Reflation: redox-driven atmospheric inflation as tracer of super-Earth geochemistry
Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen（格罗宁根大学卡普坦天文研究所）；Institute of Astronomy, University of Cambridge（剑桥大学天体物理研究所）
研究超级地球大气演化，发现地幔排气氧化还原敏感性引发再充气事件，通过模拟耦合演化，揭示还原地幔使大气再充气、密度降低，氧化地幔则相反，此差异或可作为内部地球化学和形成条件的示踪剂。
2026-07-16 astro-ph.EP
Ground-based Atmospheric Characterization of Super-Earth L 98-59 d at High Spectral Resolution
Universidad Diego Portales（迭戈帕拉莱斯大学）；Centro de Excelencia en Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA)（天体物理学及相关技术卓越中心）；University of Cambridge（剑桥大学）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；Space Telescope Science Institute（太空望远镜科学研究所）
本文利用地面高分辨率传输光谱技术，研究了温带超级地球L 98-59 d的大气成分，证实了其大气中氢硫化物的存在，并揭示了8米级望远镜光谱仪对这类行星大气特性分析的灵敏度。
2026-03-10 astro-ph.EP
Unified simulations of planetary formation and atmospheric evolution II: Rapid disk clearing by photoevaporation yields low-mass super-Earth atmospheres
超级地球拥有低质量的H $_2$ /He大气（通常小于10%质量）。然而，超级地球大气层的起源尚未确定。我们研究了在超级地球及其大气形成过程中，光蒸发快速清除盘的作用。我们进行统一的模拟超级地球的形成和大气演变的不断发展的磁盘，考虑光蒸发风和磁驱动的磁盘风。对于行星核的生长模式，我们考虑了两种情况下，行星胚胎生长的卵石吸积和没有。我们的主要发现总结如下。(i)大气吸积的时间跨度缩短了快速磁盘耗散由于光蒸发，这阻止了超级地球的核心吸积大量的大气。(ii)即使在没有卵石吸积的情况下，行星核通过胚胎吸积快速增长，失控气体吸积的开始也会延迟，因为胚胎吸积的隔离质量很小。与快速的磁盘清理一起，可以避免大质量大气的吸积。(iii)在快速的磁盘清理之后，一些高偏心率的胚胎可以留在外轨道上。此后，这些胚胎可能会与超级地球相撞，导致吸积大气的有效撞击侵蚀。因此，我们发现具有低质量H $_2$ /He大气的超级地球是由考虑现实磁盘演化的N体模拟自然产生的。
2020-07-27 astro-ph.EP
Impact of atmospheric refraction: How deeply can we probe exo-Earth's atmospheres during primary eclipse observations?
大多数用于预测或拟合系外行星透射光谱的模型并不包括大气折射的所有影响。也就是说，恒星相对于行星的角度大小可以限制在主食期间探测的最低高度或最高密度和压力，因为没有光线通过低于这个临界高度可以到达观察者。我们讨论了这种几何效应的折射所有系外行星，并制表的临界高度，密度和压力的系外行星与地球相同的1巴的N2/O2大气，作为一个函数的入射恒星通量（金星，地球，火星等）在大气层的顶部，和光谱型（O 5-M9）的主机。我们表明，这样一个可居住的系外地球可以探测到1巴的表面压力只有周围最冷的恒星。我们提出了0.4-5.0微米模型传输光谱地球的大气层视为过境系外行星，并显示大气折射如何修改传输光谱取决于主机恒星的光谱型。我们证明，折射是另一种现象，可以潜在地解释平坦的透射光谱在某些光谱区域。
2017-03-22 astro-ph.EP
Earth: Atmospheric Evolution of a Habitable Planet
我们今天的大气层通常被用作潜在的宜居系外行星的模拟，但地球的大气层在其45亿年的历史中发生了巨大的变化。例如，分子氧在今天的大气中很丰富，但在早期地球上却不存在。与此同时，地球大气的物理和化学演变也导致了地面温度的大幅波动，有时导致极端冰川或温暖的温室气候。尽管这段历史充满活力，偶尔也会有戏剧性的变化，但地球一直是可居住的--事实上，人类居住了大约40亿年。了解地球的重大变化及其持久的可居住性是至关重要的，因为它可以指导我们太阳系以外可能存在的可居住行星环境的多样性，并最终识别宇宙其他地方生命的光谱指纹。在这里，我们回顾了地球大气层组成的长期趋势，因为它涉及到行星的可居住性和居住性。我们专注于可能作为可居住性标志（CO2，N2）或生物特征（CH 4，O2）的气体，特别是与大气的氧化还原演化和地球气候系统的耦合演化有关的气体。我们强调，在寻找类地行星的过程中，我们必须注意到，现代大气层所提供的例子只是地球长期演化的一个缩影。在探索我们自己的星球的许多以前的状态，我们强调地球的大气演化在太古代，元古代和中生代，但我们结束了一个简短的讨论潜在的大气轨迹到遥远的未来，从现在起数百万到数十亿年。所有这些“替代地球”的场景都提供了对类似地球的、可居住的和有人居住的世界的潜在多样性的洞察。
2018-03-15 astro-ph.EP
Earth as an Exoplanet. III. Using Empirical Thermal Emission Spectra as an Input for Atmospheric Retrieval of an Earth-twin Exoplanet
该研究将地球视作系外行星，结合经验热光谱与LIFE噪声模拟观测并开展大气反演，评估其识别温态宜居及生命指示信号的能力。
2024-05-13 astro-ph.EP
The atmospheric circulation of the super Earth GJ 1214b: Dependence on composition and metallicity
