Экзометеорология
Экзометеорология — это изучение атмосферных условий экзопланет и других незвездных небесных тел за пределами Солнечной системы , таких как коричневые карлики . [1] [2] Разнообразие возможных размеров, составов и температур экзопланет (и коричневых карликов) приводит к аналогичному разнообразию теоретических атмосферных условий. Однако обнаружения экзопланет появилась лишь недавно. технология [ когда? ] достаточно развита, чтобы позволить прямое наблюдение атмосфер экзопланет, поэтому в настоящее время имеется очень мало наблюдательных данных о метеорологических изменениях в этих атмосферах.
Наблюдательные и теоретические основы
[ редактировать ]Моделирование и теоретические основы
[ редактировать ]Климатические модели используются для изучения климата Земли с 1960-х годов, а других планет нашей солнечной системы — с 1990-х годов. [3] После открытия экзопланет те же самые модели использовались для исследования климата таких планет, как Проксима Центавра b и ныне опровергнутая Глизе 581g . В ходе этих исследований было смоделировано, какое атмосферное давление и состав необходимы для поддержания жидкой воды на поверхности каждой земной экзопланеты, учитывая их орбитальные расстояния и периоды вращения . [3] Климатические модели также использовались для изучения возможных атмосфер Горячего Юпитера HD 209458b , Горячего Нептуна GJ 1214b и Кеплера-1649b , теоретического Венеры . аналога [3] [4] [5] [6]
Эти модели предполагают, что рассматриваемая экзопланета имеет атмосферу, что позволяет определить ее климат . Без атмосферы единственные колебания температуры на поверхности планеты были бы обусловлены инсоляцией от ее звезды. [7] Кроме того, основные причины погоды - давление и разница температур воздуха, вызывающие ветры и движение воздушных масс, - могут существовать только в среде со значительной атмосферой, в отличие от разреженной и, следовательно, достаточно статичной атмосферы, такой как эта. Меркурия. [8] Таким образом, существование экзометеорологической погоды (в отличие от космической погоды ) на экзопланете зависит от того, есть ли у нее вообще атмосфера.
Недавние открытия и основы наблюдений
[ редактировать ]Первой когда-либо наблюдавшейся атмосферой экзопланеты была HD 209458b , Горячий Юпитер, вращающийся вокруг звезды G-типа, похожей по размеру и массе на наше Солнце. Его атмосфера была обнаружена с помощью спектроскопии ; когда планета проходила мимо своей звезды, ее атмосфера поглощала часть света звезды в соответствии с обнаруживаемым спектром поглощения натрия в атмосфере планеты. [9] Хотя позже присутствие натрия было опровергнуто, [10] Это открытие проложило путь для наблюдения и измерения атмосфер многих других экзопланет. Недавно на экзопланетах земной группы наблюдались атмосферы; В 2017 году астрономы с помощью телескопа Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили обнаружили атмосферу на экзопланете размером с Землю Gliese 1132 b . [11]
Однако измерение традиционных метеорологических изменений в атмосфере экзопланеты, таких как осадки или облачность, сложнее, чем наблюдение только за атмосферой, из-за ограниченного разрешения современных телескопов. Тем не менее, на некоторых экзопланетах наблюдались атмосферные изменения при наблюдении в разное время и другие свидетельства активной погоды. Например, международная группа астрономов в 2012 году наблюдала изменения в скорости выхода водорода из атмосферы HD 189733 b с помощью космического телескопа Хаббл . [12] Кроме того, у HD 189733 b и Tau Boötis Ab самые высокие температуры поверхности смещены к востоку от их подсолнечных точек , что возможно только в том случае, если на этих запертых приливами планетах сильные ветры, смещающие нагретый воздух на восток, то есть западный ветер . [13] Наконец, компьютерное моделирование HD 80606b предсказывает, что внезапное увеличение инсоляции, которую она получает в периастре, порождает ураганные ударные волны, которые отражаются вокруг планеты и распределяют внезапный приток тепла. [14]
Теоретическая погода
[ редактировать ]
Эмпирические наблюдения за погодой на экзопланетах все еще находятся в зачаточном состоянии из-за ограниченного разрешения современных телескопов. Те небольшие атмосферные изменения, которые можно наблюдать, обычно связаны с ветром, например, изменения в скорости выхода атмосферного водорода в HD 189733b. [12] или просто скорости ветров, циркулирующих по всему миру на той же планете. [16] Однако ряд других наблюдаемых неметеорологических свойств экзопланет влияют на то, какая экзопогода, согласно теории, может возникнуть на их поверхности; некоторые из этих свойств перечислены ниже.
