Addressing Exoplanetary Degeneracies Through Geometry: Application to Asynchronously Rotating Systems
Macquarie University（麦考瑞大学）
本研究升级InstellCa代码为InstellCa-2.0，以55 Cancri e为案例，证实旋转与主恒星距离影响岩质系外行星亮温度，其几何模型结果与JWST观测值吻合，协调了此前相关研究。
2026-10-30 astro-ph.EP astro-ph.IM
Tidal Locking of Habitable Exoplanets
潜在的可居住行星可以足够接近它们的主恒星，以至于它们直径上的重力差可以将旋转速率固定在特定的频率，这一过程称为潮汐锁定。在圆形轨道上的潮汐锁定行星将同步旋转，但那些在偏心轨道上的行星将要么自动要么超同步旋转。我在两个常用的模型下计算了可居住行星的演化，并发现，例如，一个模型预测，如果地球的初始自转周期为3天，它没有卫星，并且它始终保持现代地球的潮汐特性，那么地球的自转速率将在4.5 Gyr之后同步。较低质量的恒星宿主会对潜在的适居行星产生较强的潮汐效应，GKM矮星的宜居带中的大多数行星都有可能发生潮汐锁定。对于快速旋转的行星，两个模型都预测偏心率增长，并且只有当旋转频率与轨道频率相似时才会发生圆化。极晚期M矮星（小于0.15太阳质量）的潜在可居住行星的轨道很可能在1 Gyr内圆化，因此这些行星将是同步旋转的。比邻星b几乎肯定是潮汐锁定的，但它的轨道可能还没有圆化，所以这颗行星今天可能是超同步旋转的。孤立的和潜在的可居住的开普勒行星候选者的演化计算和大约一半可能被潮汐锁定。最后，在广泛的假设范围内模拟了预测的TESS行星，并且发现绝大多数情况下的潮汐锁定在1 Gyr内。这些结果表明，潮汐锁定过程是在不久的将来发现的大多数潜在宜居系外行星演化的主要因素。[删节]
2017-08-09 astro-ph.EP
Grid of Pseudo-2D Chemistry Models for Tidally-Locked Exoplanets. I. The Role of Vertical and Horizontal Mixing
同步旋转的系外行星的大气层本质上是三维的，快速的垂直和水平风预计会混合大气层，使化学成分失去平衡。由于与多维正演模型相关的计算时间较长，仅对少数案例研究进行了水平混合研究。在本文中，我们的目的是概括的水平和垂直混合的化学系外行星大气的影响在一个大的参数空间。我们通过应用一系列后处理的前向模型来实现这一点，这些模型用于同步旋转的气态系外行星的大网格，在那里我们改变有效温度（在400 K和2600 K之间），表面重力和旋转速率。我们发现，有一个二分法的水平均匀性的化学丰度。有效温度低于1400 K的行星倾向于具有水平均匀，垂直淬火的化学成分，而温度高于1400 K的行星则表现出甲烷等分子的大成分昼夜差异。此外，我们发现行星的自转速率影响行星气候，因此也影响分子丰度和透射光谱。通过采用分层建模的方法，我们评估的相对重要性的不平衡化学系外行星传输光谱，并得出结论，温度有最深远的影响。温度差异也是肢体不对称的主要原因，我们估计可以用詹姆斯韦伯太空望远镜观察到。这项工作突出了在探索性理论研究中将一致的建模设置应用于广泛的参数空间的价值。
2022-08-09 astro-ph.EP
An Energy Balance Model for Rapidly and Synchronously Rotating Terrestrial Planets
本文介绍了可居住能量平衡模式（HEXTOR），它是一个计算地球和其他快速旋转行星纬度温度分布的模式。HEXTOR包括一个用于计算出射红外辐射通量和行星辐射通量的查找表方法，该方法在能量平衡模型中参数化辐射转移方面比其他方法有所改进。验证的情况下，目前的地球和其他地球大小的行星与aquaplanet和陆地行星的条件从0到45度平行度。潮汐锁定坐标系也实现了能量平衡模型，这使得在低质量恒星同步旋转的行星的水平温度分布的计算。该坐标转换模型适用于TRAPPIST-1 e的情况下定义的TRAPPIST可居住的大气相互比较协议，这表明更好的协议与大气环流模型相比，纬度能量平衡模型。将大气环流模型作为调整基准，以及在具有不同物理参数化的能量平衡模型之间进行相互比较，可以在将能量平衡模型应用于系外行星方面取得进展。
2022-01-07 astro-ph.EP physics.ao-ph