我们提出了三维大气环流模式的GJ 1214 b，2.7地球半径，6.5地球质量的超级地球的MEarth调查发现。在这里，我们探索行星的循环作为大气金属含量和大气成分的函数，模拟具有低平均分子量（即，H2为主）和高平均分子量（即水和CO2为主）。我们发现，具有低平均分子量的大气层在红外光球层以上的压力下具有强烈的昼夜温度变化，导致赤道超旋转。对于这些大气，随着金属丰度的增加，大气不透明度的增强导致大气加热变浅，昼夜温度变化更大，因此超旋转更强。相比之下，具有高平均分子量的大气比低平均分子量的大气具有更大的昼夜和赤道到极点的温度变化，但是不透明度结构和能量收支的差异导致射流结构的差异。以水为主的大气环流主要由赤道超旋转控制，而以CO2为主的大气环流则主要由高纬度急流控制。通过比较出射通量谱和光变曲线为50倍的太阳和水为主的成分，我们表明，观测排放可以打破简并在确定大气成分的GJ 1214 b。在以水为主的大气中，不透明度随波长的变化导致水带内的相位变化较大，水带外的相位变化较小。然而，50倍的太阳大气在水波段内产生小的变化，在其他特征波长处产生大的相位变化。与凌日观测相比，这些观测对云、凝结物和霾的敏感度要低得多。
2014-03-04 astro-ph.EP
Colors of Life in the Clouds: Biopigments of atmospheric microorganisms as a new signature to detect life on planets like Earth
Carl Sagan Institute, Cornell University（卡尔·萨根研究所，康奈尔大学）；Department of Astronomy, Cornell University（天文学系，康奈尔大学）；Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science（康奈尔天体物理学与行星科学中心）；School of Civil and Environmental Engineering, Cornell University（土木与环境工程学院，康奈尔大学）；Department of Microbiology and Cell Science, University of Florida（微生物与细胞科学系，佛罗里达大学）；Division of Cardiac Surgery, Brigham and Women’s Hospital（心脏外科部，布莱根和妇女医院）；Department of Microbiology, Cornell University（微生物学系，康奈尔大学）
研究通过分析大气微生物的生物色素光谱，提出了一种检测类地球行星上生命的新型生物标志物方法。
2025-11-24 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
Perspectives on atmospheric evolution from noble gas and nitrogen isotopes on Earth, Mars & Venus
大气层的组成整合了整个行星体的地质历史。然而，类地行星大气层的长期演化并没有很好的记录。对于地球来说，直到最近，在遥远的过去，只有很少的直接记录大气的成分，而洞察力主要来自地球化学或物理代理和/或大气模型。在这里，我们审查新的陆地样品，导致关键的地球化学示踪剂，即惰性气体和氮的元素和同位素组成的测定的创新方法。这种方法使人们能够通过地质时期来研究大气的演变，并对过去的大气压力和太古代海洋的盐度设定严格的限制。对于火星，我们回顾了目前的知识状态，从分析火星陨石，并从直接测量的组成，目前的大气层的漫游车和航天器。基于这些测量，我们探索火星和地球大气演变的不同模式。对于金星，我们知之甚少，这证明了对专门任务的迫切需要。
2020-03-25 astro-ph.EP
Effects of planetary mass uncertainties on the interpretation of the reflectance spectra of Earth-like exoplanets
本研究使用贝叶斯反演框架ExoReL$^\Re$探讨行星质量不确定性对类地系外行星反射光大气表征的影响，发现质量不确定性在10%以内可准确反演含云大气参数，否则会导致主要气体误判并影响宜居性评估。
2025-02-03 astro-ph.EP
Atmospheres of Hot Super-Earths
热的超级地球可能拥有通过与地面的蒸汽饱和平衡建立的最小大气层。我们解决了这些稀薄的大气在Corot-7 b，开普勒10 b和55 Cnc-e的表面的流体动力学，包括磁阻力和欧姆耗散的理想化处理。我们发现，在所有情况下，大气压力保持接近当地的饱和值。尽管出现了强烈的超音速风，它携带着升华的质量离开亚恒星点，但大气层并没有超出昼夜界限太多。地面温度决定了行星的热（红外）特征，它在很大程度上不受与大气交换的影响，因此遵循有效的辐射模式。然而，大气温度控制着云的凝结，从而控制着云的性质，它可以大大偏离辐射模式。磁阻力和欧姆耗散也会强烈影响大气行为，这取决于大气成分和行星磁场强度。我们的结论是，热的超级地球可能在反射（可能在发射）中表现出有趣的特征，这将追踪它们的地面，大气和磁性的组合。
2011-11-12 astro-ph.EP
The hottest hot Jupiters may host Atmospheric Dynamos
热彗星已经证明自己是一个丰富的系外行星，在极端条件下测试我们的行星演化和大气动力学理论。在这里，我们提出了三维磁流体动力学模拟和分析结果表明，发电机可以保持在薄，稳定分层的热木星的大气中，独立于假定的深层次发电机。这种发电机是由来自行星主星的强烈不对称加热引起的电导率变化维持的。发电机的存在显著增加了表面磁场强度，并改变了整个行星磁场的几何形状，可能会影响恒星与行星的磁相互作用。
2017-04-13 astro-ph.EP
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
The three regimes of atmospheric evaporation for super-Earths and sub-Neptunes
很大一部分超级地球和次海王星被认为在其生命的早期阶段由于大气蒸发而经历了挥发物的极度损失。虽然极端质量损失背后的机制尚未完全了解，但两个竞争者已被广泛讨论：X射线和紫外线照射的光蒸发和核心动力质量损失。在这里，它表明，这两种机制发生，但具有不同的时间尺度，大气损失可以发生在三个制度。在第一种状态下，行星的内部温度非常高，这是由于其高能形成过程造成的。这些高温产生了一个完全对流的大气层，有效地失去了质量，而没有太多的内部冷却。第二种状态适用于内部温度较低的行星，因此辐射区域形成，但光球层仍然保持在邦迪半径之外。因此，质量损失仍然只取决于内部温度。内部温度最低的行星处于第三种状态，此时光球层在邦迪半径以下形成，主要由于X射线和紫外线照射而失去质量。本文提供了第一个统一的框架，通过行星的寿命来模拟大气蒸发。
2023-01-20 astro-ph.EP
