Observations, Thermochemical Calculations, and Modeling of Exoplanetary Atmospheres
本论文作为一个整体的目的是提供更好地了解热木星行星通过观察,进行热化学计算,并模拟其大气。我们使用了斯皮策多波长二次日食观测和具有高信噪比的目标,因为它们的深日食使我们能够探测光谱特征的特征,并更确定地评估行星大气结构和成分。第一章是一个简短的介绍。第二章介绍了WASP-14 b的斯皮策二次日食分析和大气特征。WASP-14 b是一颗高辐射、热木星。通过在大气分析中应用贝叶斯方法,我们发现与理论预测相反,没有逆温。第三章介绍了WASP-43 b斯皮策卫星的红外观测、数据分析和大气特征。WASP-43 b是轨道最近的热彗星之一,它与一颗热木星一起绕着最冷的恒星之一运行。大气分析排除了在其昼侧大气中存在强烈的逆温现象。第4章介绍了开源热化学平衡丰度(TEA)代码及其对几颗热木星的应用。TEA在迭代拉格朗日优化方案中使用吉布斯自由能最小化方法计算气态物质的丰度。代码是用Python编写的,可通过http://github.com/dzesmin/TEA向社区提供。第5章介绍了我对开源贝叶斯大气辐射转移(BART)代码的贡献,以及它在WASP-43 b上的应用。BART根据观测到的光谱信息来表征行星大气。它建立了一个行星大气模型,进行辐射传输计算以产生行星光谱模型,并使用统计模块将模型与观测结果进行比较。
2016-04-10 astro-ph.EP
Coupled 1D Chemical Kinetic-Transport and 2D Hydrodynamic Modeling Supports a modest 1-1.5x Supersolar Oxygen Abundance in Jupiter's Atmosphere
本研究通过耦合一维化学动力学-输运模型与二维流体动力学模拟,发现木星大气氧丰度为太阳值的1-1.5倍,并提出推导涡扩散系数的方法。
2025-12-03 astro-ph.EP
The CH$_4$ abundance in Jupiter's upper atmosphere
碳氢化合物物种,特别是CH $_4$,在木星的平流层-热层边界中起着关键作用,该边界发生在$μ$ -bar压力水平附近。先前对太阳掩星、He和$α$气辉以及ISO/SWS对3.3 $μ$ m附近辐射的测量的分析都推断出甲烷浓度存在显著差异。在这里,我们的目标是准确地模拟CH $_4$辐射率在3.3 $μ$米ISO/SWS测量通过使用一个全面的非本地热力学平衡模型和最近的碰撞率在实验室测量CH $_4$,以揭示新的光在木星上层大气中的甲烷浓度。这些发射带已被证明在$μ$ -条水平处精确地呈现峰值贡献,因此直接探测感兴趣的区域。我们发现,高CH $_4$浓度是必要的,以解释的数据,与最近的分析相反,和观察有利于CH $_4$碰撞弛豫率的最新实验室测量的下限。我们的研究结果提供了精确的约束木星低层大气的组成和动力学。
2022-03-31 astro-ph.EP
Non-local thermodynamic equilibrium effects determine the upper atmospheric temperature structure of the ultra-hot Jupiter KELT-9b
一些结果表明,超热木星KELT-9 b在主线形成区域的大气温度比自洽模型预测的高几千度。我们测试是否非局部热力学平衡(NLTE)的影响负责推测较高的温度。我们采用多云NLTE辐射转移代码自洽地计算KELT-9 b的高层大气温度-压力(TP)的配置文件,假设太阳金属丰度。多云NLTE TP配置文件是$\approx$ 2000 K热比以前的模型假设当地的热力学平衡(LTE)。特别地,在1-10 $^{-7}$巴范围内,温度从$\approx$ 4000 K增加到$\approx$ 8500 K,在较低压力下保持大致恒定。我们发现,在KELT-9 b的高层大气中的高温主要是由NLTE效应修改的Fe和Mg水平的人口,这强烈影响大气热平衡驱动。我们采用Cloudy计算LTE和NLTE合成透射光谱的基础上,在LTE和NLTE中计算的TP配置文件,分别发现,NLTE模型通常产生更强的吸收线比LTE模型(高达30%),这是最大的紫外线。我们比较了NLTE合成的透射谱与观察到的H $α$和H $β$线轮廓获得一个很好的匹配,从而支持我们的结果。NLTE合成透射光谱可用于指导未来旨在探测行星透射光谱特征的观测。金属,如镁和铁,和NLTE效应形状的KELT-9 b的上层大气温度结构,从而影响质量损失率从it. Finally,我们的研究结果要求检查是否也是这种情况下较冷的行星。
2021-06-21 astro-ph.EP
Detection of the hydrogen Balmer lines in the ultra-hot Jupiter WASP-33b
超热彗星(UHJ)是一种受到高度辐射的巨大系外行星,具有极高的昼侧温度,导致大多数分子物质的热分解。预计中性氢原子是超高温超导体高层大气中的主要物质之一。中性氢已被发现在几个UHJ通过观察其巴耳末线吸收。在这里,我们报告了四个超热木星WASP-33 b的过境观测,与CARMENES和HARPS-North摄谱仪进行,并在行星透射光谱中检测到H $α$,H $β$和H $γ$线。四个转变的组合H $α$透射光谱具有0.99 $\pm$ 0.05%的吸收深度,其对应于1.31 $\pm$ 0.01 Rp的有效半径。强H $α$吸收表明该谱线探测的是高空热层。我们进一步使用PAWN模型拟合了三条巴耳末线,假设大气是流体动力学的,并且处于LTE中。我们得到了热层温度$12200^{+1300}_{-1000}$ K和质量损失率${\rm \dot{M}}=10^{11.8^{+0.6}_{-0.5}}$ g/s。检索的大质量损失率是兼容的“巴耳末驱动”大气逃逸的情况下,在近紫外线的恒星巴耳末连续辐射基本上被激发的氢原子在行星热层吸收。
2020-11-16 astro-ph.EP
Relationship Between Thermal Tides and Radius Excess
靠近太阳系外的气态巨行星--热彗星--显示出在零温度解以上的半径偏离,半径过剩,非常高。超热彗星的半径与热潮汐潮汐力矩有着相对密切的关系,其特征热潮汐能保持在约4 - 5个数量级,这与基本理论预期是一致的。这种关系表明,热潮汐力矩决定了热彗星的整体热力学和自旋状态。在经验的基础上,它表明,热木星膨胀的理论,调用一个恒定的分数的恒星通量沉积在很大的深度,基本上是伪造的。