Наличие атмосферы
[ редактировать ]Как упоминалось ранее, экзометеорология требует, чтобы экзопланета имела атмосферу. Некоторые экзопланеты, у которых в настоящее время нет атмосферы, начинались с нее; однако они, вероятно, потеряли свою первичную атмосферу из-за утечки атмосферы. [17] от звездной инсоляции и звездных вспышек или потеряли их из-за гигантских ударов [18] очистка атмосферы экзопланеты.
Некоторые экзопланеты, особенно лавовые планеты , могут иметь частичную атмосферу с уникальными метеорологическими характеристиками. Запертые приливами лавовые миры получают так много звездной инсоляции, что часть расплавленной коры испаряется и образует атмосферу на дневной стороне планеты. Сильные ветры пытаются перенести эту новую атмосферу на ночную сторону планеты; однако испаренная атмосфера охлаждается по мере приближения к ночной стороне планеты и оседает обратно на поверхность, по существу разрушаясь, как только она достигает терминатора . Этот эффект был смоделирован на основе данных транзитов K2-141b. [19] а также CoRoT-7b , Kepler-10b и 55 Cancri e . [20] Эту необычную картину испарения земной коры, ветров со скоростью километр в секунду и коллапса атмосферы из-за осадков можно было бы доказать с помощью наблюдений с помощью современных телескопов, таких как Уэбб . [19]
Экзопланеты с полной атмосферой могут иметь самые разные погодные условия, подобные погоде на планетах земной группы и газовых гигантах нашей Солнечной системы . [13] Атмосфера всей планеты обеспечивает глобальную циркуляцию воздуха, распределение звездной тепловой энергии, [13] и относительно быстрый химический цикл , как видно из переноса материала земной коры частичными атмосферами лавовых миров и собственных водных и углеродных циклов Земли . Эта способность круговорота и глобального распределения материи и энергии может вызвать железный дождь на горячих Юпитерах. [13] ветер со скоростью 2 км/с (4500 миль в час) Сверхвращающийся на HD 189733b , [16] а также атмосферные осадки и коллапс на мирах, находящихся в состоянии приливов. [21]
Орбитальные свойства
[ редактировать ]Одним из наиболее важных факторов, определяющих свойства экзопланеты, является период ее обращения или среднее расстояние от звезды. планеты Одно это определяет эффективную температуру (базовую температуру без дополнительной изоляции от атмосферы). [7] и насколько вероятно, что планета окажется в приливном застое. [22] Это, в свою очередь, может повлиять на химический состав облаков, которые могут присутствовать в атмосфере планеты. [13] общее движение теплопередачи и циркуляции атмосферы, [23] и места, где может произойти непогода (например, в запертых приливами лавовых мирах с частичной атмосферой).