The role of planetary interior in the long-term evolution of atmospheric CO2 on Earth-like exoplanets
内容：长期的碳酸盐-硅酸盐循环在地球气候演化中起着重要作用，因此，也可能是类地系外行星气候演化的重要机制。目的：我们研究了辐射成因地幔加热、地核大小和行星质量对大气$CO_2$分压演化的影响，以及板块构造驱动的长期碳循环控制大气$CO_2$分压的能力。方法：我们开发了一个箱模型，将碳循环与参数化的地幔对流联系起来。碳循环耦合到热演化通过板块速度，这取决于全球瑞利数。结果：我们发现大气$CO_2$压力随时间降低，最高可达10 Gyr以上的数量级。放射性同位素的丰度越高，导致$CO_2$压力越高。我们发现一个减小的瑞利数和板块速度朝向行星与较大的核心质量分数$f_c$，这导致较低的大气$CO_2$压力。由于内部温度较高，质量较大的行星可能有利于形成更多的$CO_2$丰富的大气层。结论：板块构造对地幔冷却的依赖性对大气$CO_2$压力的长期演化有重要影响。碳循环介导的板块构造是有效地调节行星气候的地幔放射性同位素丰度，行星质量和核心大小的广泛范围。在钍或铀地幔丰度高的行星上更有效的碳循环突出了绘制这些元素在潜在宜居系外行星的宿主恒星中的丰度的重要性。核心质量分数（$f_c\gtrsim 0.8$）较大的行星上碳循环效率低下，这强调了对地球大小的系外行星进行精确质量半径测量的重要性。
2021-03-17 astro-ph.EP
A Review of Exoplanetary Biosignatures
我们回顾了该领域的系外行星的生物特征，主要集中在大气气相物种。由于缺乏类地行星大气的数据，一种常见的方法是从太阳系和早期地球的知识推断类地系外行星。因此，我们审查的主要过程（如大气光化学和传输）影响最常见的考虑物种（如O2，O3，N2O，CH4等）。在现代地球、早期地球、太阳系和类地系外行星的背景下。因此，我们认为这些物种在太阳系和更远的已知非生物来源。我们还讨论了与大气生物特征谱相关的可探测性问题，如谱带强度和独特性。最后，我们总结了当前航天局的路线图相关的生物特征科学在系外行星的背景下。
2017-10-11 astro-ph.EP
Probing the Blow-Off Criteria of Hydrogen-Rich "Super-Earths"
发现了具有膨胀半径和已知质量的“超级地球”，如开普勒-11b-f，GJ 1214 b和55 Cnc e，表明这些系外行星并没有通过大气逃逸过程失去其星云捕获的富含氢的脱气或撞击输送的原大气层。由于大气氢原子的流体动力学吹离是最有效的大气逃逸过程，我们应用一种与时间相关的数值算法，该算法能够求解一维流体方程组的质量，动量，和能量守恒，以研究具有以氢为主的高层大气的“超级地球”通过加热恒星XUV而经历流体动力学膨胀的标准（软X射线和极紫外线）辐射和通过吹离的热逃逸。根据轨道位置，XUV通量，加热效率和行星的平均密度，我们的研究结果表明，所有“超级地球”的上层大气都可以扩展到很大的距离，因此除了开普勒-11c之外，所有这些都经历了由于罗氏瓣溢出造成的大气质量损失。与HD 209458 b等“热行星”相比，所研究的“超级地球”的大气质量损失要低一到两个数量级，因此可以预期这些系外行星在其剩余的寿命中不会失去氢包层。
2012-12-20 astro-ph.EP
Modeling pN2 through Geological Time: Implications for Planetary Climates and Atmospheric Biosignatures
氮是地球上所有生命的主要营养素，并且很可能在地外生物圈中发挥类似的作用。地球表面氮的主要储存库是大气中的N2，但最近的研究提出，这个储存库的大小可能在地球历史的过程中波动很大，在新太古代的水平特别低-可能是生物活动的结果。我们使用了一个地球化学箱模型来测试哪些条件是造成大气N2压力大幅波动的必要条件。我们的模型的参数受到现代地球的观测和重建的生物质埋藏和氧化风化在深的时间。一个一维气候模式被用来模拟对大气气候的潜在影响。在第二组测试中，我们扰动了我们的盒子模型，以研究哪些参数对大气pN 2的演变影响最大，并考虑对其他行星上氮循环的可能影响。我们的研究结果表明，（a）在太古代，需要高速率的生物质埋藏，以将大气pN 2降低到不到现代水平的一半，（b）由此产生的对温度的影响可能已经通过增加太阳光度和pCO 2的温和增加得到补偿，以及（c）大气氧化可能通过氧化风化引发了逐步pN 2反弹。一般来说，生命似乎是类地行星上大气pN 2显著波动的必要条件。我们的研究结果进一步支持了这样一种观点，即富含N2和O2的系外行星大气是产氧生物圈的标志。
2016-12-08 astro-ph.EP
The Earth as an extrasolar transiting planet: Earth's atmospheric composition and thickness revealed by Lunar eclipse observations
探测类地太阳系外行星的一个重要目标是确定大气中的气体生物特征。对穿过地球大气层的光的观测，就像对太阳系外行星的观测一样，将是未来比较的第一步。我们已经完成了在月食期间对地球的观测，这是一种类似于过境行星的独特情况。我们的目标是显示在其大气层中可以在光学波长处检测到什么物种，其中在被掩蔽的恒星光中可以获得大量光子。我们目前的观测2008年8月16日月食进行的索菲光谱仪在天文台上普罗旺斯。将摄谱仪光纤定位在月食的半影中，月球的辐照度是直接的、未被吸收的太阳光和穿过地球边缘的太阳光的混合。这种混合物基本上再现了太阳系外行星过境期间的记录。我们在这里报告的几个地球大气化合物的透射光谱，如臭氧，分子氧，中性钠以及分子氮和氧通过瑞利签名的清晰检测。此外，我们提出了一种方法，使我们能够推导出大气的厚度与半影日食观测波长。我们定量评估了大气层变得透明的高度，以获得重要的物种，如分子氧和臭氧，这两种物种被认为与生命的存在密切相关。这里介绍的分子探测是一个令人鼓舞的首次尝试，这是为未来超大型望远镜和过境类地行星做好准备所必需的。像SOPHIE这样的仪器在从地面表征过境类地行星的大气层和寻找生物标记特征时将是强制性的。
2010-06-30 astro-ph.EP
Limitation of atmospheric composition by combustion-explosion in exoplanetary atmospheres