2013-04-15 astro-ph.EP
Investigation of the upper atmosphere in ultra-hot Jupiter WASP-76 b with high-resolution spectroscopy
碱金属谱线是了解系外行星大气层最重要的关键不透明度来源之一,因为Na I共振双峰被认为是低辐射的原因,因为碱金属的宽线翼几乎吸收了所有的恒星辐射。Na吸收线的高分辨率透射光谱可以用来研究热彗星的热层温度,它是由恒星X射线和极紫外辐射增加。我们应用高分辨率透射光谱仪的超热木星WASP-76 b与高色散光谱仪(HDS)的斯巴鲁8.2米望远镜。我们报告了强Na-D过量吸收的检测,线对比度为0.42 $\pm$ 0.03%(D1,5895.92 Ω)和0.38 $\pm$ 0.04%(D2,5889.95 Ω),FWHM为1.63 $\pm$ 0.13 Ω(D1)和1.87 $\pm$ 0.22 Ω(D2),和(7.29 $\pm$ 1.43)$\times$ 10 $^{-3}$ β(D1)和(7.56 $\pm$ 2.38)$\times$ 10 $^{-3}$ β(D2)的EW。这些结果表明,Na-D吸收谱线比以前的工作更浅更宽,而在同一通带内的吸收信号与以前的工作一致。我们得出的最佳拟合等温温度为3700 K(无旋转)和4200 K(旋转)。这些结果表明存在热层的可能性,因为导出的大气温度高于平衡温度($\sim$ 2160 K)。
2021-12-05 astro-ph.EP
Quenching of Carbon Monoxide and Methane in the Atmospheres of Cool Brown Dwarfs and Hot Jupiters
我们探索CO-CH 4淬火动力学在亚恒星物体的大气中使用更新的时间尺度参数,建议由热化学动力学和扩散模型,从热化学平衡制度在深大气层中的淬火化学制度在更高的海拔过渡。更具体地说,我们研究了T矮星Gliese 229 B上的CO猝灭化学和热木星HD 189733 b上的CH 4猝灭化学。我们描述了一种正确计算化学反应的反向速率系数的方法,讨论了模型所示的CO-CH 4相互转化的主要途径,并证明了当使用更新的反应动力学和混合长度尺度假设时,可以使用一个简单的时间尺度方法来准确地描述淬灭物种的行为。正确处理淬火动力学的分子丰度和/或垂直混合率的亚恒星物体的大气中的估计有重要的意义。我们的模型结果表明,显着更高的Kzz值比以前估计的CO淬火附近的Gliese 229 B的水平,而目前的模型数据比较使用CH 4允许HD 189733 b的Kzz值范围很广。我们还使用更新的反应动力学来修改以前的估计木星水丰度,根据所观察到的丰度和一氧化碳的化学行为。一氧化碳的化学/观测约束,以及伽利略进入探测器的数据,表明木星对流层中的水丰度约为0.51- 2.6倍太阳(太阳值为H2O/H2=9.61E-04),假设来自深层大气的垂直混合是对流层CO的唯一来源。
2011-06-17 astro-ph.EP
Detection of H3+ auroral emission in Jupiter's 5-micron window
2012年12月,我们使用VLT CRIRES仪器的高分辨率地面观测,从木星电离层中识别出16条以前未检测到的H3+发射谱线。这些发射谱线位于木星的5微米窗口(4.5-5.2微米),这是木星光谱中的一个光学薄区域,辐射主要来自对流层深处。H3+发射谱线非常强,即使在明亮的背景下也能看到。我们测量了H3+发射谱线的多普勒展宽,以评估分子的动力学温度,我们得到的值为1390 $\pm$ 160 K。为了计算转动温度,我们还测量了ν2基波中谱线的相对强度,得到了960 $\pm$ 40 K的值。最后,我们利用2ν2(2)-ν2泛音的发射谱线的探测,测量了925 $\pm$ 25 K的振动温度。我们使用这三个独立的温度估计讨论木星的电离层的热力学平衡。
2016-03-11 astro-ph.EP
Effect of transient solar wind pulses on atmospheric heating at Jupiter
在此之前,我们已经提出了第一个研究调查的响应木星热层的瞬态变化,太阳风动态压力,使用一个耦合的,方位对称的全球环流模型耦合一个简单的磁层模型。这项工作(Yates等人,2013年提交)描述了热层流动、动量源和磁层-电离层耦合电流对磁层瞬时压缩和膨胀的响应。本研究描述了热层加热、冷却和极光发射对上述瞬态事件的响应。我们发现,瞬态压缩和膨胀,在时间尺度<= 3小时,造成至少两个因素增加焦耳加热每单位体积。离子曳力显著地改变了热层中性粒子的动能,这取决于磁层是压缩还是膨胀。这些过程导致局部温度变化>= 25 K,热层中耗散的总功率增加约2000 TW。在极光过程中,瞬态压缩增加主要的椭圆形紫外线发射的一个因素~4.5,而瞬态膨胀增加这个主要的排放量由一个更温和的37%。这两种类型的瞬变事件的原因在主椭圆的位置,高达1度纬度的变化。
2013-12-16 astro-ph.EP physics.space-ph
Influence of C/O Ratio on Hot Jupiter Atmospheric Chemistry
我们已经进行了实验室实验,研究热木星大气中的化学成分,C/O比为0.35。我们已经比较了我们的结果与以前获得的大气中的C/O比为1的光化学有机气溶胶的化学和形成的C/O比的影响。我们发现,C/O比和气体混合物的组成强烈影响负责CO2的形成的途径。热化学反应是低C/O比大气中CO2形成的主要原因,而光化学反应是高C/O比大气中的主要过程,即使两种情况下的最终CO2浓度相同。我们的研究结果表明,低C/O气氛中的热化学平衡含有较高的水丰度,而高C/O气氛中的水显着耗尽。然而,在低C/O气氛中,水丰度不受UV光解的影响,而我们以前的工作表明,在高C/O比气氛中可以产生大量的水。水生产的这种对比表明,在解释系外行星过境光谱时,应考虑光化学。最后,我们没有观察到在低C/O大气中形成可检测量的非挥发性光化学气溶胶,与我们以前的研究相反。我们推断,对于C/O比< 1,水可能会抑制有机物的生长和气溶胶的形成,这表明光化学有机气溶胶可能会在行星中观察到,与它们的宿主恒星相比,这些行星呈现出碳富集。
2022-04-14 astro-ph.EP
