A revised lower estimate of ozone columns during Earth's oxygenated history
地球大气中的分子氧（O $_2$）的历史仍然存在争议;然而，地质证据支持至少两个主要事件，其中O $_2$增加了一个数量级或更多：大氧化事件（GOE）和新元古代氧化事件。自GOE $\sim 2.4$ Gyr前以来，O $_2$浓度可能波动（在$10^{-3}$和$1.5$乘以当前大气水平之间），导致随时间变化的臭氧（O $_3$）层。使用一个三维的化学气候模式，我们模拟的变化O $_3$在地球的大气中，因为GOE和考虑的影响，地表可居住性，在中元古代冰川。我们发现较低的O $_3$列（减少高达$4.68$倍，对于一个给定的O $_2$水平）相比，以前的工作，因此，更高的生物有害的紫外线辐射通量将达到表面。还原的O $_3$导致对流层羟基自由基（OH）的产生增加，这随后显著降低甲烷（CH $_4$）的寿命。我们表明，一个CH $_4$支持的温室效应在中元古代是极不可能的。减少O $_3$列，我们模拟天体生物学和陆地的可居住性有重要的影响，展示了三维化学气候模拟的相关性时，评估古气候和遥远的世界的可居住性。
2022-01-11 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Revisiting the Carrington Event: Updated modeling of atmospheric effects
1859年8月至9月的卡林顿白光耀斑和随后的地磁风暴等重大太阳事件对地球的影响令人相当感兴趣，特别是考虑到最近的预测，这种极端事件在未来几十年内将更有可能发生。在这里，我们提出了模拟大气的影响，特别是生产奇数氮化合物和随后的臭氧消耗，太阳质子与卡林顿事件。这项研究结合了以前两项研究的方法，这一事件的大气影响。我们调查NOy化合物的变化，以及使用一个二维的大气化学和动力学模型消耗O3。大气电离计算使用的距离-能量关系与四个不同的代理质子光谱与最近著名的太阳质子事件。我们发现，大气成分的变化与以前的研究是合理的协议，但使用的四个代理光谱的影响比这些研究之一发现的变化更广泛。特别是，我们发现更大的影响更硬的质子光谱，给定一个恒定的总通量。我们报告计算的硝酸盐沉积值，并与冰芯中的测量值进行比较。最后，我们简要地探讨了模拟臭氧消耗对地表太阳紫外辐射的影响。
2011-11-23 astro-ph.EP physics.ao-ph
Climate Sensitivity to Carbon Dioxide and Moist Greenhouse threshold of Earth-like planets under an increasing solar forcing
二氧化碳是辐射强迫的主要贡献者之一，增加了地球大气的温度和湿度。如果恒星辐照度增加，水在类地行星的平流层中变得丰富，它将分解，生成的氢将从大气中逃逸。这种状态被称为潮湿温室阈值（MGT）。使用全球气候模式（GCM）的中间复杂性，我们探索如何识别这种状态不同的CO2浓度，包括大气臭氧的辐射效应的第一次。我们表明，潮湿温室阈值与平流层水蒸气混合比的拐点和气候敏感性的峰值相关。对于560 ppm和200 ppm之间的CO2浓度，在320 K的地面温度达到潮湿温室阈值。尽管我们的模型更高的简单性，我们的结果是一致的，类似的模拟没有臭氧的复杂的大气环流模型，这表明它们是强大的指标MGT。我们讨论了宜居带的内边缘的影响，以及地球模拟行星的水损失的时间尺度。
2019-01-09 astro-ph.EP
Stratospheric dayside-to-nightside circulation drives the 3-D ozone distribution on synchronously rotating rocky exoplanets
本研究利用三维耦合气候-化学模型，发现同步旋转岩石系外行星上平流层昼侧至夜侧翻转环流将臭氧输运至夜侧并在罗斯贝涡旋处积累，揭示了臭氧三维分布机制及其对光谱观测的影响。
2023-06-05 astro-ph.EP
Ground-level ozone following astrophysical ionizing radiation events: an additional biological hazard?
