们的自旋轨道错位。对于六颗行星，我们报告了行星亮度峰值偏离亚恒星点：其中最热的两颗（Kepler-76 b和HAT-P-7 b）表现出食前偏移或向傍晚移动，而较冷的四颗（Kepler-7 b，Kepler-8b，Kepler-12 b和Kepler-41 b）在食后或早晨达到峰值。我们的发现大大增加了开普勒行星的数量，检测到行星光偏移，并提供了开普勒数据中的第一个证据，证明峰值偏移方向与行星温度之间的相关性。如果像理论上预测的那样，热发射主导着来自较热行星的光，这些行星的热点向夜晚移动，而反射光主导着较冷的行星，在行星的早晨一侧有云，那…
astro-ph.EP
利用HWO冠星仪的成像偏振法探测外星生命世界和光合作用生命
Detecting alien living worlds and photosynthetic life using imaging polarimetry with the HWO coronagraph
IRSOL, Universitá Svizzera italiana（瑞士意大利大学）；University of Bern（伯尔尼大学）；SETI Institute（SETI研究所）；NASA（美国国家航空航天局）；ESO（欧洲南方天文台）；University of Central Florida（中佛罗里达大学）；Leiden Observatory, Leiden University（莱顿大学）；Technical University Delft（代尔夫特理工大学）
利用HWO冠星仪的成像偏振法探测外星生命世界和光合作用生命，通过线性和圆偏振信号识别潜在宜居行星及生命迹象。
astro-ph.EPastro-ph.GA
更多相关论文收起更多论文
快速自转倾斜水世界稳态气候中的系统性南北不对称性
A Systematic North-South asymmetry in the Steady-state Climate of rapidly-rotating Oblique Water Worlds
本研究使用中等复杂度的通用环流模型模拟全水行星，发现高倾斜角和自转速率会引发南北半球气候不对称，且该现象与行星质量无关，可据此推断系外行星的倾斜角和自转速率。
astro-ph.EP
其他世界的气候：系外行星气候学新兴领域述评
The Climates of Other Worlds: A Review of the Emerging Field of Exoplanet Climatology
在过去十年中，围绕太阳以外的恒星运行的行星的发现加速了，随着新的空间和地面观测站采用下一代仪器在天空中寻找可居住的世界，这一趋势将继续下去。然而，许多因素和过程会影响行星的可居住性，必须了解这些因素和过程才能准确地确定行星的可居住性潜力。虽然气候模型长期以来一直被用来理解和预测地球上的气候和天气类型，但越来越多的研究人员开始将这些模型应用于太阳系外行星。这项工作提供了一个更好的理解轨道，表面和大气特性如何影响行星气候和可居住性;这些气候效应如何可能改变不同的恒星和行星环境;以及新发现的行星的可居住性和观测特征如何可能受到这些气候因素的影响。这篇综述总结了系外行星气候学新兴领域的起源和演变，讨论了最近的工作，使用层次结构的计算机模型，以确定那些行星最有能力支持生命，并提供了一个一瞥到未来的方向，这个快速发展的子领域的系外行星科学。
astro-ph.EP
变偏心率对类地球世界气候的影响
Effects of variable eccentricity on the climate of an Earth-like world
开普勒时代的系外行星发现为天文学界提供了一个与我们居住的系统非常不同的行星系的聚宝盆。人们早就知道木星在火星的轨道参数和气候中起着重要作用，但人们也长期认为，如果不是因为它的大卫星，木星也会对地球发挥类似的作用。使用一个三维大气环流模式（3-D GCM）与完全耦合的海洋，我们模拟会发生什么样的气候的地球一样的世界，如果火星不存在，但一个类似行星更接近地球的轨道。我们调查了两种情况，涉及类地行星的轨道偏心率从0- 0.283超过6500年，从0- 0.066的时间尺度为4500年的演变。在这两种情况下，我们发现，他们将保持相对温和的气候在模拟的时间尺度。随着我们继续调查天空，将发现多行星系统中更多的类地行星，本文的结果表明，大型气体巨行星的接近可能在这些世界的可居住性中发挥重要作用。这是第一个这样的三维GCM模拟使用一个完全耦合的海洋与行星轨道，随着时间的推移，由于一个巨大的行星的存在而演变。