Wavelength Does Not Equal Pressure: Vertical Contribution Functions and their Implications for Mapping Hot Jupiters
原则上,多波段相位变化使我们能够推断行星的纵向温度分布与其大气层高度的函数关系。例如,3.6微米的发射来自比4.5微米更深的大气层,这是由于在较长波长处的更大的水蒸气吸收。由于热传输效率随着压力的增加而增加,我们预计在3.6微米处的热相位曲线比在4.5微米处表现出更小的振幅和更大的相位偏移;没有观察到这种趋势。在具有3.6微米和4.5微米的全轨道相位曲线的七个热超导体中,所有热超导体在3.6微米处的相位振幅都大于在4.5微米处的相位振幅,而七个热超导体中的四个在3.6微米处表现出更大的相位偏移。我们使用一个三维辐射流体动力学模型来计算HD 189733 b的理论相曲线,假设热化学平衡。该模型表现出温度,压力和波长依赖的不透明度,主要是由碳化学驱动:CO是积极的正面,而CH 4是有利于在较冷的夜侧。因此,红外不透明度在白天和黑夜之间会发生数量级的变化,在特定波长的光球中产生巨大的垂直位移,这将使日食或光谱数据的相位映射复杂化。该模型预测在3.6微米处比在4.5微米处更大的相对相位幅度和更大的相位偏移,与数据一致。我们的模型定性地解释了所观察到的相位曲线,但与目前的热化学动力学模型,预测纬向均匀的大气成分,由于运输的CO从大气的热区域的紧张局势。
2017-11-22 astro-ph.EP
Size and strength of self-excited dynamos in Jupiter-like extrasolar planets
太阳和太阳系外气体巨行星的磁化严重依赖于其对流流体内部的电子和质量输运系数。我们分析了最近的实验室实验结果的金属氢,推导出一个新的导电性的类木行星。我们结合这个修订的导电性与多方为基础的热力学状态方程,研究发电机行动在100个太阳系外的巨行星不同,从同步热木星快速旋转,质量范围从0.3兆焦耳至15兆焦耳。我们发现的传导核心比以前的估计要大,但与朱诺号的结果一致,这表明更大质量行星中的发电机可能位于较浅的位置。我们的研究结果显示,大多数太阳系外的巨人预计拥有偶极表面磁场在0.1-10高斯的范围内。假设无线电发射过程类似于我们的太阳巨星,大多数特征行星应该发射辐射的最大回旋频率在几到30 MHz之间,低于以前的估计。我们的工作为太阳系外磁场的观测可探测性设定了新的界限。
2018-03-08 astro-ph.EP
Understanding the atmospheric properties and chemical composition of the ultra-hot Jupiter HAT-P-7b II. Mapping the effects of gas kinetics
超热蒸发器的大气通常被认为处于热化学平衡。我们的目标是提供不平衡化学地图的化学在HAT-P-7 b的大气中的全球性的理解和评估的重要性,不平衡化学UHJ。我们应用层次建模方法,利用97一维大气剖面从三维GCM的HAT-P-7 b。对于每个一维配置文件,我们评估我们的动力学云形成模型一致的化学平衡中的局部气相组成。然后,我们评估淬火结果从零级近似相比,动力学气相的方法。我们发现,估计淬火点的零级方法与全气体动力学模拟结果吻合得很好。化学不平衡对H、H $_2$ O、CH $_4$、CO $_2$、HCN和所有C $_n$ H $_m$分子的夜侧和早晨丰度影响最大;较重的C $_n$ H $_m$分子受不平衡过程的影响更大。然而,CO丰度仅受到轻微影响。虽然昼侧丰度也发生了显着变化,但HAT-P-7 b的夜间终止者周围的丰度受不平衡过程的影响最小。后一个发现可能部分解释了观测到的UHJ透射光谱与热化学平衡大气的一致性。光化学仅对分子丰度和猝灭水平产生可忽略的影响。一般来说,HAT-P-7 b大气层的淬灭点与较冷的热木星相比压力要低得多。我们提出了几种途径来寻找UHJ的不平衡过程的影响,一般来说,在不同的当地时间的丰度和不透明度测量的基础上。要将其与云的化学效应和原始非太阳丰度的化学效应完全区分开来,仍然是一个挑战。
2020-01-10 astro-ph.EP
Modeling the Dynamics and Thermochemistry for the Outer Atmospheres of the Ultra-hot Jupiter WASP-121b
The Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University(北京大学卡尔·弗里克天体物理研究所);Department of Astronomy, School of Physics, Peking University(北京大学物理学院天文系);Department of Astronomy, The Ohio State University(俄亥俄州立大学天文系);Institute for Astronomy, University of Hawaii(夏威夷大学天体物理研究所)
研究通过三维模拟揭示了WASP-121b外大气层中不同物种分布与喷流结构的关系,展示了恒星辐射对大气热化学和动力学的影响。
2026-08-18 astro-ph.EP astro-ph.SR
Jupiter's Deep Cloud Structure Revealed Using Keck Observations of Spectrally Resolved Line Shapes
技术:我们提出了一种方法来确定木星上2到6巴之间存在显着云不透明度的压力。我们用途:a)在一个区域中的夫琅和费吸收线的强度,以确定反射的阳光与热发射的比率,和b)在4.66微米处的氘代甲烷(CH 3D)的压力加宽的线轮廓,以确定云的位置。我们使用辐射转移模型来约束木星5微米光谱的太阳和热分量的高度区域。结果如下:几乎在木星的所有纬度上,热分量都足够大,即使有上层云存在,也足以限制深云的结构。我们发现,热点,带,高纬度地区有更广泛的线剖面比区。辐射转移模型表明,北赤道带和南赤道带(NEB、SEB)的热点在压力大于2巴时通常没有不透明云。南纬32度的南热带地区(STZ)有一个4到5巴之间的不透明云顶。从热化学模型来看,这一定是水云。我们测量了CH3D的等效宽度随纬度的变化,并与木星的带状结构进行了比较。我们还限制了SEB热点和STZ中的水的垂直剖面。对于P<4.5巴,热点非常干燥,然后遵循伽利略探测器观察到的水分布。STZ在其云顶上方的饱和水剖面在4至5巴之间。
2015-08-19 astro-ph.EP