超新星、伽马射线暴和太阳质子事件等天体物理电离辐射事件已被认为是对地球生命的潜在威胁，主要是由于平流层臭氧消耗以及随后地球表面和海洋上层太阳紫外线辐射的增加。其他工作也考虑了硝酸雨的潜在影响，得出的结论是不太可能有重大威胁。迄今尚未研究电离辐射事件后低层大气中产生的臭氧的潜在影响。臭氧是一种已知的对陆地和水中生物的刺激物，因此可能是一种重大的额外危害。使用以前完成的大气化学建模，我们已经检查了臭氧的量在低层大气中产生的伽马射线暴的情况下，发现值太小，对生物圈构成重大的额外威胁。这些结果可以推广到其他电离辐射事件，包括超新星和极端太阳质子事件。
2015-10-12 astro-ph.EP astro-ph.HE q-bio.PE
Effect of O3 on the atmospheric temperature structure of early Mars
臭氧是地球大气中一种重要的辐射性痕量气体。臭氧的存在可以显著影响大气的热结构，并由此例如云的形成。光化学研究表明，臭氧可以在富含二氧化碳的大气中形成。我们研究臭氧对模拟早期火星大气温度结构的影响。用一维辐射-对流模型，我们计算了1巴二氧化碳大气的温度-压力分布。臭氧剖面是固定的、参数化的剖面。我们改变臭氧层最大值的位置和最大值的浓度。最大值位于上层和中层大气的不同压力水平（1-10毫巴）。结果表明，臭氧对地面温度的影响相对较小。然而，在臭氧浓度大的情况下，行星的臭氧浓度会显著降低。在整个中层和高层大气中，由于强烈的紫外线吸收，引入臭氧后温度会升高。中层大气的这种加热强烈地减少了二氧化碳冷凝区，因此可能形成二氧化碳云。由于臭氧浓度高，整个大气层中二氧化碳云的形成受到抑制。此外，由于中层大气的加热，当臭氧增加时，冷阱位于越来越高的压力下。这导致平流层更加潮湿，因此可能会增加早期火星上的水分流失率。然而，平流层H2O的增加会导致更多的HOx，这可能会有效地破坏臭氧。这一结果强调需要进行一致的气候化学计算，以评估温度结构、水含量和臭氧化学之间的反馈。此外，对流在高臭氧量下被抑制，导致稳定的分层大气。
2015-05-28 astro-ph.EP
Gamma Rays from UltraCompact Minihaloes: Effects on the Earth's Atmosphere and Links to Mass Extinction Events
最近关于天体物理学来源，如附近的伽马射线暴或超新星对地球大气层的影响的研究表明，这些事件可能导致大气层成分的严重变化。这些变化中最值得注意的是臭氧的消耗，它对生物体极为危险，因为臭氧水平的任何下降都会导致地球表面有害太阳辐射的辐照度增加。在这项工作中，我们认为暗物质作为伽马射线的天体物理源，通过湮灭和衰变的WIMP中发现的黑暗紧凑的晕对象称为超紧凑的迷你晕（UCMHs）。我们计算以这种方式产生的伽马射线的通量，并使用戈达德航天飞行中心二维大气模型模拟由此产生的变化，以地球臭氧水平。我们还计算了这些事件发生的速率，使用这些晕在银河系内的质量分布估计。我们发现，从UCMH的臭氧消耗可以是显着的，甚至类似的水平，已被链接到晚奥陶纪大规模灭绝事件的原因。然而，在地球的整个历史上，这种遭遇的可能性相对较低。这表明，虽然像UCMH这样的暗致密物体可能对地球生物圈产生了影响，但其他天体物理现象，如伽马射线暴或超新星似乎更有可能是这些影响的来源。
2020-07-31 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.HE
Earth-like exoplanets in spin-orbit resonances: climate dynamics, 3D atmospheric chemistry, and observational signatures
该研究利用三维耦合气候-化学模型模拟Proxima Centauri b在1:1与3:2自旋-轨道共振下的大气环流、臭氧和水汽变化，并提出可通过发射光谱相位差异区分共振状态。
2024-10-24 astro-ph.EP
Lethal surface ozone concentrations are possible on habitable zone exoplanets
本研究利用WACCM6模型模拟TRAPPIST-1 e和Proxima Centauri b的大气，发现某些情景下地表臭氧浓度达致命水平（最高2200 ppbv），表明评估系外行星宜居性时必须考虑地表臭氧毒性。
2024-05-30 astro-ph.EP
3D climate modeling of Earth-like extrasolar planets orbiting different types of host stars
一颗类地行星的潜在可居住性通常由其表面可能存在的液态水来定义。液态水的潜在存在取决于许多因素，例如，最重要的是，地面温度。因此，行星大气的性质及其与行星主星提供的辐射能的相互作用具有决定性的重要性。在这项研究中，我们调查的影响，不同的主序星气候的类地太阳系外行星和他们的潜在的可居住性，通过应用三维地球气候模型占当地和动力学过程。这些计算是针对具有类地大气层的行星进行的，这些行星的轨道距离是从各个宿主恒星接收的能量总量等于太阳常数。与以前的三维建模研究相比，我们包括臭氧辐射加热对大气垂直温度结构的影响。得到的全球轨道平均结果进行了比较的一维辐射对流气候模式。不同的恒星光谱能量分布导致不同的地面温度，并且由于臭氧加热导致非常不同的垂直温度结构。与之前的一维研究一样，我们发现K型恒星周围的类地行星的地面温度更高，而F型恒星周围的行星的温度比太阳周围的类地行星低。然而，这种效应在3D模型结果中比在1D模型中更明显，因为3D模型考虑了诸如冰蒸发和水蒸气反馈的反馈过程。1D模型是否可以近似于3D模型结果的全球平均值在很大程度上取决于1D模型中相对湿度分布的选择，该分布用于确定水蒸气分布。