astro-ph.EP
在偏心率可变的类地行星世界中探究黄赤交角对气候的影响
Exploring Climate with Obliquity in a Variable-eccentricity Earth-like World
该研究提出可变偏心率模拟方法，通过两种木星内移场景探究不同黄赤交角下类地行星的气候与宜居性变化，发现气候整体稳定但区域宜居性动态变化，高偏心率下才会接近湿润温室状态。
astro-ph.EP
大陆硅酸盐风化的热力学和能量极限强烈影响潮湿岩石世界的气候和可居住性
Thermodynamic and Energetic Limits on Continental Silicate Weathering Strongly Impact the Climate and Habitability of Wet, Rocky Worlds
“液态水宜居带“（HZ）概念是基于硅酸盐风化反馈稳定大范围星座气候的能力。然而，目前估计的HZ的有效外缘中使用的硅酸盐风化表示不占粘土沉淀径流中风化产物浓度的热力学限制，也不为行星星座设置的降水的能量限制。我们发现，当热力学极限包括在一个理想化的耦合气候/风化模型，稳态行星气候失去敏感性硅酸盐溶解动力学，成为敏感的温度，主要是通过温度对径流和pCO $_2$的影响，通过对溶质浓度的pH值介导的影响。这增加了敏感性土地分数，CO $_2$放气，以及地质因素如土壤年龄和岩性，所有这些都被发现有深刻的影响的位置的有效外缘的HZ。径流敏感性和降水的能量限制之间的相互作用导致新的温暖的状态在HZ的外部，由于温度和降水的解耦。我们讨论的战略，通过系外行星观测硅酸盐风化反馈的签名检测的见解来自修订后的图片风化。
astro-ph.EP
冰雪世界从雪球到潮湿或失控温室的突然气候转变
Abrupt climate transition of icy worlds from snowball to moist or runaway greenhouse
正在进行的和未来的太空任务旨在确定我们太阳系和更远的地方可能适合居住的行星。行星的可居住性不仅取决于行星当前的恒星日照和大气特性，还取决于其气候的演化历史。有人认为，当它们的宿主恒星变亮时，它们最初的冰盾融化后，冰冷的行星和卫星变得适合居住。在这里，我们通过全球气候模型模拟表明，那些具有不活跃的碳酸盐-硅酸盐循环和低浓度温室气体的冰冷行星和卫星的气候演变并未达到宜居状态。这类行星体的例子有冰质卫星欧罗巴和土卫二，以及某些绕G星和F星运行的冰质系外行星。我们发现，克服行星初始雪球状态所需的恒星通量是如此之大，以至于它们导致了显著的水分流失，并排除了可居住的行星。具体而言，它们超过了潮湿温室极限，即水蒸气在高海拔地区积聚，很容易逃逸，或者超过了失控温室极限，即温室强度增加，直到海洋蒸发。我们认为，一些冰冷的行星体可能会直接过渡到潮湿或失控的温室，而不需要经过一个可居住的类地球状态。
astro-ph.EP
具有自洽斑片云的类地行星辐射-对流模式
A Radiative-Convective Model for Terrestrial Planets with Self-Consistent Patchy Clouds
云是无处不在的\，- \，它们出现在每一个拥有大气层的太阳系行星上，也被认为是在系外行星观测中模糊光谱特征的主要机制。随着系外行星观测的不断改进，需要有效和通用的行星气候模型，以适当处理这些世界上可能出现的多云大气环境。我们生成一个新的一维辐射对流类地行星气候模式，自洽地处理斑块云通过参数化的凝结和沉积过程的微物理处理。我们的模型是一般的，足以重建地球的大气辐射环境，而没有过度参数化，同时也保持了一个简单的实施，适用于广泛的大气成分和物理行星属性。我们首先通过与地球热结构数据和现有的气候和辐射转移工具进行比较来验证这个新的一维片状云辐射对流气候模型。我们产生部分云的地球一样的气候与云结构，是深对流层对流的代表，是足够的岩石行星大气层内的云的一维表示。在对地球进行验证后，我们使用我们的部分云气候模型，探索具有次生氮主导大气的超级地球系外行星的潜在气候，我们假设这些大气是非生物的。我们还将部分云气候模式耦合到全物理逐线辐射转移模式，并生成模拟气候的高分辨率光谱。这些自洽的气候-光谱模型弥补了气候建模工作与岩石世界观测研究之间的差距。