Spatiotemporal Variations of Temperature in Jupiter's Upper Atmosphere
本研究通过高分辨率H$_3^+$温度图揭示木星高层大气温度从极光区向赤道平滑下降,且存在与磁场异常相关的低温区域,支持极光能量再分配加热机制。
2025-03-24 astro-ph.EP
A Full-Atmosphere Model of Jupiter
本研究构建了覆盖木星全大气的一维光化学-热化学动力学模型,首次纳入大跨度硫化学过程,验证了主要化学特征并做出多项可观测检验的新预测。
2025-09-04 astro-ph.EP
Atmospheric Sulfur Photochemistry on Hot Jupiters
我们开发了一个新的一维光化学动力学代码,以解决平流层的化学和平流层加热在炎热的夏季。在这里,我们解决光学活性含S物种和CO2在1200 <T <2000 K。HS(巯基)和S2是由H2S光化学和热化学生成的高反应性物质,峰值丰度在1 - 10 mbar之间。S2吸收240~340 nm的紫外光,在T> 1200 K时金属度[SH]> 0时光学厚度较大。HS可能比S2更重要,因为在热木星的条件下,它通常比S2更丰富,并且它吸收的波长更红。我们使用分子理论来计算HS吸收光谱从稀疏的可用数据,并发现HS应强烈吸收之间的300和460 nm,在较长波长的吸收温度敏感。当这两种吸收体结合在一起时,辐射加热(每千克气体)的峰值为100微巴,对于一颗在0.032天文单位处绕着太阳双星轨道运行的类木行星来说,平流层总加热量约为8 x 10^4 W/m^2。总加热量对金属丰度不敏感。CO2混合比是金属丰度的一个良好的二次函数,当-0.3 <[M/H]<1.7时,其范围为1.6 x 10 ^-8~1.6 x 10 ^-4。CO2对日照、垂直混合、温度(1200 <T <2000 K)和重力不敏感。光化学计算证实,CO2应该证明是行星金属丰度的有用探针。
2009-06-26 astro-ph.EP
No Thermal Inversion and a Solar Water Abundance for the Hot Jupiter HD209458b from HST WFC3 Emission Spectroscopy
热木星大气层的垂直热结构的性质是过去十年来过境系外行星的特征所提出的关键问题之一。有人声称,许多热木星在红外光球层中表现出温度升高、压力降低的垂直分布,导致分子吸收带反转为发射特征(反转)。然而,这些说法都是基于宽带测光,而不是明确的识别发射功能与光谱,和化学物种,可能会导致热反转吸收恒星辐射在高海拔地区尚未确定,尽管广泛的理论和观测的努力。在这里,我们提出了高精度的HST WFC 3观测的热木星HD 209458 b的昼侧发射光谱;第一个系外行星建议有一个热逆。我们的观察解决了6.2西格玛置信度的吸收水带。当与Spitzer光度法结合时,数据表明在7.7 sigma置信度下,温度随压力在1-0.001 bar范围内单调下降。我们通过探索各种模型假设,包括温度分布参数化,云的存在,和斯皮策数据减少的选择来测试我们的结果的鲁棒性。我们还介绍了一种新的分析方法,“化学检索检索”,以确定元素丰度从光谱检索的混合比与热化学自洽性,并找到合理的丰度与太阳金属丰度(0.06 - 10 x太阳)和碳氧比小于1。这项工作表明,需要高精度的分光光度结果来有力地推断太阳系外行星大气的热结构和成分。
2016-05-27 astro-ph.EP
Exploring the Diversity of Jupiter-Class Planets (Discussion Meeting Contribution)
英国皇家学会讨论会议(2013年)“系外行星特征”。自1995年以来发现的900多颗确认的系外行星中,我们对它们的质量有限制(即,不包括开普勒候选者),75%的质量大于土星(0.3兆焦耳),53%的质量大于木星,67%的质量在1天文单位之内。然而,“热木星”一词未能解释这类天体令人难以置信的多样性,它存在于从我们自己的太阳系的凉爽木星到高度辐射的、潮汐锁定的热烘烤器的巨大行星的连续体上。我们回顾了在各种不同条件下的温度,分子组成和云的性质的彗星类对象的理论预期。我们讨论的分类方案,这些恒星级行星提出的日期,包括我们自己的太阳系巨行星的影响和陷阱与分类在这个早期阶段的系外行星光谱。我们讨论了前人所描述的行星类型的范围,包括:(i)云凝结的热化学平衡预期和有利的化学稳定性场;(ii)这些巨行星的金属丰度和形成机制;(iii)光学吸收体对能量分配和逆温产生的重要性;(iv)次要物种的有利光化学途径和预期(例如,饱和烃类和腈类);(v)由于物质在其淬灭水平以上的垂直混合而导致的分子的意外存在;和(vi)用于在整个大气中重新分配能量和物质的方法(例如,远离近距离巨星的高辐射昼面)。最后,我们将讨论建立一个家庭的大气解决方案,重现可用数据的检索技术的优点和缺陷。
2014-03-18 astro-ph.EP
Evaporation of extrasolar planets
本文综述了太阳系外行星蒸发的观测和理论模拟。“热对流层”的观测及其对高层大气(热层和散逸层)的制约。描述了对第一颗凌日系外行星HD 209458 b的早期观测发现,这颗行星有一个逃逸氢的扩展大气层。随后的观测表明,在非常高的海拔存在氧和碳。这些观测结果对大气中的逃逸速率和机制给出了独特的限制。最新的莱曼α HST观测HD 189733 b和MgII观测Wasp-12 b允许首次比较不同环境中不同行星的蒸发。模型来量化逃逸率从测量的掩星深度,和能量图来描述的蒸发状态的热掩星。利用这张图,可以看出很少有像GJ 876 d或CoRot-7 b这样的已知行星可能是前巨行星的残余。
2012-01-23 astro-ph.EP
Quenching-driven equatorial depletion and limb asymmetries in hot Jupiter atmospheres: WASP-96b example
本文通过 WASP-96b 的三维 GCM 模拟,研究热木星大气中金属丰度增加如何移动淬灭层位置并导致 CH₄、NH₃ 和 HCN 赤道耗竭,进而利用晨昏临边不对称性区分不同化学状态的大气。
2024-02-22 astro-ph.EP physics.ao-ph
Early evolution of clumps formed via gravitational instability in protoplanetary disks; precursors of Hot Jupiters?