这项工作提出了理论研究，结合燃烧和爆炸理论与系外行星大气科学方面。超级地球可能拥有大量的分子氢，这取决于磁盘，行星和恒星的性质。围绕主序前M矮星运行的超级地球被认为拥有大量的O2，这些O2是通过水的光解和随后的氢逃逸而非生物产生的。如果这两种成分同时存在，那么大量的H2和O2可以通过光化学反应形成多达10个地球海洋。在光化学去除缓慢的情况下，O2确实可以非生物地积累，大气可能达到燃烧爆炸极限。然后，H2和O2非常迅速地反应，与适量的过氧化氢一起形成水。这些过程为超级地球大气中的H2 O2大气成分设置了限制。我们的初步研究的气相氧化途径与地球日照和约十分之一的H2的温和条件下表明，H2被氧化成H2O主要通过HOx和混合HOx NOx催化循环。关于其他大气物种对，我们发现，CO，O2的混合物可以达到爆炸燃烧水平的小型气体行星上的中等范围的C到O的比例在平衡化学制度的p超过约1bar。关于CH 4，O2混合物，少数模拟的岩石行星假设像地球一样的大气层绕着较冷的恒星运行，可能具有爆炸燃烧水平或接近爆炸燃烧水平的成分，尽管需要更多的工作来调查这个问题。
2018-02-08 astro-ph.EP
Atmospheric tides in Earth-like planets
大气潮汐会强烈影响行星的旋转动力学。在类地行星家族中，如金星，这种物理机制与固体潮汐相结合，使得角速度在很长的时间尺度上演化，并决定了它们自旋的平衡构型。与固体内核相反，大气层同时受到来自恒星的潮汐引力势和日射通量的影响。气体的复杂响应与其物理性质有着内在的联系。这种依赖性必须加以表征和量化，以研究太阳系外的各种各样的行星系。我们开发了一个理论上的全球模型，辐射损失，这是占主导地位的缓慢旋转的大气中，考虑到。解析计算了压力场、密度场、温度场和速度场的潮汐扰动，并由此导出了大气勒夫数和恒星潮汐力矩的表达式。大气潮汐的动力学取决于潮汐扰动的频率机制：同步附近的热机制和快速旋转行星的动力机制。对类地和类金星系外行星的潮汐频率的扭矩的依赖性进行了量化，并与全球气候模型（GCM）模拟的结果吻合得很好。引入耗散过程，如辐射，规范化的潮汐响应的大气，否则它是奇异的同步。我们展示了超级地球大气的物理和动力学特性（如科里奥利，分层，背景压力，密度，温度，辐射发射）所发挥的重要作用，并指出了定义潮汐制度的关键参数（如惯性，布伦特-Väisälä，辐射频率，潮汐频率）和表征的行为与耗散的流体壳。
2016-11-15 astro-ph.EP
The rotation of planets hosting atmospheric tides: from Venus to habitable super-earths
固体潮汐和热潮汐引起的力矩之间的竞争驱动了在低质量恒星宜居带中运行的类金星行星和超级地球的旋转动力学。大气和地核的潮汐响应与它们各自的物理性质有关，并强烈依赖于潮汐频率。由此产生的扭矩决定了行星自转的可能平衡态。我们在这里计算一个解析表达式的总潮汐扭矩施加在金星一样的行星。该表达式用于描述物体的平衡旋转。接近星，固体潮汐占优势。与此相反，热潮汐驱动着行星的旋转动力学。过渡区对应于宜居带，在适居带中出现逆和逆平衡态。我们展示了强烈的影响的大气性质和流变学的固体部分的旋转动力学的金星状行星，突出的关键作用所发挥的耗散机制的稳定性的平衡配置。
2016-11-17 astro-ph.EP
Earth as an Exoplanet. II. Earth's Time-variable Thermal Emission and Its Atmospheric Seasonality of Bioindicators
本研究利用Aqua卫星2690个圆盘积分热发射光谱，分析了地球中红外热发射的季节性变化，发现生物指示剂特征受季节和观测几何强烈影响，指出多历元测量对表征行星环境的必要性及中红外观测的优势。
2023-04-03 astro-ph.EP
Detectability of atmospheric features of Earth-like planets in the habitable zone around M dwarfs
利用未来的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）研究了M矮星周围宜居带（HZ）类地行星的大气光谱特征的探测能力。我们使用一个耦合的一维气候化学模型来模拟一系列观测到的和模拟的M-矮星光谱对类地行星的影响。模拟的大气作为输入，使用逐线光谱辐射转移模型计算假想行星的透射光谱。为了研究JWST吸收带的光谱检测能力，我们进一步开发了一个信噪比（S/N）模型，并将其应用于我们的透射光谱。与早期的M矮行星相比，在中晚期M矮行星周围的类地行星大气中CH $_4$和H $_2$ O的高丰度增加了相应光谱特征的可探测性。中晚期M型矮行星的中层大气温度升高，使大气层扩大，进一步增加了吸收带的可探测性。为了探测环绕M型中晚期矮星的类地行星大气中的CH $_4$、H $_2$ O和CO $_2$，在4 pc的距离上，用JWST只观测一次凌日就足够了，在10 pc的距离上，观测不到10次凌日就足够了。由于JWST的饱和极限和不太明显的吸收带，要探测大多数早期M矮星周围的假想类地行星的光谱特征，需要超过10次凌日。我们确定了276个现有的M矮星（包括GJ 1132，TRAPPIST-1，GJ 1214和LHS 1140），在这些矮星周围，假设的类地行星的大气吸收特征可以通过共同添加几个凌日来检测。我们表明，使用透射光谱，JWST可以提供足够的精度，能够部分地覆盖中晚期M矮星周围的类地TESS行星的大气。
2019-05-07 astro-ph.EP
Losing Oceans: The Effects of Composition on the Thermal Component of Impact-driven Atmospheric Loss
太阳系的类地行星的形成以一个巨大的撞击时期结束。以前研究月球形成撞击中撞击冲击造成的挥发性损失的工作发现，大气损失最多为20%至30%，海洋基本上没有损失。然而，巨大的撞击也会导致热加热，这可能会导致大量的大气通过帕克风逃逸。在这里，我们表明，H2O和其他高平均分子量脱气物种可以有效地失去通过这种热风，如果存在于氢为主的大气中，大大改变了最终的挥发性库存的类地行星。具体来说，我们证明了火星大小的胚胎与原地球的巨大撞击可以消除地球几个海洋中的水和其他较重的挥发性物质，以及以氢为主的原始大气。这些结果可能提供了一个解释所观察到的地球的轻惰性气体的预算和其耗尽氙库存，这表明，地球经历了显着的大气层损失的吸积结束。由于行星胚胎的质量足以吸积原始的氢信封，因为巨大的影响是随机的，并与其他早期大气演化过程同时发生，我们的研究结果表明，在类地行星挥发性预算的广泛多样性。
2020-07-03 astro-ph.EP
Atmospheric compositions and observability of nitrogen dominated ultra-short period super-Earths