2015-04-07 astro-ph.EP
Characterization of a Thick Ozone Layer in Mars' Past
所有三个有大气层的类地行星都支持一定厚度的O3层。虽然目前只有地球的大气层足够大，足以对气候产生重大影响，但我们假设古代火星在火山静止期大气氧化时也可能支持厚厚的O3层。为了表征这样的O3层，并确定其反馈的火星气候的意义，我们采用一个一维逐线辐射对流模型在晴朗的天空条件下耦合到一个简单的光化学模型。大气压力，日照，和O2混合分数的参数空间进行了探索，找到有利于O3形成的条件。我们发现，一个实质性的O3层是最有可能的表面压力为0.3-1.0巴，并可能产生一个O3柱相当于现代地球的O2混合分数接近1%。然而，即使是较薄的O3层，显着的紫外线屏蔽的表面发生随着反馈的能量预算和大气的光化学。特别是，在中层大气中的CO2冷凝被抑制和H2O离解的特性被修改，从一个直接的光解为主的状态类似于现代火星转向一个更像地球的状态控制O（1D）攻击。
2013-03-15 astro-ph.EP
Co-evolution of atmospheres, life, and climate
在地球诞生之后，我们的主星太阳的亮度比今天低了20%到25%。如果没有类似温室的条件来温暖大气层，我们早期的星球将是一个冰球，生命可能永远不会进化。但生命确实进化了，这表明温室气体必须存在于早期地球上，以使地球变暖。来自地质记录的证据表明温室气体CO2的丰度。甲烷可能也存在，在这方面，产甲烷细菌，属于一个不同的厌氧原核生物群，将二氧化碳和氢气发酵成甲烷，可能有助于改变早期的大气。分子氧并不存在，正如对那个时代岩石的研究所表明的那样，它含有碳酸铁而不是氧化铁。多细胞生物起源于菌落中的细胞，这些细胞变得越来越专业化。光合作用的发展使得太阳的能量可以被生命形式直接获取。生成的氧气在大气中积累，在高层大气中形成臭氧层。在臭氧层吸收有害紫外线辐射的帮助下，生命在地球表面定居。我们自己的星球就是一个很好的例子，说明生命形式如何在行星的生命周期中改变大气层。我们表明，这些事实必须考虑到当我们发现和表征大气的类地系外行星。如果生命是在一颗行星上起源和进化的，那么应该可以预期，生命和大气之间发生了强烈的共同进化，其结果是行星的气候。
2010-05-20 astro-ph.EP
The effect of varying atmospheric pressure upon habitability and biosignatures of Earth-like planets
了解岩质太阳系外行星可能的气候条件，从而了解其潜在的可居住性，是系外行星研究的主要课题之一。确定气候以及潜在的大气生物特征在不同条件下如何变化是研究类地系外行星的一个关键方面。一个重要的属性是大气质量，因此压力及其对气候条件的影响。因此，本研究的目的是了解大气质量对气候的影响，因此可居住性，以及具有类似地球的行星的光谱外观，即N2-O2占主导地位，以1天文单位绕太阳运行的大气。这项工作利用一维耦合，无云，气候-光化学大气柱模式;改变大气表面压力从0.5 bar到30 bar;并调查温度和关键物种的轮廓，以及在2μm - 20μm范围内的发射和亮度温度谱。将表面压力增加到4巴会导致地面温度因温室变暖而增加。在该点以上，瑞利散射占主导地位，表面温度降低，达到低于273 K的地面温度（大约在~34 bar表面压力下）。对于臭氧、一氧化二氮、水、甲烷和二氧化碳，光谱响应随地面温度或压力而增加，这取决于物种。例如，对于生物特征臭氧和一氧化二氮的波段，二氧化碳会产生掩蔽效应，这在低二氧化碳大气中是可见的。
2020-06-09 astro-ph.EP
Dynamics of the Great Oxidation Event from a 3D photochemical-climate model
从太古代到元古宙，地球的大气经历了一个从缺氧到氧化的重大转变，大约2.4到2.1 Gyr，被称为大氧化事件（GOE）。这种快速转变可能与臭氧层的形成引起的大气不稳定有关。以前的工作都是基于一维光化学模型。在这里，我们重新审视了GOE与三维光化学气候模型，以调查可能的影响，大气环流和气候之间的耦合和动态的氧化。我们发现，与一维模型相比，日变化，季节变化和运输变化不会带来显着的变化。然而，我们强调了大气光化学损失的温度依赖性。太古代晚期的冷却可能有利于氧化作用的触发。此外，我们表明，休伦冰川，发生在GOE，可能已经引入了波动的氧水平的演变。最后，我们表明，氧气过冲，这是预期发生后不久的GOE，很可能伴随着甲烷过冲。如此高的甲烷浓度可能会对气候产生影响，并可能在休伦冰川的动态中发挥作用。
2022-12-02 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.chem-ph
Solar irradiance changes and phytoplankton productivity in Earth's ocean following astrophysical ionizing radiation events