Например, орбитальный период газового гиганта может определить, является ли его характер ветра преимущественно адвективным (тепло и воздух текут от верхней части нагретой звездой атмосферы к низу) или конвекционным (тепло и воздух текут снизу вблизи постепенно сжимающегося ядра планеты). вверх через атмосферу). Если атмосфера газового гиганта получает больше тепла от инсоляции, чем от бесконечного гравитационного сжатия планеты, тогда она будет иметь адвективную циркуляцию; если противоположный источник тепла сильнее, он будет иметь конвективную циркуляцию, как это демонстрирует Юпитер . [13]
Кроме того, среднее падающее на экзопланету звездное излучение, определяемое периодом ее обращения, может определять, какие типы химического цикла могут иметь экзопланеты. Цикл воды на Земле происходит потому, что средняя температура нашей планеты достаточно близка к тройной точке воды (при нормальном атмосферном давлении), что поверхность планеты может выдерживать три фазы химического вещества; Подобная цикличность предполагается и для Титана , поскольку температура и давление на его поверхности близки к . тройной точке метана [24]
экзопланеты Точно так же эксцентриситет орбиты – насколько эллиптической является орбита планеты – может повлиять на падающее звездное излучение, которое она получает в разных точках своей орбиты, и, таким образом, может повлиять на ее метеорологию. Крайним примером этого являются штормы HD 80606b , похожие на ударные волны, которые возникают всякий раз, когда планета достигает самой внутренней точки своей чрезвычайно эксцентричной орбиты. Разница в расстоянии между ее апастроном (аналогом земного афелия ) и периастроном ( перигелием ) настолько велика, что эффективная температура планеты сильно варьируется по всей ее орбите. [14] Менее крайний пример — эксцентриситет орбиты земной экзопланеты. Если скалистая планета вращается вокруг тусклого красного карлика , небольшие эксцентриситеты могут привести к эффективным изменениям температуры, достаточно большим, чтобы разрушить атмосферу планеты, при условии правильного состава атмосферы, температуры и давления. [21]
См. также
[ редактировать ]
- Атмосфера и внеземная атмосфера
- Атмосферная циркуляция экзопланет ; математические модели, управляющие экзопланетной циркуляцией воздуха
- Физика атмосферы
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Аллерс, Кейтлин (10 октября 2019 г.). «Экзометеорология: Определение атмосферы..., доктор К. Аллерс» . Календарь западных событий . Университет Западного Онтарио. Архивировано из оригинала 14 марта 2023 г. Проверено 14 марта 2023 г.
- ^ «Экзопланеты, подверженные метеорологическим изменениям» . ScienceDaily . Делегация Парижа Мишель-Анж. 10 июля 2012 г. Архивировано из оригинала 14 марта 2023 г. Проверено 14 марта 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с Шилдс, Аомава Л. (9 августа 2019 г.). «Климат других миров: обзор новой области экзопланетной климатологии» . Серия дополнений к астрофизическому журналу . 243 (2): 30. arXiv : 1909.04046 . Бибкод : 2019ApJS..243...30S . дои : 10.3847/1538-4365/ab2fe7 . ISSN 0067-0049 . S2CID 202142065 .
- ^ Шоумен, Адам П.; Купер, Кертис С.; Фортни, Джонатан Дж.; Марли, Марк С. (20 июля 2008 г.). «Атмосферная циркуляция горячих юпитеров: трехмерные модели циркуляции HD 209458b и HD 189733b с упрощенным воздействием» . Астрофизический журнал . 682 (1): 559–576. arXiv : 0802.0327 . Бибкод : 2008ApJ...682..559S . дои : 10.1086/589325 . ISSN 0004-637X . S2CID 14470834 . Архивировано из оригинала 25 марта 2023 г. Проверено 15 апреля 2023 г.
- ^ Чарней, Б.; Медоуз, В.; Леконт, Дж. (22 октября 2015 г.). «3D-моделирование атмосферы Gj1214B: вертикальное перемешивание, вызванное циркуляцией Анти-Хедли» . Астрофизический журнал . 813 (1): 15. arXiv : 1509.06814 . Бибкод : 2015ApJ...813...15C . дои : 10.1088/0004-637X/813/1/15 . ISSN 1538-4357 . S2CID 119159435 . Архивировано из оригинала 25 марта 2023 г. Проверено 15 апреля 2023 г.
