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《中国科学院研究生院(云南天文台)》 2016年
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XUV驱动下的系外行星大气逃逸

杨沫  
【摘要】:大气逃逸是行星演化的重要一环,其主要能量来源为主星在高能波段的辐射。对于短周期小质量行星,大气逃逸对其质量演化影响显著,且会改变大气环境,进而影响行星可居住性。本文基于包含了辐射转移和多种粒子光化学过程的一维流体动力学模型,对XUV(X射线和EUV)驱动下的大气逃逸进行了大样本的计算。由于主星的X射线和EUV光谱在不同主星年龄时差异较大,故通过XSPEC分别构造X射线、EUV和XUV随年龄演化的光谱。模型构造了不同年龄、质量、半径和轨道距离的行星,对不同情况下的大气逃逸进行了充分研究,修正了经典的能量限制(Energy-limited)理论,并对X射线和EUV单独驱动下的大气逃逸情况进行了比较。我们发现:1.和能量限制理论类似,年轻恒星-行星系统中的短周期行星,逃逸率最高;2.年轻恒星-行星系统中的短周期小质量(小引力势)行星,不能用能量限制理论估算逃逸率;3.逃逸机制会随轨道距离的增大由剧烈的流体动力学逃逸转化为缓和的金斯逃逸,且行星引力势越小、恒星-行星系统越年轻,这一转化距离越远。在0.1 Gyr时,流体动力学逃逸在超过1 AU处仍能进行,意味着在早期太阳系中,水星、金星、地球和火星都经历过快速流体动力学逃逸阶段;4.流体动力学逃逸对短周期小质量行星的演化和分布影响显著;而对于大质量行星,大气逃逸影响较小;对于超大质量的行星,由于引力势非常强,甚至无法进行流体动力学逃逸。这也解释了系外行星分布在短周期时的中等质量空缺;5.我们的模型已包括了真实的辐射转移过程和多种光化学,可以直接拟合半径膨胀比β和加热效率η,由此我们修正了由经典的能量限制理论导出的能量限制方程,使该方程适用范围更广、对逃逸率的估算更准确;6.在大部分情况下,用EUV光谱能量分布直接代替XUV光谱能量分布并不会带来明显偏差。然而,对于年轻恒星-行星系统中的短周期小质量(小引力势)行星,X射线的影响会超过EUV,不能忽略。以上发现丰富了对系外行星大气逃逸过程的研究,尤其是扩展了逃逸机制和能量转换过程的研究、修正了能量限制方程。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(云南天文台)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P15

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