模拟的天体物理电离辐射事件对地球上的生命具有重要意义，大气层对此的两种反应是产生奇氮物质，特别是NO2，以及随后平流层臭氧的消耗。臭氧消耗增加了入射的短波紫外线辐射（UVB，280-315 nm）和较长波长（> 600 nm）的光合作用可用辐射（PAR，400 - 700 nm）。另一方面，NO2霾降低了长波UVA（315-400 nm）和短波PAR的大气透射率。在这里，我们使用的电离辐射事件后的入射光谱辐照度的先前模拟的结果来预测地球生产力的变化，侧重于海洋浮游植物的光合作用。预测的基础是为海洋中部区域的优势属（聚球藻属和原绿球藻属）开发的光合作用反应光谱模型，以及对光谱水透明度、温度、风速和混合层深度的遥感观测。模拟电离事件后，预测的生产力下降，但在水柱的综合影响很小。对于考虑到PAR透射的整个深度范围（下降到可利用PAR的0.1%）的积分，降低最多为2-3%（取决于应变），对于仅到表面混合层深度的积分，影响更大（5-7%）。较深的整合是最受影响的减少可利用PAR在深度由于NO2阴霾，而较浅的整合是最受影响的增加表面紫外线。
2016-04-06 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.ao-ph
Modeling Repeated M-dwarf Flaring at an Earth-like Planet in the Habitable Zone: I. Atmospheric Effects for an Unmagnetized Planet
了解活跃M矮星对大气平衡和类地行星宜居带表面条件的影响是评估M矮星宜居性的关键。以前对电磁辐射和来自单个大耀斑的质子对类地大气的影响的建模表明，臭氧的显着和长期减少是可能的，但大气层恢复。这些恒星更真实地表现出频繁的耀斑与幂律分布的能量。在这里，我们使用一个耦合的一维光化学和辐射对流模型来研究重复耀斑的光化学和表面紫外线的类地行星不受保护的内在磁场的影响。我们使用时间分辨耀斑光谱获得的dM 3恒星AD狮子座，结合耀斑发生频率和总能量（通常为10 $^{30.5}$至10 $^{34}$尔格）从4年开普勒光变曲线的dM 4耀斑恒星GJ 1243。我们的模型结果表明，重复EM只有耀斑对臭氧柱深度的影响不大，但多个质子事件可以迅速破坏臭氧柱。结合现实的耀斑和质子事件频率与标称CME和SEP几何形状，我们发现类地行星的臭氧柱可以在10年内消耗94%，下降趋势使恢复不太可能，并建议进一步破坏。对于更极端的恒星输入O3耗尽允许在行星表面恒定0.1-1 W m $^{-2}$的UV-C，这可能是有害的有机复杂性。我们的研究结果表明，活跃的M矮宿主可能会全面破坏臭氧层，并使未受磁性保护的类地行星表面受到长期辐射，从而破坏复杂的有机结构。然而，这并不排除可居住性，因为海洋表面下仍然可能存在生命的安全避难所。
2017-11-22 astro-ph.EP
Asymmetries in the simulated ozone distribution on TRAPPIST-1e due to orography
本研究利用CESM2-WACCM6模型模拟TRAPPIST-1e的大气，发现地形导致的南北不对称环流引起臭氧分布不对称，南极臭氧柱密度远高于北极，强调模型参数对观测解释的影响。
2024-11-05 astro-ph.EP
Is ozone a reliable proxy for molecular oxygen? I. The O2-O3 relationship for Earth-like atmospheres
分子氧（O2）与还原气体配对被认为是一个有前途的生物特征对的大气特征的类地系外行星。在行星大气中可能无法检测到O2的情况下（例如，在中红外波长处），已经提出臭氧（O3）（O2的光化学产物）可以用作推断O2的存在的替代物。然而，O3的产生对O2有非线性的依赖性，并且受到宿主恒星紫外光谱的强烈影响。为了评估O3作为O2替代物的可靠性，我们使用Atmos，一个一维耦合气候/光化学代码，研究了各种恒星宿主（G 0 V-M5 V）和O2丰度周围的“类地”宜居带行星的O2-O3关系。总的来说，我们发现O2-O3关系与恒星宿主有显著差异，导致较热的恒星（G 0 V-K2 V）与较冷的恒星（K5 V-M5 V）有不同的趋势。当O2水平最初从100%地球目前的大气水平（PAL）下降时，绕着较热的宿主恒星运行的行星会反直觉地经历O3的增加，最大O3丰度发生在25- 55%PAL O2。随着O2丰度的最初降低，能够进行O2光解的大量UV光子到达大气中O3生产效率更高的较低（密度更高）区域，导致O3水平增加。这种效应不会发生在较冷的主星（K5 V-M5 V），因为较弱的入射紫外线通量不允许O3形成在足够密集的大气层区域，在那里更快的O3生产可以超过产生O3的O2来源。总的来说，从O3测量结果中推断出精确的O2水平是非常困难的（或不可能的），但是，有了关于主恒星紫外光谱和背景线索的信息，O3将提供关于系外行…
2022-08-19 astro-ph.EP
Sensitivity of Biosignatures on Earth-like Planets orbiting in the Habitable Zone of Cool M-Dwarf Stars to varying Stellar UV Radiation and Surface Biomass Emissions