虽然引力不稳定性(GI)应该发生在原行星盘演化的早期阶段,但由盘碎片产生的团块的命运及其在行星形成中的作用仍然不清楚。在本研究中,我们调查半解析的演化收缩后的合成人口的团块与不同的初始结构和轨道,再加上周围的磁盘和中央恒星。我们的模型是基于最近发表的国家的最先进的3D崩溃模拟团块与不同的热力学。考虑到各种进化机制,并探讨其影响单独和与其他人相结合:迁移和潮汐破坏,质量吸积,间隙开放和磁盘粘度。研究发现,一般来说,至少有50%的初始团块在潮汐中幸存下来,在盘中演化约10^5年后留下潜在的气体巨星祖先。其余的可能会被破坏或产生超级地球和其他低质量行星,前提是一个固体核心可以在足够短的时间内组装,我们在本文中没有讨论这种可能性。外推到百万年的时间尺度,我们所有幸存的原行星都将导致接近的气体巨星。这一结果可能部分反映了所采用的迁移模型的局限性,并使人想起在没有对迁移率进行微调的情况下,在核心增生模型中发现的类似结果。然而,它表明,由引力不稳定性形成的团块中有很大一部分可能是热彗星的前身。
2013-10-03 astro-ph.EP
Neutral Cr and V in the atmosphere of ultra hot jupiter WASP-121 b
超热木星(UHJ)是平衡温度超过2000 K的巨型系外行星,是研究行星大气金属成分的理想实验室。在这些温度下,富含金属的分子热分解成它们的组成元素,使得这些气氛有利于元素表征。几种元素,主要是离子化金属,最近已被发现在UHJ使用高分辨率过境光谱。即使许多中性过渡金属(例如,Fe,Ti,V,Cr)预计是光学/NUV不透明度的强来源,因此,影响UHJ低层大气中的辐射过程,迄今为止仅检测到Fe I。我们对UHJ WASP-121 b中的原子种类进行了系统的搜索。使用理论模型,我们提出了一个度量来预测原子物种可能在这样的行星上检测到高分辨率的透射光谱。我们在WASP-121 b的观测中寻找预测的物种,并报告了在3.6 $σ$和4.5 $σ$的系外行星中首次检测到中性过渡金属Cr I和V I。我们确认以前检测到的Fe I和Fe II。而Fe II以前在NUV中检测到,我们在光学中检测到它。我们推断,中性元素Fe I,V I和Cr I存在于低层大气中,热化学平衡预测,而Fe II是在高层大气中的光电离的结果。我们的研究强调了UHJ丰富的化学多样性。
2020-06-10 astro-ph.EP
The effect of the atmospheric C/O ratio on interiors of hot Jupiters
Leiden University(莱顿大学);SRON Netherlands Institute for Space Research(荷兰空间研究所);Max Planck Institute for Astronomy(马克斯·普朗克天文学研究所)
本文研究大气C/O比对热木星内部结构的影响,通过耦合一维大气模型与内部结构模型,发现高C/O比显著改变RCB温度与半径,强调需将大气成分与内部耦合考虑。
2026-09-09 astro-ph.EP
A hydrodynamic study of the escape of metal species and excited hydrogen from the atmosphere of the hot Jupiter WASP-121b
本研究扩展一维高层大气流体动力学逃逸模型并耦合Ly$α$蒙特卡罗辐射传输,模拟热木星WASP-121b的金属物种与激发态氢,证明多吸收线分析可更强约束大气性质,且洛希瓣溢出驱动的高质量损失率对解释谱线展宽至关重要。
2023-04-14 astro-ph.EP
Radiative-equilibrium model of Jupiter's atmosphere and application to estimating stratospheric circulations
我们提出了一个计算效率高的1-D季节性辐射模式,对流调整,木星的大气。我们的模型考虑到辐射强迫的主要碳氢化合物(甲烷,乙烷,乙炔),氨,碰撞引起的吸收,四个云和霾层(包括紫外线吸收“极地”平流层霾)和内部热通量。我们详细的敏感性研究的平衡温度分布的几个参数。我们讨论了预期的季节性,垂直和纬向热结构,并将其与卡西尼和地面热红外观测结果进行比较。我们发现,在5-30毫巴的压力范围内的平衡温度是非常敏感的选择平流层霾的光学性质,大小和单体的数量。在纬度45-60°,极地霾可以显著地使平流层下部(10-30毫巴)升温高达20 K。在低于3毫巴的压力下,我们的模拟温度系统地低估了观察到的5 K。这可能表明,其他过程,如波浪破碎或涡旋的动力加热,或与热层环流的耦合,也起着重要的作用。在对流层中,我们只能通过随纬度改变内部热通量来匹配观测到的温度纬向梯度的缺乏。然后,我们利用知识的加热和冷却速率诊断剩余平均环流在木星的平流层,假设涡热通量收敛项是可以忽略不计的。在平流层低层(5-30毫巴),剩余平均环流强烈地依赖于平流层霾的假设属性。我们的主要结论是,这是至关重要的,以提高我们的知识,辐射强迫项,以增加我们的信心,估计环流。推而广之,这也将是至关重要的未来三维GCM研究。
2020-11-12 astro-ph.EP
Pseudo 2D chemical model of hot Jupiter atmospheres: application to HD 209458b and HD 189733b
我们已经开发了一个伪二维模式的行星大气,它考虑到热化学动力学,光化学,垂直混合,和水平运输,后者被模拟为一个统一的纬向风。我们已经将该模型应用于热彗星HD 209458 b和HD 189733 b的大气。采用的涡流扩散系数计算以下的行为被动示踪剂在三维大气环流模型,这导致涡流值显着低于以前的估计。我们发现,由于各种物理和化学过程的相互作用,这两个热彗星大气中分子随高度和经度的分布是复杂的。大部分分子的分布是由强烈的纬向风和有限的垂直运输范围驱动的,导致化学成分随经度的重要均匀化。一般来说,分子丰度水平淬灭到最热昼侧区域的典型值,因此较冷的昼侧区域的成分被较暖昼侧区域的成分高度污染。因此,甲烷的丰度仍然很低,甚至低于先前一维模型的预测,这可能与HD 209458 b向阳面观测推断的高甲烷含量相冲突。丰度的重要纵向均匀性的另一个结果是,化学成分的变化对发射光谱随相位的变化以及从凌日入口到出口的透射光谱的变化几乎没有影响,光谱中的这些变化主要是由于温度的变化而不是行星不同侧面之间的成分变化。
2014-03-11 astro-ph.EP
The Influence of Host Star Spectral Type on Ultra-Hot Jupiter Atmospheres
超热类星体是最高辐射的气体巨行星,平衡温度从2000到4000 K。超热彗星由于其高温、膨胀半径和短周期而易于表征,但它们的大气层对于行星来说是非典型的,因为光球层拥有相对于分子的大浓度原子和离子。在这里,我们评估这些行星的大气层如何响应不同的光谱型的恒星照射。我们发现,超热彗星表现出的温度反演,是敏感的主机恒星的光谱型。由于在短波长和低压下吸收增强,反演的斜率和温度范围都随着宿主星有效温度的增加而增加。与较冷恒星周围的类似行星相比,热恒星周围的超热彗星中陡峭的温度反转导致了更高的热解离和电离。H $^{-}$不透明度的增加导致具有减弱吸收特征的渡越光谱。然而,发射光谱在亮温上表现出很大的对比度,这是一个可以用二次日食观测和高色散光谱学检测到的特征。我们还发现,恒星大气中局部热力学平衡的偏离会影响行星上层大气中原子金属所引起的加热程度。此外,我们还进一步量化了超热木星大气中不同不透明度源加热的重要性。
2019-03-28 astro-ph.EP astro-ph.SR
Lessons from Hubble and Spitzer: 1D Self-Consistent Model Grids for 19 Hot Jupiter Emission Spectra
本研究利用哈勃和斯皮策观测的19颗热木星光谱,通过一维辐射-对流-热化学平衡模型网格与贝叶斯推断分析大气参数,发现金属丰度、碳氧比和昼侧温度均无明显种群趋势,验证了该模型在系外行星大气研究中的价值。