Habitability of polar regions in tidally locked extrasolar planet near the M-Dwarf stars
自从十多年前开普勒和哈勃发射以来，我们在寻找潜在的宜居系外行星方面已经取得了很大进展。到目前为止，我们已经发现了4000多颗系外行星，其中大部分不适合维持生命。在所有可能维持生命的行星中，有大量行星被发现围绕其母星同步旋转，其中大部分是红矮星。由于它们的同步旋转，这些行星受到非常不均匀的恒星加热。这些行星的同步旋转导致行星的一面永远面对母星，而另一面保持黑暗。这导致极端的气候条件，无法维持生命。虽然这些关于系外行星的理论是众所周知的，但使用不同的气候模型对系外行星内极地区域的可居住性进行系统的研究还没有完成。在这里，我回顾了目前的文献潮汐锁定及其对可居住性的影响，并介绍了这些系外行星的极点的可居住性的概念。我着重于我对地球极地气候条件的理解，并在此基础上，我提出了这些系外行星极地的可居住性概念。
2020-03-26 astro-ph.EP
Exoplanets Torqued by the Combined Tides of a Moon and Parent Star
近年来，人们对低质量恒星（$\sim0.1-0.6\,M_\odot$）宜居带中的类地系外行星产生了兴趣。此外，有人认为，一个大的卫星可能对稳定行星上的生命条件很重要。如果这两个特征结合起来，那么系外行星可以感受到来自其卫星和母星的类似潮汐影响，从而产生潜在的有趣动力学。月球的轨道演化取决于系外行星的初始自转周期$P_0$。当$P_0$很小时，系外行星的角动量转移到月球的轨道上会导致月球向外迁移，足以被恒星剥离。当$P_0$较大时，月球迁移较少，恒星的潮汐扭矩使系外行星旋转。潮汐的相互作用导致月球向内迁移，直到它可能被系外行星潮汐破坏并可能产生环。虽然人们可能会认为这些发现排除了低质量恒星系外行星的卫星存在，但事实上，月球的丢失或破坏有很大的时间范围;根据系统参数，它可能需要$\sim10^6-10^{10}\,{\rm yrs}$。当月球仍然存在时，潮汐力矩的结合迫使系外行星相对于它的月球和母星异步旋转，这会给系外行星带来潮汐加热。这可以产生与目前通过地球的热通量相当的热通量，认为组合潮汐可能是驱动系外行星构造活动的一种方法。
2018-06-29 astro-ph.EP
A New 2D Energy Balance Model For Simulating the Climates of Rapidly- and Slowly-Rotating Terrestrial Planets
本文设计了首个能模拟快速与同步自转类地行星大气的二维能量平衡模型PlaHab，通过在地球、火星及系外行星上的应用与对比，证明其兼具易用性与复杂性，是行星气候建模的理想工具。
2023-10-24 astro-ph.EP
Increased Surface Temperatures of Habitable White Dwarf Worlds Relative to Main-Sequence Exoplanets
针对白矮星宜居带岩石行星探测的可能性，通过模拟围绕5000K白矮星与同温主序K矮星开普勒-62的水行星，发现白矮星行星因10小时超快自转致表面温度高25K，为生命提供更适宜环境。
2024-12-03 astro-ph.EP astro-ph.SR
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
Equatorial superrotation on tidally locked exoplanets
对系外行星观测的日益丰富激发了对这些行星的各种三维大气环流模型的研究。在强辐射条件下，潮汐锁定的短周期行星模型（包括热行星和类地行星）往往会表现出一种由赤道快速向东或“超旋转”的喷流主导的环流。在适当的条件下，这种现象可以导致最热的区域从亚恒星点向东移动数十度经度。在HD 189733 b上观察到了这样的偏移，支持了短周期系外行星上赤道喷流的可能性。尽管它的相关性，但是，在这样的模型中产生赤道超旋转的动力学机制还没有被确定。在这里，我们表明，赤道急流的结果从站在，行星尺度的Rossby和开尔文波引起的昼夜热力强迫的平均流的相互作用。罗斯贝波发展出相位倾斜，将高纬度地区的动量向东输送到赤道，从而引发赤道超旋。我们提出了一个分析理论，证明了这种机制，并探讨其属性的层次结构的一层（浅水）计算和全三维模型。波-平均流相互作用产生赤道急流，其纬向宽度与Rossby波相当，即赤道Rossby变形半径由辐射和摩擦效应修改。对于同步旋转的热木星来说，这个长度相当于行星的半径，解释了大多数热木星模型中赤道喷流的广泛规模。我们的理论阐明了赤道喷流速度对强迫振幅、摩擦强度和其他参数的依赖性，以及喷流形成的条件。