- ^ Кейн, Стивен Р.; Сеха, Альма Ю.; Путь, Майкл Дж.; Кинтана, Элиза В. (11 декабря 2018 г.). «Климатическое моделирование потенциальной экзоВенеры» . Астрофизический журнал . 869 (1): 46. arXiv : 1810.10072 . Бибкод : 2018ApJ...869...46K . дои : 10.3847/1538-4357/aaec68 . ISSN 1538-4357 . ПМК 6326386 . ПМИД 30636775 .
- ^ Jump up to: а б Аллен, Ретт (3 февраля 2023 г.). «Какой была бы температура Земли без атмосферы?» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Проверено 25 марта 2023 г.
- ^ Моран, Джозеф М. (1 мая 2005 г.). " "Погода" " . НАСА . NASA & World Book, Inc. Архивировано из оригинала 1 мая 2005 года . Проверено 3 июля 2023 г.
- ^ Шарбоно, Дэвид; Браун, Тимоти М.; Нойес, Роберт В.; Гиллиланд, Рональд Л. (20 марта 2002 г.). «Обнаружение атмосферы внесолнечной планеты». Астрофизический журнал . 568 (1): 377–384. arXiv : astro-ph/0111544 . Бибкод : 2002ApJ...568..377C . дои : 10.1086/338770 . S2CID 14487268 .
- ^ Касасаяс-Баррис, Н.; Палле, Э.; Ян, Ф.; Чен, Г.; Люке, Р.; Стангрет, М.; Нагель, Э.; Цехмайстер, М.; Ошаг, М.; Санс-Форкада, Дж.; Нортманн, Л.; Алонсо-Флориано, ФДж; Возлюбленный, Пи Джей; Найт, Дж.А.; Чесла, С.; Халафинежад, С.; Лопес-Дорс, М.; Лопес-Сантьяго, Дж.; Молавердихани, К.; Монтес, Д.; Квирренбах, А.; Райнерс, А.; Рибас, И.; Санчес-Лопес, А.; Сапожник Осорио, MR (март 2020 г.). «Есть ли Na I в атмосфере HD 209458b?: Эффект изменения от центра к конечности и эффект Росситера-Маклафлина в исследованиях трансмиссионной спектроскопии» Астрономия и астрофизика 635 : А2 arXiv : 2002.10595 . Бибкод : 2020A&A...635A.206C . дои : 10.1051/0004-6361/201937221 . S2CID 247760051 .
- ^ Левин, Сара (6 апреля 2017 г.). «Открытие! Впервые на экзопланете размером с Землю обнаружена атмосфера» . Space.com . Архивировано из оригинала 14 марта 2023 г. Проверено 14 марта 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Лекавелье де Этанг, А.; Бурье, В.; Уитли, Пи Джей; Дюпюи, Х.; Эренрайх, Д.; Видаль-Маджар, А.; Эбрар, Г.; Баллестер, GE; Дезерт, Ж.-М.; Ферлет, Р.; Синг, ДК (июль 2012 г.). «Временные изменения испаряющейся атмосферы экзопланеты HD 189733b». Астрономия и астрофизика . 543 : Л4. arXiv : 1206.6274 . Бибкод : 2012A&A...543L...4L . дои : 10.1051/0004-6361/201219363 . S2CID 54546633 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Стивенсон, Дэвид С. (2016). Отчет об экзопогоде: исследование разнообразных атмосферных явлений во Вселенной . Швейцария: Springer Cham. стр. 363–371. ISBN 978-3-319-25679-5 . OCLC 957655924 .
- ^ Jump up to: а б Лэнгтон, Джонатан; Лафлин, Грегори (20 февраля 2008 г.). «Гидродинамическое моделирование неравномерно облученных планет Юпитера» . Астрофизический журнал . 674 (2): 1106–1116. arXiv : 0711.2106 . Бибкод : 2008ApJ...674.1106L . дои : 10.1086/523957 . S2CID 14333025 . Архивировано из оригинала 28 марта 2023 года . Проверено 15 апреля 2023 г.