2024-08-12 astro-ph.EP
The imprint of exoplanet formation history on observable present-day spectra of hot Jupiters
行星大气层的组成是由它的形成、演化和现今的日照决定的。因此,行星的光谱可能包含其起源的线索。我们提出了一个“链”的模型,连接到其可观察到的当今光谱的行星的形成。链环节包括(1)行星的形成和迁移,(2)它的长期热力学演化,(3)各种磁盘化学模型,(4)非灰色大气模型,(5)辐射模型,以获得模拟光谱观测与JWST和ARIEL。在我们的标准化学模型中,内盘中的难熔碳是耗尽的,就像太阳系和被太阳系外星子污染的白矮星一样。我们的主要发现是:(1)在形成过程中由微行星撞击产生的包层浓缩决定了热彗星的最终行星大气成分。根据这一发现,我们研究了两种原型形成途径:水冰线内部或外部的形成,分别称为“干”和“湿”行星。(2)“干”和“湿”行星都是富氧的(C/O<1),这是由于固体建筑块的富氧性质。对于标准的碳消耗,“干”行星的C/O比<0.2,而“湿”行星的典型C/O值在0.1和0.5之间,主要取决于笼形物形成效率。只有非标准的磁盘化学没有碳消耗导致富碳的C/O比>1的“干燥”的星球。(3)虽然我们一直发现C/O比<1,但它们仍然有很大的差异。为了将形成历史与特定的C/O联系起来,因此需要更好地理解磁盘化学。
2016-09-10 astro-ph.EP
Non-detection of Helium in the Hot Jupiter WASP-48b
本研究针对热木星WASP-48b开展氦吸收透射光谱探测,未获得显著信号,结合模型与现有样本分析发现氦吸收与恒星活动指数相关性离散,提示存在其他影响参数。
2023-05-04 astro-ph.EP
High Temperature Photochemistry in the Atmosphere of HD189733b
最近对热系外行星的红外光谱分析开始揭示它们的大气成分。在行星大气的深处,其成分是由热化学平衡控制的。光化学在大气层中变得重要,在高于1巴的水平上。这两种化学物质在热的类湍流大气中在约1-10巴之间竞争,这取决于涡流混合的强度和温度。HD 189733 b提供了一个很好的实验室来研究热大气的化学后果。HD 189733 b和HD 209458 b最近的光谱包含CH 4,CO2,CO和H2O的特征。在这里,我们确定的主要化学途径,管理的丰度的CH 4,CO2,CO和H2O的热化学平衡化学,光化学,及其组合的情况下。我们的研究结果表明,这些物种的丰度可以被光化学增强高于或低于热化学平衡值,所以必须采取一些谨慎时,假设大气是在严格的热化学平衡。
2010-04-23 astro-ph.EP
Modelling the effect of 3D temperature and chemistry on the cross-correlation signal of transiting ultra-hot Jupiters: A study of 5 chemical species on WASP-76b
本研究通过3D辐射传输模拟,揭示超热木星WASP-76b上五种化学物种的互相关信号受自转与化学分布共同影响,导致物种依赖的Kp偏移,为大气反演提供解析公式。
2023-09-04 astro-ph.EP
Transmission Spectra of Three-Dimensional Hot Jupiter Model Atmospheres
我们计算模型的行星HD 209458 b,HD 189733 b,和一般的热彗星的透射光谱。我们研究了温度,表面重力和金属丰度的一般行星的影响,作为一般理解透射光谱的指导。我们发现,在4.4和15微米的二氧化碳吸收是突出的高金属丰度,是一个明确的金属丰度指标。对于HD 209458b和HD 189733b,我们计算了一维和三维模型大气的光谱,并研究了它们之间的差异。差异通常很小,但如果大气温度接近重要的化学丰度边界,差异可能很大。三维大气的计算,以及它们与数据的比较,作为对这些动力学模型的约束,补充了二次日食和光变曲线数据集。对于HD 209458b,即使TiO和VO气体在白天丰富,它们的丰度在较冷的行星边缘会大大减少。然而,考虑到预测的边缘温度和TiO丰度,该模型的光学不透明度太高。对于HD 189733b,我们发现与一些红外数据集很好地匹配,并限制了假设的霾层的高度。对于这颗行星来说,领先和落后半球的透射光谱之间可能存在很大的差异,这是碳化学的一个很好的探针。在热化学平衡中,较冷的前半球以甲烷为主,较热的后半球以CO为主,但由于垂直混合,这些差异可能会被非平衡化学消除。JWST有可能限制这颗行星的碳化学及其空间变化。
2009-12-11 astro-ph.EP
Temperature-Pressure Profile of the hot Jupiter HD 189733b from HST Sodium Observations: Detection of Upper Atmospheric Heating
我们目前的热木星HD 189733 b的透射光谱所采取的空间望远镜成像光谱仪搭载HST。光谱覆盖波长范围5808-6380 nm,分辨率R=5000。我们在5 Ang波段(吸收深度0.09 +/- 0.01%)内以9 sigma置信水平检测系外行星大气中NaI双峰的吸收,并使用这些数据测量双峰的光谱吸收曲线。我们只能探测到双峰的窄核。这一特征的狭窄可能是由于不明成分的高海拔薄雾或明显的太阳下NaI丰度将线翼隐藏在H2瑞利特征之下。我们比较了5.5标度高度的光谱吸收剖面与模型光谱吸收剖面,并限制了不同大气区域的温度,使我们能够构建垂直温度剖面。我们确定了两个温度制度,一个1280 +/- 240 K的区域来自NaI双线翼对应的高度低于~ 500公里,和一个2800 +/- 400 K的区域来自NaI双线核心对应的高度从~ 500-4000公里。零高度由白光半径Rp/Rstar=0.15628 +/- 0.00009定义。温度随海拔升高而升高,这可能是热层存在的证据。绝对压强尺度取决于产生瑞利特征的物质及其丰度。我们讨论了一个合理的情况下,这种物种,高海拔硅酸盐烟雾,以及大气的温度-压力曲线的结果。在这种情况下,HD 189733 b的高海拔温度升高发生在10^-5至10^-8 bar的压力下。
2012-02-21 astro-ph.EP
Accurate and thermodynamically consistent hydrogen equation of state for planetary modeling with flow matching
Department of Astrophysics, University of Zürich(天文学系,苏黎世大学)
针对致密氢熵计算无共识的问题,基于ab initio分子动力学模拟,采用flow matching方法验证传统热力学积分,提出准确且热力学一致的氢状态方程构建框架,解决了木星绝热线的长期分歧。
2025-08-09 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Non-ideal MHD simulations of hot Jupiter atmospheres
本研究通过含霍尔漂移与双极扩散的一维非理想MHD模拟,发现热木星大气磁场缠绕远强于内部背景场,浅层欧姆加热效率显著,呼吁环流模型纳入自洽MHD效应。
2025-05-20 astro-ph.EP
Re-analysis of 10 Hot-Jupiter Atmospheres with disequilibrium chemistry retrieval
该研究用 TauREx 3.1 与 FRECKLL 耦合的非平衡化学贝叶斯反演,重新分析十颗热木星的 HST WFC3 凌星和食相数据,揭示其对金属丰度、C/O 比及温度廓线约束的影响。
2025-06-15 astro-ph.EP