2011-07-06 astro-ph.EP
Identifying Atmospheres on Rocky Exoplanets Through Inferred High Albedo
即将发射的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）意味着我们很快就有能力描述岩石系外行星的大气层。然而，目前还不清楚这些靠近M矮星的行星是否能够保留它们的大气层，或者来自恒星的高能辐射是否会从这些物体上剥离气体包层。我们提出了一种新的方法来检测大气的同步旋转的岩石系外行星周围的K/M矮星，通过使用热发射在二次日食推断高的昼侧日冕，只能用明亮的云来解释。基于对合理表面条件的计算，我们得出结论，对于亚恒星温度为$T_{sub}=$ 410-1250 K的行星，高的热膨胀系数可以明确地解释为大气层的信号。该范围对应于$T_{eq}=$ 300-880 K的平衡温度。我们比较了八种可能的行星表面成分的推断的云计算。我们确定，光学厚度大于$τ=0.5$ - $7$的云层，将具有足够高的反射率，可以与裸露的岩石表面区分开来。这种探测岩石行星大气层的方法是对现有探测大气层方法的补充，因为它提供了一种探测压力低于1巴的大气层的方法（例如火星），这种大气层过于稀薄，无法传输大量热量，但足够厚，可以容纳高密度云。
2019-11-22 astro-ph.EP
ExoPlaSim: Extending the Planet Simulator for Exoplanets
在其恒星的宜居带中发现了大量类地系外行星，其中许多行星与地球有着质的不同，这导致人们越来越需要快速灵活的3D气候模型，这些模型可以对此类行星进行建模，并探索多种可能的气候状态和表面条件。我们通过创建ExoPlaSim来响应这一需求，这是行星模拟器（PlaSim）的修改版本，旨在适用于同步旋转的类地行星，绕非太阳光谱恒星运行的行星，以及具有非地球表面压力的行星。在本文中，我们描述了我们的修改，目前ExoPlaSim的性能对其他GCM的验证测试，并通过执行两个简单的实验，涉及数百个模型，证明其效用。我们发现，ExoPlaSim同意定性与更复杂的GCM，如ExoCAM，LMDG和ROCKE-3D，落在多个措施的集合分布。该模型的速度足够快，可以使用数百到数千个模型进行大型参数调查，从而有可能有效地使用三维气候模型来检索未来的系外行星观测。我们描述了我们的努力，使ExoPlaSim访问非建模，包括观察员，非计算理论家，学生和教育工作者通过一个新的Python API和简化安装通过pip，以及在线文档。
2022-01-18 astro-ph.EP astro-ph.IM
The atmospheric circulation and climate of terrestrial planets orbiting Sun-like and M-dwarf stars over a broad range of planetary parameters
最近发现的温带类地行星绕附近的恒星和承诺的特点，其大气激发了需要了解的多样性可能的行星参数如何影响气候的类地行星。在这项工作中，我们调查的大气环流和气候的类太阳和M-矮星的类地系外行星的轨道上广泛的可能的行星参数，包括行星自转周期，表面压力，入射恒星通量，表面重力，行星半径和云粒子大小。我们这样做使用的大气环流模式（GCM），其中包括非灰色辐射转移和云的影响。从这套模拟的结果一般表现出定性相似的依赖关系的环流和气候的行星参数作为理想化的GCM，与定量的差异，由于包括额外的模型物理。值得注意的是，我们发现有效云粒子大小是一个关键的未知参数，可以极大地影响类地系外行星的气候。我们证实了低和高白昼侧云覆盖率的同步旋转的类地行星旋转周期增加之间的过渡。我们确定，这种云的过渡是由于涡驱动的收敛附近的亚恒星点，不应该是参数化依赖。最后，我们计算全相位光变曲线从我们的模拟行星绕M-矮星，发现改变入射恒星通量和旋转周期影响可观察到的属性的类地系外行星。我们的GCM结果可以指导对未来太空望远镜观测到的广泛可能的类地系外行星的行星气候的预期。
2019-02-08 astro-ph.EP
Habitability and Spectroscopic Observability of Warm M-dwarf Exoplanets Evaluated with a 3D Chemistry-Climate Model