astro-ph.EP
孪生世界，殊途命运：倾角如何不同地塑造了冥王星与海卫一的地貌和气候
Twin Worlds, Divergent Fates: How Obliquity has differently shaped Pluto's and Triton's landscapes and climates
本文通过使用相同初始条件的长期挥发性物质输运模拟，证明倾角是导致冥王星与海卫一表面冰分布和气候差异的主要驱动因素，并支持两者同源但动力学历史不同的假说。
astro-ph.EP
用Dynamics 1.0解决地球和地外环境的轨道和气候关键：模拟岩石行星气候的大气环流模式
Resolving Orbital and Climate Keys of Earth and Extraterrestrial Environments with Dynamics 1.0: A General Circulation Model for Simulating the Climates of Rocky Planets
ROCKE-3D（英语：Resolving Orbital and Climate Keys of Earth and Extraterrestrial Environments with Dynamics）是美国国家航空航天局戈达德空间研究所（英语：NASA Goddard Institute for Space Studies）开发的一个三维大气环流模式，用于模拟太阳系和系外类地行星的大气。其母模型称为ModelE 2（Schmidt et al. 2014），用于模拟现代和21世纪地球以及近期古地球气候。ROCKE-3D是一项持续的努力，旨在扩展ModelE 2的能力，以处理更广泛的大气条件，包括更高和更低的大气压力，更多样化的化学物质和成分，更大和更小的行星半径和重力，不同的旋转速率（缓慢旋转到比现代地球更快旋转，包括同步旋转），海洋和陆地分布和地形多样，和潜在的基本生物圈功能。ROCKE-3D的第一个目标是模拟太阳系内地球上的行星大气，如古地球，现代和古火星，古金星和土星的卫星泰坦。通过验证广泛的温度，压力和大气成分的模型，我们可以进一步扩展其能力，以研究过去已经发现的和未来将要发现的系外行星岩石世界。我们讨论了当前和不久的将来的能力，ROCKE-3D作为一个社区模型研究行星和系外行星大气。
astro-ph.EP
温暖的类地行星II的气候：部分适居性和硅酸盐风化的旋转“金发姑娘”带
Climates of Warm Earth-like Planets II: Rotational 'Goldilocks' Zones for Fractional Habitability and Silicate Weathering
行星自转速率对大气环流有显著影响，其中科里奥利效应的强度部分地决定了纬向热传输的效率，改变了云的分布、地面温度和降水模式。在这项研究中，我们使用的ROCKE-3D动态海洋环流模型来研究的影响，缓慢的旋转和增加日照的“分数可居住性”和硅酸盐风化率的地球一样的世界。将分数适居性f_h定义为处于0 <= T <= 100 C温度范围内的行星表面的百分比，我们发现，当日照增加10%和20%时，f_h适度增加，f_h可能在恒星日达到最大值--其长度为现代地球的8至32倍。通过跟踪降水和径流，我们进一步确定，有一个旋转制度集中在4天的时间内，硅酸盐风化率最大化，特别是强烈的峰值在较高的整体日照。由于风化在长期的碳酸盐-硅酸盐循环中的不可或缺的作用，我们认为气候稳定性可能会受到预期的温带陆地型世界旋转演化的强烈影响，并应被视为其研究中的一个主要因素。根据我们的研究结果，我们认为，行星自转周期是一个重要的因素，以考虑在确定地球的可居住性。
astro-ph.EP
巨行星：宜居世界的好邻居？
Giant planets: good neighbors for habitable worlds?