Self-consistent 1D modelling of Jupiter's upper atmosphere as an exoplanet analogue
University of Vienna(维也纳大学);International Institute for Applied Systems Analysis(国际应用系统分析研究所)
研究人员扩展Kompot模型模拟巨系外行星富氢大气,以木星为基准验证模型,其再现木星高层大气热结构与CH4丰度,为系外行星大气模拟提供基线。
2026-08-06 astro-ph.EP astro-ph.IM
Into the Storm: Diving into the winds of the ultra hot Jupiter WASP-76 b with HARPS and ESPRESSO
尽管在描述系外行星大气的组成和结构方面取得了迅速的进展,但对大气动力学的研究却没有以同样的速度发展。虽然已经建立了理论模型来描述大气层的低层和不相连的外逸层,但对热层以下的中间层知之甚少。以WASP-76~b为例,我们的目标是提供一个更清晰的超热气体巨星(高辐射气体巨星)的大气动力学图像。我们联合分析了两个数据集,获得了HARPS和ESTERO光谱仪,解释解决行星钠双峰。然后,我们应用了更新版本的MERC代码,增加了行星旋转,也提供了可能性,以模拟风模式的纬度依赖性。我们检索最高的贝叶斯证据等温大气,解释为平均温度$3389\pm227$ K,一个均匀的白天到晚上的侧风$5.5^{+1.4}_{-2.0}\,$公里/秒的低层大气中的垂直风在高层大气中的$22.7^{+4.9}_{-4.1}\,$公里/秒,切换大气风模式在$10^{-3}$巴以上的参考表面压力($10$巴)。我们对WASP-76~b的研究结果与以前对WASP-76~b低层大气动力学和其它超高温彗星的研究结果是一致的。他们强调了在全球环流模型研究所探测的层之上的中间大气中垂直风的必要性,以解释这个星球上钠双线的线加宽。这项工作证明了利用解析的谱线形状在观测上限制系外行星大气中可能的风模式的能力,这是未来更复杂的3D大气模型的宝贵投入。
2021-07-20 astro-ph.EP
Sulfur Chemistry in the Atmospheres of Warm and Hot Jupiters
我们提出并验证了一个新的网络的大气热化学和光化学硫反应。我们使用1-D的化学动力学模型来研究这些反应的一部分,一个更广泛的HCNO化学网络中的一系列热和温暖的制冷剂。我们发现,接近$1400\,\mathrm{K}$的温度有利于生产H2S和HS周围的$\mathrm{10^{-3}\,bar}$,大气水平,通过过境光谱检测可能是可能的,导致混合比约$10^{-6}$。在较低的温度下,低至$1000\,\mathrm{K}$,S2的丰度可高达相同压力下的$10^{-5}$的混合比,代价是H2S和HS被耗尽低至$10^{-6}$的混合比。我们还研究了如何包含硫可以间接地体现在大气中,通过其对非含硫物种丰度的影响。我们发现,在HD 209458 b的大气模型中,硫的夹杂物可以降低高达两个数量级左右的$\mathrm{10^{-3}\,bar}$的NH3,CH 4和HCN的丰度。在温暖的木星51 Eri b的大气中,我们还发现硫的存在使CO2的峰值丰度减少了五倍,这与先前的模型定性一致。我们注意到,网络中使用的许多反应的速率很难确定,特别是在较高的温度下。为了获得硫化学在炎热和温暖的木星大气中的影响的真正准确的想法,必须对这些反应速率进行新的测量。
2021-06-25 astro-ph.EP physics.chem-ph
Dynamically coupled kinetic chemistry in brown dwarf atmospheres -- II. Cloud and chemistry connections in directly imaged sub-Jupiter exoplanets
本研究利用三维Exo-FMS通用环流模型耦合动力学化学、云形成和光谱辐射传输方案,模拟直接成像亚木星系外行星,揭示了云和化学对大气温度结构的复杂反馈,并生成时间相关光谱以研究大气变化性。
2024-02-15 astro-ph.EP astro-ph.SR
A Time-Resolved High-Resolution Spectroscopic Analysis of Ionized Calcium and Dynamical Processes in the Ultra-Hot Jupiter HAT-P-70 b
本研究利用 GHOST 高分辨率光谱仪首次对超热木星 HAT-P-70 b 进行透射光谱分析,探测到 Ca II 三重线并揭示其大气风场与时间演化特征,证明该仪器在系外行星三维大气研究中的能力。
2025-03-05 astro-ph.EP
The Roasting Marshmallows Program with IGRINS on Gemini South I: Composition and Climate of the Ultra Hot Jupiter WASP-18 b
We present high-resolution dayside thermal emission observations of the exoplanet WASP-18b using IGRINS on Gemini South. We remove stellar and telluric signatures using standard algorithms, and we extract the planet signal via cross correlation with model spectra. We detect the atmosphere of WASP-18b at a signal-to-noise ratio (SNR) of 5.9 using a full chemistry model, measure H2O (SNR=3.3), CO (SNR=4.0), and OH (SNR=4.8) individually, and confirm previous claims of a thermal inversion layer. The three species are confidently detected (>4 $σ$ ) with a Bayesian inference framework, which we als…
2022-09-30 astro-ph.EP
A CRIRES-search for H3+ emission from the hot Jupiter atmosphere of HD 209458 b
靠近太阳系外的巨行星预计会通过产生近红外(NIR)的H3+发射来冷却它们的热层,但模拟预测的H3+发射强度与结果强度相差几个数量级。我们希望在甚大望远镜(VLT)上用CRIRES测试H3+发射的可观测性,为近红外光谱中的行星大气线提供足够的光谱分辨率。我们使用HD 209458 b在其过境行星HD 209458 b的二次日食期间和之后获得的光谱,在L`波段搜索行星H3+发射的特征。我们在包含恒星和可能的行星的组合光的光谱中搜索H3+发射特征。与凌日行星的星历表上的信息,我们得出的径向速度在观测和搜索的排放在预期的线位置和搜索行星信号,并使用移位和添加技术结合后秒的所有观测到的光谱。eclipse来计算排放上限。我们在包含HD 209458和行星b的组合光的光谱中没有发现大气H3+发射的特征。我们计算出3953.0 nm处的H ~(3+)谱线的发射极限(Q(1,0))为8.32 E18 W,3985.5 nm处的谱线的发射极限(Q(3,0))为5.34 E18 W。将我们的发射极限与理论预测进行比较表明,我们缺乏1到3个量级的灵敏度来测量目标物体中的H3+发射。我们表明,在更有利的天气条件下,数据质量可以显着提高,接近地球的恒星-行星系统达到5 E16 W。我们估计,将探测极限降低到1 E15 W将有可能与未来的仪器,例如,E-ELT地面观测。