居住在星周宜居带（CHZ）的行星为我们提供了最好的机会来测试生命潜在的普遍性和复杂性的假设。限制可居住性及其观测判别式的精确边界对于最大限度地利用未来仪器进行远程生命探测至关重要。传统上，宜居带（IHZ）的内边缘的计算已经使用一维辐射对流和三维大气环流模式进行。然而，这些模式缺乏互动的三维化学和不解决中层和低热层（MLT）地区的高层大气。在这里，我们采用了一个3D高顶化学气候模型（CCM）来模拟同步旋转的行星的大气层，这些行星在K-和M-矮星的宜居带的内边缘（在$T_{\rm eff} =$ 2600 K和4000 K之间）运行。虽然我们的IHZ气候预测与GCM研究吻合良好，但我们在模拟臭氧和HO $_{\rm x}$光化学中发现了值得注意的偏离。例如，即使平流层水蒸气的混合比很高（$< 10^{-3}$ mol $^{-1}$），不活跃恒星周围的气候通常也不会进入经典的潮湿温室状态，这表明不活跃M星周围的行星在地质学上重要的时间尺度上可能只经历轻微的水分流失。此外，我们发现在可能适合居住的潮湿温室大气中，臭氧层要薄得多，因为臭氧通过与氢氧化物自由基的反应而迅速被破坏。使用我们的CCM结果作为输入，我们的模拟透射光谱表明，水蒸气和臭氧功能的潮湿温室大气中可以检测到的仪器NIRSpec和MIRI LRS板载詹姆斯韦伯太空望远镜。
2019-12-24 astro-ph.EP
Climate instability on tidally locked exoplanets
在昼夜地面温度对比强烈的行星上，可能会出现使同步旋转的岩石行星气候不稳定的反馈。类地可居住带（HZ）行星在地质时期保持稳定的表面液态水。这就需要在气候变化导致的温室气体消耗与其他过程的温室气体再供应之间取得平衡。探测到的小半径系外行星和预期的M-矮HZ岩石行星，预计将被潮汐锁定。我们调查了两个反馈，可以不稳定的潮汐锁定行星的气候。(1)如果压力的微小变化改变了行星表面的温度分布，使得当压力降低时风化率增加，则会发生正反馈，包括增加亚恒星点附近的风化率，降低压力，并增加亚恒星地面温度。(2)当压力的降低增加了熔点以上的表面积时（通过减少亚恒星点的平流冷却），液体体积的相应增加导致大气的净溶解，压力进一步降低。我们使用一个理想化的能量平衡模型来绘制这些不稳定性可能发生的条件。风化失控可使宜居带缩小，并在HZ内引起地质上快速的10^3倍的压力变化。火星可能在过去经历过风化失控。星下溶解通常是压力变化的负反馈或弱正反馈。如果大气具有高的辐射效率，则这两种不稳定性都被抑制。我们的研究结果是最相关的大气是薄，温室气体辐射效率低。这些结果确定了HZ行星可以经历快速气候变化并变得不适合居住的新途径。
2011-09-13 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
The Third Option: Color Phase Curves to Characterize the Atmospheres of Temperate Rocky Exoplanets
University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；SETI Institute（搜寻地外文明研究所）；Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）；NASA Goddard Space Flight Center（美国宇航局戈达德太空飞行中心）；Leibniz Institute for Astrophysics（莱布尼茨天体物理研究所）；Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）；JHU Applied Physics Laboratory（约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室）；Department of Astronomy and Astrobiology Program, University of Washington（华盛顿大学天文系与天体生物学项目）；Leiden Observatory, Leiden University（莱顿大学莱顿天文台）
通过色相曲线方法检测温带类地系外行星大气层，利用热辐射比值区分行星和恒星信号。
2026-09-07 astro-ph.EP astro-ph.SR