我们发现，冷M-矮星的紫外线辐射的变化有一个潜在的大的影响，在模拟类地系外行星，即与地球的发展，生物质和分子氮氧为主的大气中的行星的大气生物特征。从一颗M7类矮星的黑体辐射出发，逐步增加恒星紫外辐射，计算了由此产生的行星大气的气候-光化学响应.结果表明，金发姑娘效应与臭氧的光谱检测。在弱紫外线水平下，臭氧柱很弱（由于查普曼机制的产生较弱），因此其光谱检测具有挑战性。在强紫外线水平下，臭氧形成更强，但其相关的平流层加热导致平流层和对流层之间的温度梯度减弱，从而导致光谱带减弱。此外，增加的UV水平可导致对抗臭氧形成效应的氢氧化物的丰度增加。在中等紫外线（即与x10对应的光谱类M7的黑体普朗克曲线的恒星紫外线辐射通量）的条件是刚刚好的光谱检测。结果表明，行星O3的轮廓是敏感的紫外输出的恒星约（200-350）nm。我们还研究了增加大气层顶部入射莱曼α辐射的影响，但这对生物特征的影响很小，因为它在最上层的行星大气层中被有效吸收，主要是被丰富的甲烷吸收。早期的研究表明，行星甲烷是一个重要的平流层加热器，它严重影响垂直温度梯度，从而影响光谱发射带的强度。
2015-07-10 astro-ph.EP
A New Model Suite to Determine the Influence of Cosmic Rays on (Exo)planetary Atmospheric Biosignatures -- Validation based on Modern Earth
探测太阳系外生命迹象的第一次机会可能在未来十年内已经提供，即将进行的飞行任务包括詹姆斯·韦伯空间望远镜、欧洲超大望远镜和（或）大气遥感红外系外行星大型巡天飞行任务，这些飞行任务将在冷K星和M星的宜居带中寻找行星上的大气生物特征。然而，它们恶劣的恒星辐射和粒子环境可能导致大气生物特征的光化学损失。我们的目标是研究宇宙射线对行星外大气生物特征和辐射环境的影响，同时考虑高能粒子沉淀、气候、大气电离、中性和离子化学以及二次粒子生成之间的反馈。我们描述了新组合的国家的最先进的建模工具来研究辐射和粒子环境对大气粒子相互作用的影响，对大气化学的影响，以及气候化学耦合在一个自洽的模型套件。为此，大气辐射相互作用模拟器（AtRIS），系外行星地球离子化学模型（ExoTIC）和更新的耦合气候化学模型等模型被结合起来。除其他外，我们模型的大气响应在太阳静止期，并在一个强大的太阳高能粒子事件，以及依赖于太阳的陆地过境光谱，所看到的近红外光谱仪机载JWST。我们发现，相对较弱的太阳事件大大增加了HNO $_3$的光谱信号，而显着抑制臭氧的光谱特征。由于此类事件后的缓慢恢复，后者表明臭氧可能不是一个很好的生物标志物，为行星轨道恒星与高耀斑率。
2019-09-25 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Exploring the climate of Proxima B with the Met Office Unified Model
我们提出了新发现的行星Proxima Centauri B的气候模拟结果，使用气象局统一模型（UM）进行。我们研究了“类地球”大气层和简化的氮气和微量二氧化碳大气层对Proxima Centauri B可能接收到的辐射的响应。此外，我们探索轨道偏心率的行星条件的影响，使用一系列的偏心率的观测约束。总的来说，我们的结果与以前的研究一致，表明Proxima Centauri B可能具有有利于液态水存在的地面温度。此外，我们已经扩大了参数制度，行星可能支持液态水更高的偏心率值（>= 0.1）和较低的入射通量（881.7 Wm-2）比以前的工作。这种增加的参数空间是因为行星对恒星通量变化的敏感性低，这是恒星光谱和轨道配置的结果。然而，我们也发现有趣的差异，从以前的模拟，如冷却器的平均地面温度的潮汐锁定的情况下。最后，我们已经产生了高分辨率的行星发射和反射光谱，并突出了对地球上复杂生命进化至关重要的气体（氧气，臭氧和二氧化碳）的特征。
2018-08-24 astro-ph.EP
Stratospheric Temperatures and Water Loss from Moist Greenhouse Atmospheres of Earth-like Planets
一个辐射对流气候模式被用来计算平流层温度和水蒸气浓度的无臭氧大气比现代地球温暖。冷，干燥的平流层预测在低地面温度，与最近的三维计算。然而，当地面温度高于350 K时，平流层变暖，水蒸气成为上层大气的主要成分，使水通过光解和氢逃逸而损失。因此，一个“潮湿的温室”的解释，从金星，或一些系外行星接收相当数量的恒星辐射的水损失，仍然是一个可行的假设。这种大气上部的温度远低于灰色大气的估计温度，在使用一维模型进行“逆”气候计算以确定宜居带边界时，应考虑到这一因素。
2015-10-13 astro-ph.EP
Lightning-induced chemistry on tidally-locked Earth-like exoplanets