我们探讨了氮占主导地位的超短周期超级地球大气的化学和可观测性。我们的假设是，超级地球可能有充满氮气的大气层，对55 Cnc e的观测有利于高平均分子量大气层的情况。我们以土卫六的元素预算为出发点，并使用化学动力学计算出一个热超级地球的大范围可能成分。我们使用分析的温度分布和探索的参数空间跨越数量级的C/O \& N/O比，同时始终保持氮的主导成分。我们产生合成的透射和发射光谱，并评估其潜在的可观测性与未来的詹姆斯韦伯太空望远镜和ARIEL。我们的研究结果表明，HCN是一个强有力的指标，高的C/O比，这是类似的发现H为主的大气。我们发现这些世界很可能具有C/O > 1.0，HCN，CN，CO应该是热发射中寻找的主要分子。在较低温度下（T < 1500 K），高N/O比的NH_3和低N/O比的C_2H_4、CH_4是强吸收剂。在这种气氛中氢的耗尽将使CN、CO和NO在0.6 - 5.0 $μ$ m范围内特别突出的分子。我们的模型表明，即将到来的JWST和ARIEL任务将能够以前所未有的信心区分超短周期超级地球的大气成分。
2020-03-12 astro-ph.EP
From Super-Earths to Mini-Neptunes: Implications of a Surface on Atmospheric Circulation
众所周知，半径在地球和海王星之间的行星是迄今为止最常被发现的。为了将这些行星分类为类地行星或气态行星，我们通常会转向质量半径关系和成分曲线，以确定这样的行星是岩石行星还是气态行星的可能性。虽然这些方法已经设定了一个可能的过渡半径约为1.5 R $_{\oplus}$，我们不能期望任何变化之间的陆地和气体成分将是一个尖锐的截止，和组成曲线预测结果模糊的行星名称附近的过渡半径。在这项工作中，我们提出了过渡行星的3D大气环流模型，其中我们研究了表面对可观测量的影响，如纬度变化和日食深度。我们提出了我们更新的GCM，验证地球的循环，然后讨论我们的建模选择这个过渡的星球。最后，我们讨论了这项研究的结果，并探讨了未来通过观测次食来探测地表存在的前景。
2020-03-30 astro-ph.EP
Response of Atmospheric Biomarkers to NOx-induced Photochemistry Generated by Stellar Cosmic Rays for Earth-like Planets in the Habitable Zone of M-Dwarf Stars
了解M矮星是否可能拥有类似地球的大气层和生物圈的可居住行星是系外行星研究的主要目标。如果这样的行星存在，问题仍然是它们是否可以通过生物标志物的光谱特征来识别。这样的行星可能暴露在极强的宇宙射线中，这可能会扰乱它们的大气光化学。在这里，我们认为恒星活动的M-矮星从安静到强烈的耀斑条件下，并调查一个特定的生物标志物的影响，即由恒星宇宙射线引起的次级电子分解大气中的分子氮（N2），这导致氮氧化合物的生产在行星大气，从而影响生物标志物，如臭氧的能力。我们应用一个固定的模型，也就是说，没有时间依赖性，因此，我们正在计算的限制情况下，大气化学反应时间的生物标志物被假定为缓慢，并保持不变的快速强迫相比，撞击恒星耀斑。这一点应在今后关于时间依赖模型的工作中进一步探讨。在燃烧的情况下，O3主要是通过直接用氮氧化合物滴定而不是通过地球上常见的催化循环光化学被破坏的。在低O3的情况下，主要大气气体的瑞利散射对于保护行星表面免受紫外线辐射变得更加重要。这项工作的一个主要结果是，生物标志物O3在所有考虑的恒星活动情景中幸存下来，除了强的情况，而生物标志物一氧化二氮可以在这里考虑的所有恒星活动条件下在行星大气中存活下来，这显然对旨在探测光谱生物标志物的任务具有重要意义。
2015-06-22 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
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
The XUV irradiation and likely atmospheric escape of the super-Earth $π$ Men c
$π$ Men c最近被宣布为TESS任务中确认的第一颗系外行星。这颗行星的半径仅为2 R $_{\rm\oplus}$，它穿过附近一颗肉眼可见亮度的类太阳恒星，使其成为超级地球大气特征的理想目标。在这里，我们分析档案$\textit{ROSAT}$和$\textit{Swift}$观测的$π$人，以确定X射线和极紫外线照射的行星大气和评估是否大气逃逸可能是正在进行的。我们发现$π$ Men与太阳具有相似的X射线发射水平，具有$L_{\rm X}/L_{\rm bol} = (4.84^{+0.92}_{-0.84})\times10^{-7}$。然而，由于其轨道间隔很小，超级地球的高能辐射比地球所遭受的强约2000倍。我们表明，这足以驱动大气逃逸的速率大于从温暖的海王星GJ 436b容易检测到的速率。此外，我们估计$π$ Men在Ly $α$比GJ 436亮四倍。考虑到超级地球的大气层高度很小，加上它们潜在的多云大气，以及随之而来的测量透射光谱的困难，我们得出结论，逃离$π$ Men c的物质的紫外吸收是目前确定超级地球大气成分的最佳机会。
2019-01-07 astro-ph.EP astro-ph.SR
Keeping M-Earths Habitable in the Face of Atmospheric Loss by Sequestering Water in the Mantle
地球地幔和地表之间的水循环以前曾被建模并外推到岩石系外行星，但这些研究忽略了宿主恒星。M型矮星比类太阳恒星更常见，至少有可能拥有温带岩石行星（M型地球）。然而，M矮星在其整个生命周期都很活跃;特别是，在其早期演化过程中的X射线和极紫外线（XUV）辐射会导致轨道行星上的大气层迅速流失。到达M-地球的辐射热通量增加导致更温暖，更潮湿的上层大气，而XUV辐射可以光解水分子并驱动氢和氧逃逸到太空。在这里，我们提出了一个耦合模型的深水循环和水流失到空间的M-地球，以探讨这些行星是否可以保持宜居，尽管他们的挥发性演变。我们使用一个循环参数化占地幔脱气对海底压力的依赖，再气化对地幔温度的依赖，以及水对地幔粘度和热演化的影响。我们假设M矮星的XUV辐射随时间呈指数下降，能量有限的水损失效率为30%。我们探讨了循环和空间损失对行星水库存和水分配的影响。行星表面因损失而变干可以再水化，只要地幔中有足够的水，一旦损失率在以后降低，就可以脱气。对于给定的失水率，关键参数是早期的地幔翻转时间尺度：如果地幔翻转时间尺度比失水时间尺度长，那么地球可能会保留一些水。
2020-06-17 astro-ph.EP
XUV exposed non-hydrostatic hydrogen-rich upper atmospheres of terrestrial planets. Part I: Atmospheric expansion and thermal escape