巨行星的存在以多种方式影响着潜在的宜居世界。巨大的天体邻居可以促进行星核心的形成，并改变小行星和彗星向地球类似物的涌入。此外，巨行星可以通过引力改变轨道间接改变地球世界的气候。通过对迄今已知的147个拥有一颗主序星和一颗巨行星的系外行星系统的研究，我们发现，即使两颗行星都有稳定的轨道，“巨邻居”的存在也会减少类地行星保持宜居的机会。然而，在一小部分系统中，巨行星稍微增加了宜居带的范围，前提是地球具有很高的气候惯性。在提供限制的地方，巨行星停止影响宜居带的大小在一个有害的方式，我们确定在寻找宜居世界的主要目标。
astro-ph.EP
EOS-ESTM：一个适合居住的系外行星的灵活气候模式
EOS-ESTM: A flexible climate model for habitable exoplanets
气候温和的岩石行星为发现太阳系外的宜居世界和生命提供了最好的机会。在过去的几十年里，新的仪器设备和大型观测活动一直受到对可居住世界的追求的推动。旨在研究岩石行星可居住性的气候模型是这些技术和观测努力的重要工具。在这种情况下，我们提出了EOS-ESTM，一个快速而灵活的模式，旨在探索多种气候因素对可居住性的影响，包括那些不受观测约束的因素。EOS-ESTM建立在ESTM的基础上，ESTM是一个季节-纬度能量平衡模式，其特点是对纬向和垂直输送进行了先进的处理。EOS-ESTM的新特点包括：（1）模拟海洋、陆地、冰和云作为温度和恒星天顶距函数的气候影响的参数化;（2）计算由太阳和非太阳型恒星照明的陆地和非陆地成分大气中的辐射转移的程序（EOS）。通过喂EOS-ESTM与地球的恒星，轨道和行星参数，我们得到一个参考模型，满足了大量的地球气候系统的观测约束。非陆地条件的验证试验产生的预测结果与用一系列气候模式获得的可比结果一致。EOS-ESTM在最大温室条件下的行星大气中的应用表明，对于各种行星参数，跟踪HZ外缘的雪球过渡是可能的，为HZ的多参数研究铺平了道路。
astro-ph.EPastro-ph.IM
类地系外行星的可能气候
Possible climates on terrestrial exoplanets
围绕其他恒星的类地行星上可能存在什么样的环境？尽管缺乏直接观测，但推测系外行星的气候可能还为时过早，例如优化未来的望远镜观测，或评估宜居世界的可能性。一级，气候主要取决于：1）大气成分和挥发物存量; 2）入射恒星通量; 3）行星自转的潮汐演化，这可以显著地锁定一颗具有永久夜晚的行星。大气成分和质量取决于难以模拟的复杂过程：挥发物的来源、大气逃逸、地球化学、光化学。我们讨论的物理限制，可以帮助我们推测可能的大气类型，这取决于行星的大小，其最终距离的恒星和恒星类型。假设大气层是已知的，可以使用类似于为模拟地球以及太阳系中其他地球大气层而开发的全球气候模型来探索可能的气候。我们在火星、土卫六和金星上的经验表明，可以通过结合"动力核心"、辐射转移求解器、次网格尺度湍流和对流的参数化、热地面模型和挥发性相变代码等组件来开发现实的气候模拟器。在此基础上，我们可以期望为系外行星建立可靠的气候预测器。然而，无论模型的准确性如何，预测特定星球上的实际气候状况仍然具有挑战性，因为气候系统受到强烈的正向不稳定反馈的影响（例如失控的冰川和失控的温室效应）。它们可以将具有非常相似的强迫和不稳定库存的行星驱动到完全不同的状态。
astro-ph.EP
用三维气候模式评估TRAPPIST-1系统的可居住性
Assessing the Habitability of the TRAPPIST-1 System Using a 3D Climate Model