确定可居住性和解释系外行星的大气光谱需要了解它们的大气物理和化学。我们使用3-D耦合气候化学模型，英国气象局统一模型与英国化学和气溶胶框架，研究闪电的出现及其对潮汐锁定类地系外行星的化学影响。我们模拟了比邻星b在其M矮星的宜居带轨道上的大气，但结果适用于类似的M矮星轨道行星。我们的化学网络包括Chapman臭氧反应和氢氧化物（HO $_{\mathrm{x}}$ =H+OH+HO $_2$）和氮氧化合物（NO $_{\mathrm{x}}$ =NO+NO $_2$）催化循环。我们发现，恒星辐射（177-850 nm）驱动的光化学支持20-50公里之间的全球臭氧层。我们参数化闪电作为云顶高度的函数和由此产生的一氧化氮（NO）的N $_2$和O $_2$的热分解。快速的昼侧对流和周围的亚恒星点的结果，在高达0.16公里的闪光$^{-2}$年$^{-1}$的闪电率，丰富的昼侧大气高度低于20公里的NO $_{\mathrm{x}}$。昼侧臭氧的变化主要取决于紫外辐照度和HO $_{\mathrm{x}}$催化循环。大约45%的行星向阳面表面保持在适宜居住的温度（T $_{\mathrm{surf}}$ >273.15 K），臭氧层将表面紫外线辐射水平降低到15%。昼侧-夜侧热梯度导致强风，随后将NO $_{\mathrm{x}}$向夜侧平流，其中光化学的缺乏允许NO $_{\mathrm…
2022-09-26 astro-ph.EP
Climate change via co2 drawdown from astrophysically initiated atmospheric ionization?
出于发生的一个中等附近的超新星附近的更新世的开始，可能作为一个长期的系列在中新世开始的一部分，我们调查是否硝酸盐雨从大气电离增强宇宙射线通量可能有，通过其肥料效应，启动二氧化碳下降。这种下降可能会减少温室效应，并引起气候变化，导致更新世冰川。我们估计，在50 pc的事件到表面的氮通量增加将是10%的顺序，可能太小的戏剧性的变化。我们估计了铁（另一种潜在的肥料）的沉积，发现它也太小而不重要。还有相反符号的竞争效应，包括μ介子辐照和平流层臭氧层消耗造成的紫外线增加造成的光合作用产量减少，导致一个模糊的结果。然而，如果大气电离导致闪电频率大幅增加，正如其他地方所争论的那样，硝酸盐合成量应该更大，主导其他效应，并引起气候变化。需要做更多的工作来澄清闪电频率的影响。
2020-04-28 astro-ph.EP astro-ph.HE q-bio.PE
Effects of Gamma Ray Bursts in Earth Biosphere
我们继续以前的工作，模拟伽马射线暴对地球的潜在影响。我们专注于全球生物圈的臭氧消耗的影响，并显示了第一次建模的光谱减少光的NO2形成在平流层。我们还说明了目前的复杂性，在预测陆地生态系统将如何应对这种突发。我们的结论是，需要更多的生物领域和实验室数据，以达到甚至适度的准确性，在这种建模
2009-11-11 astro-ph.EP astro-ph.HE q-bio.PE
Is ozone a reliable proxy for molecular oxygen? III. The impact of CH$_4$ on the O$_2$-O$_3$ relationship for Earth-like atmospheres
本研究通过光化学与气候建模，分析不同O₂、CH₄丰度及宿主恒星条件下类地大气的O₂-O₃关系，发现CH₄通过影响平流层温度、HOₓ循环等改变O₃特征，强调需深入探索该关系以确保O₃作为O₂替代指标的可靠性。
2025-08-26 astro-ph.EP
Is Ozone a Reliable Proxy for Molecular Oxygen? II. The impact of N$_2$O on the O$_2$-O$_3$ relationship for Earth-like atmospheres
本文通过气候/光化学建模研究 G0V-M5V 恒星周围类地大气中 N2O 对 O2-O3 关系的影响，发现其效应强烈依赖宿主恒星紫外辐射和 O2 丰度，并揭示了 N2O 通过 NOx 催化循环消耗 O3 或通过光化学烟雾机制产生 O3 的双重作用及其对宜居性和光谱观测的影响。
2025-07-22 astro-ph.EP
Atmospheric O2 from astronomical data
尽管许多人试图找到大气气体含量与气候变化之间的关系，但旨在监测和预测O2消耗的环境研究仍然缺乏或需要改进。本项目的目的是通过使用恒星光谱中存在的大地线来确定大气O2耗尽的准确历史序列。如果对不同的气团、不同的季节、不同的地点进行高分辨率的光谱观测，如果逐年监测变化，就有可能更好地了解氧在大气热平衡中的作用。天文光谱技术主要涉及高分辨率恒星光谱中吸收特征的研究，但我们也在考虑是否可以从中低分辨率恒星光谱中获得大气O2丰度的精确测量。
2009-01-16 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Potential Biosignatures in Super-Earth Atmospheres