- ^ Гарнер, Роб (31 октября 2016 г.). «НАСА Хаббл обнаружил настоящую голубую планету» . НАСА . Архивировано из оригинала 26 июня 2023 года . Проверено 31 мая 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Лауден, Том; Уитли, Питер Дж. (25 ноября 2015 г.). «ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗРЕШЕННЫЕ ВОСТОЧНЫЕ ВЕТРЫ И ВРАЩЕНИЕ HD 189733b». Астрофизический журнал . 814 (2): Л24. arXiv : 1511.03689 . Бибкод : 2015ApJ...814L..24L . дои : 10.1088/2041-8205/814/2/L24 . S2CID 54038139 .
- ^ Джанопулос, Андреа (3 февраля 2022 г.). «Пухлые планеты теряют атмосферу и становятся суперземлями» . НАСА . Архивировано из оригинала 26 мая 2023 года . Проверено 15 апреля 2023 г.
- ^ Шнайдерман, Таяна; Матра, Лука; Джексон, Алан П.; Кеннеди, Грант М.; Крал, Квентин; Марино, Себастьян; Оберг, Карин И.; Су, Кейт Ю.Л.; Вилнер, Дэвид Дж.; Вятт, Марк К. (21 октября 2021 г.). «Угарный газ, образовавшийся в результате гигантского удара во внутренней области молодой системы». Природа . 598 (7881): 425–428. arXiv : 2110.15377 . Бибкод : 2021Natur.598..425S . дои : 10.1038/s41586-021-03872-x . ПМИД 34671135 . S2CID 239050652 .
- ^ Jump up to: а б Бартельс, Меган (5 ноября 2020 г.). «Эта причудливая планета может иметь сверхзвуковые ветры в атмосфере испаренной породы» . Space.com . Архивировано из оригинала 12 мая 2021 года . Проверено 15 апреля 2023 г.
- ^ Кастан, Тибо; Мену, Кристен (20 декабря 2011 г.). «Атмосферы горячих суперземель». Астрофизический журнал . 743 (2): L36–L41. arXiv : 1109.0659 . Бибкод : 2011ApJ...743L..36C . дои : 10.1088/2041-8205/743/2/L36 . S2CID 119118559 .
- ^ Jump up to: а б Джоши, ММ; Хаберле, РМ; Рейнольдс, RT (октябрь 1997 г.). «Моделирование атмосфер синхронно вращающихся планет земной группы, вращающихся вокруг M-карликов: условия коллапса атмосферы и последствия для обитаемости» . Икар . 129 (2): 450–465. Бибкод : 1997Icar..129..450J . дои : 10.1006/icar.1997.5793 . Архивировано из оригинала 18 октября 2021 г. Проверено 15 апреля 2023 г.
- ^ Барнс, Рори (декабрь 2017 г.). «Приливная блокировка обитаемых экзопланет». Небесная механика и динамическая астрономия . 129 (4): 509–536. arXiv : 1708.02981 . Бибкод : 2017CeMDA.129..509B . дои : 10.1007/s10569-017-9783-7 . S2CID 254369144 .
- ^ Пьеррембер, Раймонд Т.; Хаммонд, Марк (5 января 2019 г.). «Атмосферная циркуляция экзопланет, заблокированных приливами» . Ежегодный обзор механики жидкости . 51 (1): 275–303. Бибкод : 2019АнРФМ..51..275П . doi : 10.1146/annurev-fluid-010518-040516 . ISSN 0066-4189 . S2CID 125645319 .
- ^ Таскер, Элизабет (2019). Фабрика планет: экзопланеты и поиск второй Земли (1-е изд.). Великобритания: Издательство Bloomsbury. стр. 287–288. ISBN 978-1-4729-5644-6 . OCLC 1252735501 . Архивировано из оригинала 24 июля 2023 г. Проверено 15 апреля 2023 г.