“热木星”大气逃逸的二维、多流流体动力学研究。

Discussing the atmospheric properties of exoplanets is very closely connected to the discussion of the origin of life and the formation of earth. The field is now firmly established, with the progress in the observation and theory. The excess absorptions in some atomic lines, which can not been explained well by the current theoretical models, have been found in the spectroscopic observations. In present, the one-dimensional and single-fluid models have shown that the excess absorptions are relative with the particle escapes in the upper atmosphere, but they are not enough to explain the phenomenon because the tidal forces, irradiation and wind from host stars can not be correctly described. In fact, the atoms do not couple tightly with the ions in the upper atmosphere, thus, they may decouple when the planetary winds collide with the stellar winds. In this project, we will develop a two-dimensional and multi-fluid model including the influences of the tidal forces, irradiation and wind from host stars. The multi-fluid model is more advantageous than the single-fluid one because the interactions among different species between the stellar winds and the planetary winds may be depicted by its continuity, momentum and energy equations. Our project will focus on the following. 1) What are the effects of tidal forces and irradiation on the particle escape in the case of two-dimension? What is the difference between the one-dimensional model and the two-dimensional model? 2) If the interactions between the stellar winds and the planetary winds are considered, what role does the charge exchange play? We will also discuss the roles of different species in explaining the origin of the excess absorption. 3) What is the influence of stellar evolution on the atmospheric escape? Because an explicit method could result in a long time-marching and incorrect result, we will choice a semi-implicit method to deal with the set of equation in the two-dimensional model.

系外行星的观测和理论研究是有助于理解行星形成及生命起源的重要新兴领域。在"热木星"大气的光谱观测中，发现了尚未透彻理解的氢原子谱线超量吸收现象。目前的一维和单流体理论模型指出，这与行星高层大气的物质逃逸有关，但还不能很好地解释具有复杂环境的行星大气中超量吸收的起源。由于行星风中的离子和原子耦合的并不紧密，部分中性原子在和恒星风离子的相互作用中将发生电荷交换，形成具有恒星风特征的原子。单流模型无法描述这个现象。因此，我们将发展一个二维、多流的数值模型，去更好地刻画恒星的潮汐力、辐射和星风如何影响行星大气的物质逃逸。本课题将着 重讨论1）二维潮汐力和恒星辐射对行星大气物质逃逸的影响，并检验一维模型的可靠程度；2）在恒星风和行星风的相互作用下，电荷交换的角色，以及不同起源的氢原子对谱线超量吸收现象的贡献；3）恒星演化对行星大气物质逃逸的影响。我们将使用半隐格式的数值方法，以确保计算速度和稳定性。

热木星大气逃逸是目前国际上研究行星大气的热点问题之一。通过研究行星大气的逃逸，我们能够限定行星大气的结构和化学组成。由于许多太阳系外行星离主星非常近，它们的大气很可能在主星的辐射下被剥离，从而影响到行星的结构演化和分布等。这些研究和行星系统的形成等重大问题密切相关。因此，太阳系外行星大气的逃逸研究是研究行星形成、结构演化和化学组成的重要纽带。 . 在国家基金委的支持下，我们围绕着主星对行星上层大气的加热、电离和动力学行为开展了研究。这些研究涉及到恒星X射线和极端紫外辐射（在下文中简称做XUV辐射）对行星大气的光致电离和加热过程，也涉及到恒星引力效应对行星大气的动力学影响。与此同时，该系列的工作也包括了行星大气中多种粒子相互之间化学反应。在统筹了上述物理、化学过程后，我们发展了一个包括了18种粒子和近40个化学反应的二维、多流高层大气逃逸模型。这个模型适用于太阳系内外的多种行星系统。使用这个模型，我们首先研究了潮汐锁定下行星高层大气逃逸的情况，并且发现由于潮汐锁定的效应，二维模型预言的物质损失率比一维模型锁预言的小很多。这预示着一维模型的结果应该被进一步检查。由于恒星XUV辐射谱的不确定性，我们进一步的研究了恒星XUV辐射轮廓对行星大气化学组成的影响。这个工作对于行星大气的可探测性与重要的意义。我们的结果显示，如果恒星的XUV辐射被低能段辐射所主导，则行星大气中原子的数量更多，行星所显示的可探测性更强。我们拟合HD189733b的光谱观测，并且针对HD189733b的光谱变化提出了一种新的解释。我们认为HD189733b主星XUV辐射谱的变化主导了HD189733b光谱的变化。为了探讨在早期恒星强X射线辐射下行星大气的物理和化学状况，我们使用XPEC软件构造了恒星在不同年龄下的XUV辐射谱。探讨了X射线在行星大气逃逸中所扮演的角色。我们的结果显示，x射线对行星大气的逃逸仅仅贡献了较小的部分。事实上，行星大气的逃逸主要被EUV波段的辐射主导。. 我们的研究按时完成了所申请内容。在目前，这个模型不仅适用于大部分的太阳系外行星，也适用于早期太阳系行星的大气逃逸问题。通过对这个模型的应用，我们不仅可以为行星结构演化和星族合成提供基本的物理参量，也可以计算恒星的透射光谱与观测比较，确定行星大气的化学和组成。