类地行星的大气温度和混合比廓线随不同类型M矮星的光谱能流分布和行星引力的变化而变化。我们调查由此产生的影响的分子吸收带的光谱外观，这是相关的指标，潜在的行星可居住性在初级和次级日食过境类地行星与地球一样的生物质排放。大气剖面计算使用平面平行，一维气候模式加上化学模式。然后，我们使用逐线辐射转移模型计算模拟光谱。我们发现，在二次日食期间的发射光谱显示增加的吸收甲烷，水和臭氧的行星轨道安静的M0-M3矮星和活跃的M型恒星AD狮子座相比，太阳型中心恒星。然而，对于绕着非常冷和安静的M矮星（M4到M7）运行的行星，大气层中温度的升高会导致吸收信号的减少，使得在这种情况下分子的检测更加困难。在主食期间的透射光谱显示出强烈的吸收特征的CH 4，N2 O和H2O的行星轨道安静的M0-M7恒星和AD狮子座。一颗地球大小的行星围绕一颗安静的M7恒星运行，其N2 O吸收甚至可以与CO2信号一样强。然而，由于大气中的化学作用，围绕这种冷中心恒星运行的行星的臭氧吸收减少。为了研究未来潜在卫星任务对吸收带光谱检测的影响，我们计算了詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）类孔径望远镜的信噪比（SNR）。
2011-02-15 astro-ph.EP
Mass extinctions and supernova explosions
附近的超新星（SN）爆炸可能对地球上的生命产生负面影响，甚至可能是造成大规模毁灭的原因。大规模灭绝造成地球上许多物种的重大灭绝，正如我们星球的古生物学，古气候和地质记录所记录的那样。根据太阳和超新星之间的距离，必须考虑不同类型的威胁，例如地球上的臭氧消耗，导致暴露于太阳紫外线辐射的增加，或直接暴露于致命的X射线。另一个间接影响是大气层中的宇宙射线引起的云的形成，这导致地球温度下降，造成地球的主要冰川。高强度伽马射线暴（GRB）的发现可能与SNe有关，引发了对地球历史上可能危及生命的事件的进一步讨论。伽玛射线暴撞击地球的概率非常低。然而，不能排除过去地球与GRB和/或SNe的相互作用，甚至可能是过去灭绝事件的原因。
2016-09-09 astro-ph.EP
Impact of Cosmic Rays on Atmospheric Ion Chemistry and Spectral Transmission Features of TRAPPIST-1e
本研究利用INCREASE模型模拟六种情景，考察卡林顿型恒星高能粒子事件对TRAPPIST-1e电离、化学和凌星光谱的影响，指出解释臭氧、甲烷等生物特征时必须考虑高能粒子效应。
2023-11-08 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
The Effect of a Strong Stellar Flare on the Atmospheric Chemistry of an Earth-like Planet Orbiting an M dwarf
主序星M对天体生物学提出了一个有趣的问题：它们在我们银河系中的丰度使它们成为寻找可居住行星的目标，但它们强烈的色球活动产生高能辐射和带电粒子，可能对生命有害。我们研究了1985年4月12日耀斑的影响，从M矮星，AD狮子座（AD狮子座），模拟紫外线辐射和质子对大气化学的影响，一个假设的，类似地球的行星位于其宜居带。根据对太阳质子事件的观测和Neupert效应，我们估计了能量大于10 MeV的粒子的与$5.9\times 10^{8}$质子耀斑有关的质子通量cm $^{-2}$ sr $^{-1}$ s $^{-1}$。然后，我们计算了由耀斑产生的氮氧化合物的丰度，通过缩放这些化合物在一个大型太阳质子事件称为"卡林顿事件"的生产。使用1-D光化学模型耦合到1-D辐射/对流模型进行模拟。我们的研究结果表明，在耀斑期间发出的紫外线辐射并没有产生显着的变化，在臭氧柱深度的行星。当质子的作用包括在内时，对于一个没有磁场的行星，在耀斑爆发两年后臭氧消耗达到了94%的最大值。在耀斑的高峰期，计算出的到达地表的紫外线通量，在对生命有害的波长范围内，超过了地球在不到100秒内接收到的紫外线通量。因此，耀斑可能不会对轨道上的可居住行星表面的生命构成直接危险。由于狮子座AD是已知的磁活动最活跃的M矮星之一，这个结论应该适用于其他色球活动水平较低的M矮星周围的行星。
2010-05-31 astro-ph.EP astro-ph.SR
Carbon cycle instability for high-$\mathrm{CO_2}$ exoplanets: Implications for habitability
本研究利用GCM模拟发现，高CO₂、低辐照系外行星上的水文循环和硅酸盐风化随升温而减弱，可造成碳循环失稳，从而削弱经典宜居带外缘的宜居性。
2024-05-08 astro-ph.EP
Terrestrial Effects Of Nearby Supernovae In The Early Pleistocene
最近的研究结果强烈证实，多个超新星发生在距离约100 pc的地方，包括两个主要事件：一个发生在170万至320万年前，另一个发生在650万至870万年前。据说这些事件是在星际介质中挖掘本地气泡并在地球和月球上沉积60 Fe的原因。其他事件则由局部宇宙射线（CR）谱的影响来指示。鉴于这一更新和完善的图片，我们问这样的超新星是否有望对地球大气和生物群产生重大影响。在最可能的情况下，结合光子和宇宙射线效应，我们发现100 pc的超新星只能对地球生物产生很小的可见光影响，化学变化，如臭氧消耗是微弱的。然而，由于$\geq$ TeV宇宙射线的穿透，对流层电离一直到地面将在数千年内增加近一个数量级，地面和海洋上层的μ子辐射将增加20倍，这将使陆地生物的总辐射负荷增加约三倍。这种辐射与气候可能发生的变化以及癌症和突变率的增加有关。这可能与上新世-更新世边界附近的一次小规模灭绝有关，需要进一步研究其影响。
2016-06-28 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.ao-ph