最近发现的低密度“超级地球”开普勒-11b、开普勒-11f、开普勒-11d、开普勒-11e，以及像GJ 1214 b这样的行星，代表了最有可能被致密的氢/氦包层所包围的行星，或者含有同样被致密的氢包层所包围的深层H2O海洋。虽然这些“超级地球”的轨道相对靠近其宿主恒星，但它们并没有失去捕获的星云富氢或脱气的富挥发性蒸汽原大气层。因此，估算一颗在主序星晚期的宜居带内运行的类地行星的大气氢损失的最大可能量是很有趣的。为了研究热层结构和逃逸，我们应用了一个一维流体动力学高层大气模型，该模型求解了具有地球质量和大小的行星和具有2 R_Earth和10 M_Earth质量的“超级地球”的质量、动量和能量守恒方程。利用恒星软X射线和极紫外辐射以及高层大气的膨胀计算了行星的体积加热率、温度、密度和速度结构以及与之相关的热逃逸率。此外，我们调查在何种条件下，这两个行星进入吹脱逃逸制度，因此可能会遇到的损失率接近的能量有限的逃逸。最后，我们讨论了大气演化的背景下，一般的类地行星的可居住性和影响的结果。
2013-06-18 astro-ph.EP
Unified simulations of planetary formation and atmospheric evolution: Effects of pebble accretion, giant impacts, and stellar irradiations on super-Earth formation
已经发现了大量的超级地球，并且通过透射光谱也观察到了过境超级地球的大气。几条观测证据表明，大多数超级地球并不拥有大量的H $_2$ /He大气。然而，超级地球上质量较小的大气层的吸积和保留对行星形成理论提出了挑战。我们考虑了以下三种机制：（i）由卵石吸积产生的包层加热，（ii）巨大撞击过程中的质量损失，以及（iii）由恒星X射线和EUV光蒸发产生的大气损失。我们研究这些机制是否会影响超级地球周围形成的大气量。我们开发了一个代码相结合的N体模拟卵石驱动的行星形成和大气演化模拟。我们表明，我们的模拟结果很好地再现了观测到的超级地球的轨道特性。然而，（i）加热卵石吸积停止磁盘分散之前，（ii）巨大的影响事件的频率太低，雕塑大规模的大气，和（iii）许多超级地球具有H $_2$ /He大气层的$\gtrsim 10$重量%的生存对恒星辐射为1 Gyr。因此，可能需要其他机制，如抑制气体吸积来解释超级地球的质量较小的大气（$\lesssim 10$ wt%）。
2020-03-12 astro-ph.EP astro-ph.SR
Relative abundances of CO2, CO, and CH4 in atmospheres of Earth-like lifeless planets
本研究通过大气化学模型揭示，类地球无生命行星大气中CO2、CO和CH4的相对丰度存在相空间间隙，该间隙是还原性大气类地行星的普遍特征，对理解生命起源条件具有重要意义。
2023-09-24 astro-ph.EP
Gliese 581g as a scaled-up version of Earth: atmospheric circulation simulations
我们使用三维模拟来研究在M星的宜居带中发现的第一颗地球大小的系外行星上的大气环流。我们将Gliese 581 g视为地球的放大版本，通过考虑系外行星半径和表面重力的增加值，同时保留不受当前观测约束的参数的陆地值。我们研究了长期的，全球温度和风的地图附近的表面的系外行星-气候。格利泽581 g上适合居住的具体位置取决于系外行星是否被潮汐锁定以及全球范围内辐射冷却的速度。无论Gliese 581 g的存在是否得到证实，我们的研究都强调了使用大气环流模型来量化潜在宜居的地球大小的系外行星上的大气环流，这将是未来十年系外行星发现和表征活动的主要目标。
2011-04-05 astro-ph.EP astro-ph.GA
Modelling Non-Condensing Compositional Convection for Applications to Super-Earth and Sub-Neptune Atmospheres
本研究针对超级地球与亚海王星大气场景，通过CM1三维对流解析模拟探究非凝结成分对流规律，开发了可嵌入GCM的干对流调整方案，提升系外行星大气成分对流建模精度。
2023-10-12 astro-ph.EP
False negatives for remote life detection on ocean-bearing planets: Lessons from the early Earth
地球上的海洋-大气化学在其漫长的历史中经历了巨大的演变变化，对大气生物特征的出现和长期稳定性产生了潜在的重大影响。虽然大量的工作集中在完善我们对远程生命探测误报的理解上，但对误报的可能性的关注要少得多，即在行星表面广泛而活跃的神秘生物圈，但最终无法检测到或难以检测到行星大气层的组成。在这里，我们总结了地球化学代用记录和地球系统模型的最新进展，这些模型提供了对地球上最容易检测到的潜在生物特征气体--氧气（O2）、臭氧（O3）和甲烷（CH 4）--的长期演变的深入了解。我们认为，典型的O2-CH 4不平衡的生物签名可能是具有挑战性的远程检测在地球的~ 45亿年的历史，在一般大气中的O2/O3水平一直是一个穷人的代理地球生物圈的存在，但在过去的~ 5亿年。我们进一步认为，探测大气中的CH 4在地球历史的最后25亿年的大部分时间里都是有问题的。更广泛地说，我们强调，生物特征气体的内部海洋再循环往往会使表面生物圈上的海洋承载硅酸盐世界的神秘，这意味着最有利于发展和维护一个普遍的生物圈的行星往往是具有挑战性的，通过传统的大气生物特征。
2017-02-03 astro-ph.EP
Modeling Orbital Decay of Low-Earth Orbit Satellites due to Atmospheric Drag: A Simplified Analytical Approach
本研究针对大气阻力导致的低轨卫星轨道衰减问题，提出纳入大气密度变化和卫星参数的简化解析模型，探究多因素对衰减时间的影响并与NASA模型等对比，明确了大气密度与太阳活动在寿命预测中的重要性。
2025-09-05 astro-ph.EP astro-ph.IM
Laboratory Simulations of Haze Formation in the Atmospheres of super-Earths and mini-Neptunes: Particle Color and Size Distribution