2016-04-04 astro-ph.EP
Metal Oxide Clusters in Gas Giant Exoplanet Atmospheres
Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences(奥地利科学院空间研究所);Institute of Theoretical and Computational Physics, TU Graz(格拉茨工业大学理论与计算物理研究所);Swiss Federal Institute of Intellectual Property (IGE)(瑞士联邦知识产权局);Space Research and Planetary Sciences, Physics Institute, University of Bern(伯尔尼大学物理学院空间研究与行星科学系)
研究利用热化学数据分析了八种金属氧化物团簇在系外行星大气中的热稳定性与吸收光谱,发现团簇稳定性与温度、压力相关,并耦合GCM模型揭示了超热木星、热木星和暖木星中团簇的不同分布特征。
2026-06-16 astro-ph.EP
Ammonia Abundance Derived from Juno MWR and VLA Observations of Jupiter
本研究提出结合热化学平衡模型的痕量气体分布建模框架,利用Juno MWR和升级后VLA的观测数据,约束木星南北纬60°间至100巴深度的氨丰度与分布,为大气损耗过程及堆叠环流胞模型提供观测支持。
2022-09-08 astro-ph.EP
Hot Exoplanet Atmospheres Resolved with Transit Spectroscopy (HEARTS) III. Atmospheric structure of the misaligned ultra-hot Jupiter WASP-121b
超高温超导体为扩展我们关于动力学演化和极端辐照大气特性的理论提供了有趣的前景。在这种情况下,我们提出了新的光学光谱的过境超热木星WASP-121 b的分析。我们首先对WASP-121 b的轨道性质进行了改进,它位于一个近极轨道上,(旋转度$ψ^{\rm North}$ =88.1 $\pm$ 0.25 $^{\circ}$或$ψ^{\rm South}$ =91.11 $\pm$ 0.20 $^{\circ}$)轨道,并排除其快速旋转的高微分旋转(P $<$ 1.13天),高度倾斜($i_\mathrm{\star}^{\rm North}$ =8.1 $\stackrel{+3.0}{_{-2.6}}^{\circ}$或$i_\mathrm{\star}^{\rm South}$ =171.9 $\stackrel{+2.5}{_{-3.4}}^{\circ}$)恒星。然后,我们提出了一种新的方法,利用重新加载的Rossiter-McLaughlin技术分离的行星大气和恒星表面的光谱沿过境弦的贡献。它在WASP-121 b的HARPS过境光谱中的应用揭示了行星大气边缘金属(可能是原子铁)的吸收特征。信号的宽度(14.3 $\pm$ 1.2 km/s)可以通过潮汐锁定行星的旋转来解释。它的蓝移(-5.2 $\pm$ 0.5 km/s)可以追踪从昼侧到夜侧的强风,或者行星热层的各向异…
2020-01-19 astro-ph.EP astro-ph.SR
Convective storms and atmospheric vertical structure in Uranus and Neptune
冰巨人天王星和海王星有氢为基础的大气层,有几种成分在它们寒冷的上层大气中凝结。在这两颗行星上观测到的少量明亮云系是湿对流风暴的良好候选者,但它们的观测性质(大小,时间尺度和活动周期)与气体巨人中的湿对流风暴不同。这些云和风暴可能是由于甲烷冷凝,观测还表明在几巴的深度存在更深的硫化氢云(H $_2$ S)。热化学模型预测,在更深的地方,氢硫化氨(NH $_4$ SH)和水的压力在几十到几百巴之间,形成了延伸的深层天气层。由于氢的分子量小,挥发性物质含量高,它们的凝结产生了一个强烈稳定的分子量垂直梯度,比木星和土星的分子量垂直梯度大。由此产生的对垂直运动的抑制应该会导致一种潮湿的对流状态,这种对流状态与地球或泰坦等氮基大气中发生的对流状态有很大不同。因此,天王星和海王星深层大气的热结构还没有得到很好的理解。类似的过程可能发生在土星的木星深水云上,但冰巨人提供了在甲烷云层上层研究这些物理方面的可能性。将需要结合轨道和原位数据来了解对流及其在冰巨人大气动力学中的作用,并进一步了解包括木星、土星和巨型系外行星在内的氢大气中的作用。
2021-11-30 astro-ph.EP
Dynamic mineral clouds on HD 189733b I. 3D RHD with kinetic, non-equilibrium cloud formation
对系外行星大气的观察揭示了其大气中存在云颗粒。太阳系外行星大气中云形成的3D建模与大气动力学相结合一直是一个挑战。我们研究了热木星系外行星大气中云形成过程的热流体动力学特性。我们模拟HD 189733b的动态大气与三维模型,耦合三维辐射流体动力学与动力学,微物理矿物云形成模块设计的RHD/GCM系外行星大气模拟。我们的模拟包括云平流和沉降的反馈效应,气相元素平流和消耗/补充和云不透明度的辐射效应。我们将云颗粒模拟为矿物材料的混合物,当它们穿过大气热化学环境时,其大小和成分会发生变化。所有的局部云属性,如数密度,粒度和材料成分的时间依赖性计算。气相元素耗尽作为云形成的结果包括在模型中。应用现场\textit{effective medium theory}和Mie理论计算了云组分的不透明度随波长的变化。我们提出了一个3D云结构的化学复杂,热木星HD 189733b的气态大气。在压力小于1巴的情况下,云的平均颗粒大小通常为亚微米(0.01 - 0.5 $μ$ m),较热的赤道地区含有最小的颗粒。较密集的云结构出现在接近终端区域和较深的大气层($\sim$ 1 bar)。硅酸盐材料,如MgSiO $_{3}$ [s]在中高纬度地区很丰富,而TiO $_{2}$ [s]和SiO $_{2}$ [s]主要分布在赤道地区。
2016-07-18 astro-ph.EP
High-fidelity reaction kinetic modeling of hot-Jupiter atmospheres incorporating thermal and UV photochemistry enhanced by metastable CO(a3Pi)
本研究使用自动机理生成器构建纳入 CO(a³Π) 增强紫外光化学的热木星大气高保真反应动力学模型,揭示 Lyman-α 光化学反应对 CH4、H2O 和 CO2 生成的增强作用及高温主导机制。
2023-02-20 astro-ph.EP physics.chem-ph
Tidal heating and stellar irradiation of Hot Jupiters
研究了短轨道周期气态行星中恒星辐射与潮汐加热的相互作用。有意简化的大气模型,我们采用的问题分析易处理,并允许导出有用的缩放关系。我们发现,许多潮汐模型提供热反馈,产生内部辐射区,并导致增强的g-模式耗散与宽频谱的共振。这些共振是由热反馈动态调谐的,因此代表了一种新形式的热机械反馈,将振动模式与行星非常缓慢的热演化耦合。然后,我们表明,恒星辐射允许这些模式产生的热量被困在深度与高效率,导致中央对流区的熵增加,以及膨胀的行星的半径足以匹配观察到的膨胀。我们发现,热驱动的风在这个过程中发挥了重要作用,使大气的热结构的光球的几个尺度高度内的球对称。讨论了膨胀因子、轨道周期与主星的关系,确定了膨胀的时间尺度。我们表明,这些g-模式足以产生膨胀的顺序上的半径的行星超过$\mathrm{Gyr}$时间尺度结合显着的日射,我们提供的潮汐加热和日射的相对大小的解析关系。
2017-04-04 astro-ph.EP astro-ph.SR