Stellar control on atmospheric carbon chemistry, CO runaway, and organic synthesis on lifeless Earth-like planets
Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；National Institute for Environmental Studies（国立环境研究所）
研究恒星类型和轨道距离对无生命地球类行星大气碳化学的影响，揭示CO失控和有机合成的关键因素。
2026-01-09 astro-ph.EP
Solar irradiance changes and photobiological effects at Earth's surface following astrophysical ionizing radiation events
天体物理电离辐射事件已被确认为对地球生命的潜在威胁，主要是由于平流层臭氧的消耗和随后地表太阳紫外线辐射的增加。对各种事件（如超新星、伽马射线暴和太阳质子事件）的大气影响的模拟，以及对地球表面生物损害的估计，以前已经发表过。在这项工作中，我们采用TUV辐射转移模型扩展和改进电离辐射事件后的表面水平辐照度和生物影响的计算。我们考虑了晴空条件和固定气溶胶参数值下地表UVB、UVA和光合有效辐射（可见光）的变化。我们还考虑了对从人类到浮游植物的生物体的广泛生物效应。我们发现，过去的工作高估了UVB辐照度，但对DNA损伤辐射暴露增加的相对估计仍然与我们改进的计算相似。我们还发现，生物破坏性辐射的强度随生物体和特定影响的考虑而变化很大;这些结果对天体物理电离辐射事件后的生物圈级损伤有影响。当考虑表面水平可见光辐照度的变化时，我们发现，与先前的假设相反，辐照度的降低仅在非常有限的地理区域中存在很短的时间;相反，我们发现大部分建模的时空区域净增加。这一结果对与电离辐射事件有关的拟议气候变化具有影响。
2015-01-23 astro-ph.EP astro-ph.HE q-bio.PE
Evaluating Habitability and Biosignature Detection on TOI-700 d: The Role of UV Environment and Atmospheric Pressure
研究通过分析紫外辐射和大气压力对TOI-700 d的宜居性及生物特征检测的影响，发现不同紫外条件下大气中烟雾和臭氧的形成对地表保护和信号增强具有不同作用。
2025-10-16 astro-ph.EP
The Response of Planetary Atmospheres to the Impact of Icy Comets I: Tidally-Locked exo-Earths
本研究通过耦合彗星撞击模型与三维地球系统模型，模拟了2.5公里冰彗星撞击潮汐锁定类地系外行星的大气响应，发现水是驱动大气化学和组成长期变化的主要因素，并可能影响行星宜居性。
2025-02-25 astro-ph.EP
Science-Driven Performance Requirements for UV Coronagraph Design: Implications for O$_3$ Detection in Earth-like Atmospheres
Mary W. Jackson NASA Headquarters（NASA 总部）；NASA Goddard Space Flight Center（NASA 戈达德太空飞行中心）；Habitability, Atmospheres, and Biosignatures Laboratory, University of Arizona（亚利桑那大学宜居性、大气与生物标志物实验室）；NASA Nexus for Exoplanet System Science Virtual Planetary Laboratory, SETI Institute（SETI 研究所系外行星系统科学虚拟行星实验室）；Lunar & Planetary Laboratory, University of Arizona（亚利桑那大学月球与行星实验室）；Department of Astronomy & Astrophysics, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学天文学与天体物理学系）；Center for Exoplanets and Habitable Worlds, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学系外行星与宜居世界中心）；Institute for Computational and Data Science, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究院）；Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）
该研究结合建模与模拟，确定了探测元古代类地行星臭氧的日冕仪紫外性能要求，评估了二氧化硫误报风险，支持在宜居世界天文台搭载紫外优化设备以探测生物标志物。
2026-10-15 astro-ph.EP astro-ph.IM