超级地球和迷你海王星是约3500颗已确认的系外行星中最丰富的行星类型，预计将呈现出各种各样的大气成分。最近超级地球和迷你海王星的透射光谱已经证明了系外行星在其大气层的高海拔处有薄雾/云层的可能性。然而，这些粒子在系外行星大气中的组成、尺寸分布和光学性质却知之甚少。在这里，我们介绍了在一系列行星大气条件下光化学雾霾形成的实验室研究结果，以及对产生的雾霾颗粒颜色和尺寸的观察结果。我们发现，大气温度和金属含量强烈影响颗粒的颜色和大小，从而改变颗粒的光学性质（例如，吸收率、散射等）;在更大的范围内，这会影响系外行星的大气和地面温度，以及它们潜在的可居住性。我们的研究结果提供了对烟雾形成和颗粒特性的限制，这些限制可以作为系外行星大气建模的关键输入，并指导未来使用凌日系外行星勘测卫星（TESS），詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）和宽视场红外勘测望远镜（WFIRST）对超级地球和迷你海王星的观测。
2018-03-05 astro-ph.EP
Subduction and atmospheric escape of Earth's seawater constrained by hydrogen isotopes
氢同位素（D/H）比率反映了地球上水在行星过程中分馏的全球循环和演变。我们模拟的水循环海底热液蚀变，化学蚀变的陆壳，板块俯冲，从早期地球的氢逃逸，并在洋中脊，热点和弧脱气考虑。现代海洋、大洋和陆壳以及地幔之间D/H比值的差异被认为反映了通过海底蚀变、化学蚀变和板片脱水进行的同位素分馏。然而，如果板块构造的速度在整个地球历史上几乎是恒定的，那么脱气和再排气的速率就太小了，无法达到今天的D/H比。我们表明，（a）氢逃逸减少早期大气，（b）长期净再充气，或（c）更快的板块构造在早期地球上需要重现现今的D/H比的水库。3.8 Ga时太古代海水的低D/H比以前被解释为（a）氢逃逸的特征，但我们发现它也可以通过（b）长期净再气体或（c）早期地球上更快的板块构造来解释。早期地球的氢逃逸速率和现今地球的长期再气化速率被限制在2.1 × 10^11 kg/yr和3.9 × 10^11 kg/yr以下。因此，现今地幔中的水量可能完全来自地球历史上的再气化。在这种情况下，初始海洋的体积可能比现在的地球大2到3倍。我们认为，除了太古代海水的D/H比，确定整个地球历史的海水和地幔的D/H比将允许区分这些进化的情况。
2018-06-11 astro-ph.EP
The future lifespan of Earth's oxygenated Atmosphere
地球的现代大气是高度含氧的，是其表面生物圈的远程可检测信号。然而，地球大气中基于氧的生物特征的寿命仍然不确定，特别是在遥远的未来。在这里，我们使用一个结合地球化学和气候模型来研究地球上富氧大气条件的可能时间尺度。使用随机方法，我们发现，平均未来寿命的地球大气中的氧气含量超过1%的目前的大气水平是10.8 +-0.14亿年。该模型预测，在地球气候系统中潮湿的温室条件开始之前，以及在大气层中大量流失地表水之前，大气层的脱氧作用很可能会被触发，大气层中的氧气含量急剧下降到令人回想起的地球水平。我们发现，未来的脱氧是一个不可避免的结果，增加太阳通量，而其精确的时间是调制的地幔和海洋-大气-地壳系统之间的还原力的交换通量。我们的研究结果表明，行星碳酸盐-硅酸盐循环将倾向于导致最终CO2限制生物圈和快速大气脱氧，强调需要适用于弱氧和缺氧系外行星大气的强大大气生物特征，并强调大气有机雾霾在行星可居住性的终端阶段的潜在重要性。
2021-03-03 astro-ph.EP physics.ao-ph
Simulated Effects of Radioactive Elements on Magnetic Evolution and Atmospheric Mass Loss of Earth-like Planets
University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本研究利用VPLanet模拟不同放射性元素含量下类地行星的磁与大气演化，发现放射性加热可延长发电机寿命并减少大气损失，对宜居性有辅助作用。
2026-09-24 astro-ph.EP
Atmospheric density uncertainty effects on the orbital lifetime estimation for CubeSats at LEO
低地球轨道上的超小型卫星，特别是立方体卫星，是监测地球周围大气和环境状况的一种低成本选择。例如，天气预报报告的数据可以通过这类小卫星定期获得。因此，对于学术机构、大学等，这一事实使超小型卫星成为一种非常有吸引力的方法，用于以适中的预算进行研究。在这个项目中，我们计算轨道寿命（或简单的寿命）的假设任务，涉及在低地球轨道的纳米卫星，我们的注意力集中在探索沿赤道线的区域。因此，在轨道力学的框架内，我们展示了这类任务在长期和短期内的可行性。预计将在南美洲北部、中非和南亚岛屿/国家应用。为了计算寿命，我们考虑了三种影响：i）重力，ii）地球变形和iii）大气密度。这些影响包括在绕地球的超小型卫星的运动方程中。在平均海平面（AMSL）以上200-800公里的初始高度下求解该方程后，我们计算并报告到达150公里AMSL的飞行时间。这些结果在这里被定义为寿命，并根据实验数据和估计计算不同的大气密度分布。最后，我们发现最低和最高的寿命为假设的任务，涉及小卫星在低地球轨道沿赤道线轨道，并提出上限密度相对不确定性，以估计可靠的寿命。
2017-12-18 astro-ph.EP
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
Atmospheric reconnaissance of the habitable-zone Earth-sized planets orbiting TRAPPIST-1
七颗适宜于大气研究的温带地球大小的系外行星穿过附近的超冷矮星TRAPPIST-1（参考文献1，2）。它们的大气状态是未知的，可能从扩展的原始氢为主的耗尽大气（参考文献3-6）。特别是氢是一种强大的温室气体，可能会阻止内行星的可居住性，同时使外行星的可居住性成为可能（参考文献6-8）。一个主要由氢组成的大气层，如果没有云的话，应该会在凌日期间产生明显的近红外光谱特征。对最内层行星的观测已经排除了这种特征（参考文献9）。然而，最外层的行星更有可能维持着这样一个类似海王星的大气层（参考文献10，11）。在这里，我们报告了在系统的宜居带内或附近的四颗行星的观测结果，行星表面可能存在液态水的星周区域（参考文献12-14）。这些行星在近红外波段也没有表现出明显的光谱特征，这排除了TRAPPIST-1 d、e和f的无云氢主导大气，其显著性分别为8、6和4 sigma。这样的大气层并不排除在行星g之外。由于高海拔的云和霾是不预期在氢占主导地位的大气层中的行星与这样的太阳辐射（参考文献15，16），这些观察进一步支持他们的陆地和潜在的可居住的性质。
2018-02-06 astro-ph.EP
