系外行星逃逸大气的多流 (磁) 流体模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 邢磊
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| 答辩日期 | 2024-07-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李焱 ; 郭建恒 |
| 关键词 | 系外行星上层大气模拟 流体动力学 磁流体动力学 辐射转移过程 计算流体程序开发 |
| 学位专业 | 天体物理 |
| 其他题名 | Simulations of Exoplanet Escape Atmospheres using Multifluid (Magnetic) Fluid Dynamics |
| 英文摘要 | 行星大气的研究在探索行星演化,生命起源,行星宜居性等关键问题中扮演着至关重要的角色。对太阳系内的行星而言,其大气对它们的温度、气候和表面环境着关键性影响。地球所拥有的优越大气环境甚至直接促成了高等文明的兴起。随着对系外行星的研究和探索不断深入,我们开始认识到地球在宇宙中可能并不孤独。除了太阳系内的行星,通过对系外行星大气的透射光谱的观测,发现许多热木星和热海王星也拥有着大气层。和太阳系行星大气不同的是,这种大气往往处于极端膨胀的状态,延伸到数个甚至数十个行星半径以外。这种膨胀大气很可能是由于恒星 X 射线和极紫外辐射(XUV)驱动行星大气发生流体动力学逃逸所形成的。在逃逸大气中除了氢(H)以外往往还可能观测到氦(He)、碳(C)、氧(O)、镁(Mg)、硅(Si)等元素的信号。然而,由于行星引力对大气逃逸的抑制效果,较重的粒子往往更难逃逸。考虑到大气中组分可能发生解耦,发现 H+ 和 O 可能在磁场的影响下发生较明显的解耦,速度解耦最多可能会达到50%,且解耦区域与磁场有明显的相关性。说明逃逸大气中重离子的解耦很可能会受到磁场的影响,这值得进一步研究。然而,我们的程序目前仍处于较初步的阶段,需要进一步的开发和改进。同时,我们也希望这个程序能在天文等离子体模拟的领域上发挥更大的作用。要模拟多组分大气的真实逃逸情况往往离不开多流体的数值模拟程序。 本文选择 PLUTO 作为多流体程序开发的基础。在将程序分解,重新设计,添加多流体功能后,目前已经开发出了初步的通用多流磁流体模拟程序 PLUTO-XMF。这个程序继承了 PLUTO 的优良特性,支持流体/磁流体的多流体模拟,在流体功能中支持电子压强的计算(基于电中性假设)。在磁流体模拟上,目前实现了基本的 MHD 方程求解功能以及八波控制 ∇ ⋅ B = 0 的方法。 目前,对于系外行星逃逸大气中氦异常这一现象还没有一个很好的解释,猜测原因可能是逃逸大气中氦发生了解耦。为了研究 HD209458 b 逃逸大气中氢和氦的解耦机制,我们利用了 PLUTO-XMF 多流体模拟工具模拟 HD209458 b 的逃逸大气。通过对这颗热木星大气在 He10830 波段的透射光谱进行拟合发现,在最佳拟合的大气模型中 He/H=0.039,这小于太阳中的 He/H=0.0846。这表明这颗热木星的逃逸大气中氦的确更难逃逸。我们相信这种解耦的过程对于更重粒子逃逸过程的研究可能更加重要。 利用多流体程序的磁流体模块,我们探索了磁场对热海王星 GJ436 b 逃逸大气中 H,H+ 解耦的影响。模拟结果表明,磁场的确对两种粒子的解耦产生了影响,并且更强的磁场会促使这两种粒子的解耦。不过由于 H 和 H+ 的电荷交换过程较强,使得两者的解耦程度相对较小。这也从侧面说明了,在纯氢大气的模拟中,将 H 和 H+ 合并成单流体模拟是合理的。进一步 H+ 和 O 解耦的测试案例却发现 H+ 和 O 可能在磁场的影响下发生较明显的解耦,速度解耦最多可能会达到50%,且解耦区域与磁场有明显的相关性。说明逃逸大气中重离子的解耦很可能会受到磁场的影响, 这值得进一步研究。 本文的主要工作是,针对系外行星大气的精细模拟需求,利用自主开发的多流磁流体模拟程序 PLUTO-XMF,完成了对热木星 HD209458 b 的多流流体模拟以及 GJ436 b 的多流磁流体模拟。前者的工作主要说明了这颗热木星的逃逸大气中氦可能发生解耦,后者的工作主要说明了磁场会影响逃逸大气中 H 和 H+的解耦。本文工作的主要创新点是 1.将单流体程序 PLUTO 开发为多流体程序 PLUTO-XMF 以适应更复杂的大气模拟物理场景 2.创新性的提出了使用差分黎曼求解器求解电子压强的方法,为等离子体的数值模拟提供了新的方法和思路。然而,我们的程序目前仍处于较初步的阶段,需要进一步的开发和改进。同时,我们也希望这个程序能在天文等离子体模拟的领域上发挥更大的作用。 |
| 学科主题 | 天文学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 0 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/28050]  |
| 专题 | 云南天文台_恒星物理研究组 |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 邢磊. 系外行星逃逸大气的多流 (磁) 流体模拟[D]. 北京. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
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