TRAPPIST-1系统为研究多个太阳系外类地行星及其大气层提供了一个非凡的机会。在这里，我们使用国家大气研究中心社区大气模型版本4来研究TRAPPIST-1系统中行星的可能气候和可居住性。我们假设海洋覆盖的世界，大气层由N2，CO2和H2O组成，并根据观测定义了轨道和地球物理特性。模型结果表明，内三颗行星（b、c和d）目前位于传统液态水宜居带的内缘。因此，如果水曾经存在于内行星上，它们将经历一个失控的温室效应，并将水流失到太空中，使它们今天干燥。相反，外三颗行星（f、g和h）落在宜居带的最大二氧化碳温室外缘之外。模型结果表明，尽管有高达30 bar的CO2大气，外行星也不会变暖，而是进入雪球状态。中间的行星（e）代表了TRAPPIST-1系统中目前可居住的海洋覆盖世界的最佳机会。行星e可以维持至少一些可居住的表面区域，0 - 2巴的CO2，这取决于背景N2含量。对于一个被海洋覆盖的行星e来说，在1 bar的N2和0.4 bar的CO2或1.3 bar的纯CO2大气中，可以保持接近今天的地球地面温度。
astro-ph.EP
借助全球发射光谱（GlobES）从全球气候模型（GCMs）到系外行星光谱
From Global Climate Models (GCMs) to Exoplanet Spectra with the Global Emission Spectra (GlobES)
本文介绍了PSG的GlobES模块，该模块将3D大气与表面信息整合到光谱模拟中，通过TRAPPIST-1等案例展示了其在模拟凌日、发射和反射光谱方面的有效性，以支持JWST及未来任务的系外行星观测策略。
astro-ph.EP
金星是我们太阳系的第一个宜居星球吗？
Was Venus the First Habitable World of our Solar System?
今天的金星是一个荒凉的地方，地面温度接近750 K，大气层厚度是现在地球的90倍。几十亿年前，情况可能大不相同。我们使用麦哲伦任务的地形数据，2.9和0.715亿年前的太阳光谱辐照度估计，现今金星轨道参数，与当前理论和测量一致的海洋体积，以及早期金星的大气成分估计，创建了一套3D气候模拟。使用这些参数，我们发现这样一个世界可能有适度的温度，如果金星的自转周期慢于大约16个地球日，尽管入射太阳通量比现代地球接收的高46-70%。以金星目前243天的自转周期，如果它拥有一个浅的原始海洋，那么至少在7.15亿年前，金星的气候仍然适合居住。这些结果表明，旋转和地形在理解目前发现的类金星行星世界的气候历史方面发挥着至关重要的作用。
astro-ph.EP
先进技术大孔径Space Telescope（ATLAST）：描述可居住世界
Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope (ATLAST): Characterizing Habitable Worlds
先进技术大孔径太空望远镜（ATLAST）是下一代紫外-光学-近红外太空望远镜的一套任务概念，孔径尺寸为8至16米。ATLAST使用内部日冕仪或外部掩星仪，可以表征地球大小的系外行星的大气和表面，这些系外行星位于长寿命恒星的宜居带中，距离约为45 pc，包括其旋转速率，气候和可居住性。ATLAST还将使我们能够收集有关主要地表特征的性质、云量和气候变化以及地表植被季节性变化的信息。ATLAST将能够在5年内访问多达200颗恒星，每颗至少三次，这取决于星光抑制技术和望远镜孔径。可以对感兴趣的系统进行更频繁的访问。
astro-ph.EPastro-ph.IM