Atmospheric effects of stellar cosmic rays on Earth-like exoplanets orbiting M-dwarfs
M型矮星通常被认为是适合探测岩石行星的恒星。然而，由于可能的高恒星活动，这些行星可能会受到极端条件的影响。这项工作的目标是确定恒星宇宙射线对在M型矮星宜居带中运行的类地行星的关键大气物种的潜在影响，并显示行星光谱的相应变化。我们在Grenfell等人（2012）的宇宙射线模型方案的基础上，通过添加进一步的宇宙射线诱导的产生机制（例如HOx）并引入更宽能量范围（16 MeV - 0.5 TeV）的初级质子，考虑了宇宙射线诱导的NOx产生。此前的研究表明，处于宜居带内、处于强烈耀斑条件下的行星大气甲烷浓度很高，而其臭氧生物特征则被完全破坏。然而，我们目前的研究表明，增加宇宙射线诱导的HOx产生可导致大气甲烷丰度减少高达80%。此外，宇宙射线诱导的HOx分子与NOx反应产生HNO $_3$，其在理论光谱中产生强的HNO $_3$信号，并减少NOx诱导的臭氧催化破坏，使得超过25%的臭氧柱保留。因此，臭氧信号在理论光谱中仍然可见（尽管强度较弱），当纳入新的宇宙射线诱导的NOx和HOx方案时，即使是不断燃烧的M星情况下。我们还发现，HNO $_3$水平可能足够高，可能是可检测的。臭氧浓度是防止有害紫外线辐射的主要屏障，但宇宙射线通过NOx引起的臭氧催化破坏作用影响臭氧浓度，因此还研究了恒星宇宙射线对地表紫外线通量的影响。
2015-11-16 astro-ph.EP
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。
2025-04-24 astro-ph.EP
Detectability of Atmospheric Biosignatures in Earth Analogs with Varying Surface Boundary Conditions: Prospects for Characterization in the UV, Visible, Near-Infrared, and Mid-Infrared Regions
National Institute of Science Education and Research（国家科学教育与研究机构）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）
本研究探讨了在不同地表边界条件下，利用HWO和LIFE任务概念在紫外、可见光、近红外和中红外波段检测地球类行星大气生物信号的可行性。
2025-12-11 astro-ph.EP
Sensitivity on Earth Core and Mantle densities using Atmospheric Neutrinos
中微子射线照相术可能为研究地球的深层结构提供另一种工具。虽然这些测量不能分辨精细的密度层特征，但是可以获得的信息是独立的，并且是对更常规的地震研究的补充。本文的目的是评估如何以及核和地幔的平均密度可以通过大气中微子照相重建。我们发现，在水下千米^3中微子望远镜10年的数据采集中，地幔的灵敏度约为2%，地核的灵敏度约为5%。这个结果没有考虑到与实验装置细节相关的系统学。
2009-06-12 astro-ph.EP hep-ph
Role of planetary obliquity in regulating atmospheric escape: G-dwarf vs. M-dwarf Earth-like exoplanets
我们提出了一个三种（H $^+$，O $^+$和E $^-$）多流体磁流体动力学（MHD）模型，赋予了必要的上层大气化学，能够准确地量化的氧离子损失的大小从“类地”系外行星在宜居带，其磁和旋转轴大致彼此重合。我们应用这个模型来研究从磁场的角度来调节大气损失的行星的引力的作用。对于类地系外行星绕太阳型恒星，我们表明，总的大气离子损失率对行星（磁）的依赖性是相对较弱的逃逸率之间变化的$2.19 \times 10^{26}$的$^{-1}$到$2.37 \times 10^{26}$的$^{-1}$。相比之下，在类地系外行星围绕晚型M-矮星运行的情况下，行星度可以影响大气逃逸率（$\sim$ $10^{28}$ s $^{-1}$）超过$2$（或$200\%$）的一个因子。因此，我们的模拟结果表明，行星的引力可能会发挥一个弱到中等的作用，只要保留的大气层（必要的表面可居住性）的关注。
2019-07-31 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.space-ph
Formation of Planetary Populations III: Core Composition & Atmospheric Evaporation
系外行星质量半径图显示，超级地球在给定质量下显示出广泛的半径，因此平均密度。使用行星人口合成模型，我们探索了形成这种分布的关键物理因素：行星的固体核心成分和大气结构。对于前者，我们使用平衡盘化学模型来跟踪整个形成过程中行星核心上的吸积矿物。对于后者，我们跟踪气体吸积在形成过程中，并考虑光蒸发驱动的大气质量损失，以确定什么部分的吸积气体逃逸后的磁盘阶段。我们发现，海王星和亚土星在小轨道半径（$\lesssim$ 0.1 AU）的大气剥离在短周期超级地球的形成中起着关键作用。岩心成分受其形成的圈闭的强烈影响。我们还发现，在小轨道半径$\lesssim$ 0.5 AU的类地行星组成和在大轨道$\sim$ 1 AU的富冰行星（质量高达50%）之间存在分离。这与从小轨道周期的低质量行星半径谷的观测位置推断出的类地平均密度很好地对应。我们的模型产生的行星半径与质量为$\sim$ 1- 3 M $_\oplus$的观测结果相当。在更大的质量，行星的吸积气体显着增加其半径大于大多数观测数据。虽然光蒸发影响小轨道半径$\lesssim$ 0.1 AU的行星，减少了这些行星半径的子集，并改善了我们的比较，但我们计算的种群中的大多数行星不受影响，因为它们在较大的分离处形成时FUV通量较低。
2020-07-13 astro-ph.EP
The Response of Planetary Atmospheres to the Impact of Icy Comets III: Impact Driven Atmospheric Escape
School of Physics and Astronomy, University of Leeds（利兹大学物理与天文学学院）；Institute for Astronomy, University of Cambridge（剑桥大学天文研究所）
研究探讨了潮汐锁定行星和类地球大气在彗星撞击下的大气逃逸机制，发现撞击位置影响逃逸率，环流输送对氢气逃逸至关重要。
2026-03-10 astro-ph.EP
