2D model of the hydrodynamic escape of planetary atmospheres

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

The article considers a two-dimensional problem of hydrodynamic escape of the planet’s primordial hydrogen atmosphere as a result of absorption of extreme ultraviolet (EUV) radiation from its host star. As a test case, the model is applied using the parameters of a recently discovered exoplanet TOI-421b, which, according to accepted classification, belongs to so-called class of ''warm mini-Neptunes''. The hydrodynamic parameters are determined by solving the non-stationary Euler and entropy production equations in a spherical coordinate system. The EUV intensity is calculated using the radiation transport equation along parallel rays, with an absorption coefficient proportional to the density of the hydrogen atoms. The numerical method is based on a finite-difference scheme of the modified MacCormack - Runge-Kutta type on a spherical grid with a nonuniform step along the radial direction and a constant step along the spherical angle. The calculation of the radiation intensity at the grid points is perfomed along the characteristics with density interpolation. Steady-state two-dimensional profiles of physical parameters in the upper atmosphere obtained as the result of calculations are presented. An estimate of the dayside atmospheric mass-loss rate and the rate of mass transfer to the nightside under constant external conditions is provided.

Авторлар туралы

Kseniia Gorbunova

Institute of Computational Modelling, Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: gorbunova.kd@icm.krasn.ru
ORCID iD: 0009-0000-7593-3874

Engineer, Department of Computational Physics

Ресей, 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

Nikolay Erkaev

Institute of Computational Modelling, Siberian Branch of Russian Academy of Science

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: erkaev@icm.krasn.ru
ORCID iD: 0000-0001-8993-6400

Dr.Sci. (Phys. and Math.), Chief researcher, Institute of Computational Modelling

Ресей, 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

Әдебиет тізімі

  1. E. N. Parke, ''Dynamics of the interplanetary gas and magnetic fields'', Astrophysical Journal, 128 (1958), 664 p. doi: 10.1086/146097
  2. L. A. Dos Santos, A. A. Vidotto, Shreyas Vissapragada, M. K. Alam, R. Allart, V. Bourrier, J. Kirk, J. V. Seidel, D. Ehrenreich, ''p-winds: An open-source Python code to model planetary outflows and upper atmospheres'', Astronomy & Astrophysics, 659:A62 (2022). doi: 10.1051/0004-6361/202142038
  3. P. McCreery, L. A. Dos Santos, N. Espinoza, R. Allart, J. Kirk, ''Tracing the Winds: A Uniform Interpretation of Helium Escape in Exoplanets from Archival Spectroscopic Observations'', The Astrophysical Journal, 980 (2025), 125. doi: 10.3847/1538-4357/ada6b9
  4. N. V. Erkaev, H. Lammer, P. Odert, K. G. Kislyakova, C. P. Johnstone, M. Gudel, M. L. Khodachenko, ''EUV-driven mass-loss of protoplanetary cores with hydrogen-dominated atmospheres: the influences of ionization and orbital distance'', Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 460:2 (2016), 1300–1309. DOI:
  5. 1093/mnras/stw935
  6. N. V. Erkaev, M. Scherf, O. Herbort, H. Lammer, P. Odert, D. Kubyshkina, M. Leitzinger, P. Woitke, C. O'Neill, ''Modification of the radioactive heat budget of Earth-like exoplanets by the loss of primordial atmospheres'', Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 518:3 (2023), 3703–3721. doi: 10.1093/mnras/stac3168
  7. A. G. Berezutsky, I. F. Shaikhislamov, M. S. Rumenskikh, M. L. Khodachenko, H. Lammer, I. B. Miroshnichenko, ''On the transit spectroscopy features of warm Neptunes in the TOI-421 system, revealed with their 3D aeronomy simulations'', Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 515:1 (2022), 706–715. doi: 10.1093/mnras/stac1633
  8. D. Kubyshkina, A. A. Vidotto, ''How does the mass and activity history of the host star affect the population of low-mass planets?'', Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 50:2 (2021), 2034–2050. doi: 10.1093/mnras/stab897
  9. D. Kubyshkina, A. A. Vidotto, C. Villarreal D'Angelo, S. Carolan, G. Hazra, I. Carleo, ''Atmospheric mass-loss and stellar wind effects in young and old systems - I. Comparative 3D study of TOI-942 and TOI-421 systems'', Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 510:2 (2022), 2111–2126. doi: 10.1093/mnras/stab3594
  10. D. Kubyshkina, A. A. Vidotto, C. Villarreal D'Angelo, S. Carolan, G. Hazra, I. Carleo, ''Atmospheric mass loss and stellar wind effects in young and old systems – II. Is TOI942 the past of TOI-421 system?'', Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 510:2 (2022), 3039–3045. doi: 10.1093/mnras/stab3620
  11. R. A. Murray-Clay, E. I. Chiang, N. Murray, ''Atmospheric escape from hot Jupiters'', The Astrophysical Journal, 693 (2009), 23–42. doi: 10.1088/0004-637X/693/1/23
  12. N. V. Erkaev, Yu. N. Kulikov, H. Lammer, F. Selsis, D. Langmayr, G. F. Jaritz, H. K. Biernat, ''Roche lobe effects on the atmospheric loss from ''Hot Jupiters'' '', Astronomy & Astrophysics, 472:1 (2007), 329–334. doi: 10.1051/0004-6361:20066929
  13. A. Vidal-Madjar, A. Lecavelier des Etangs, '' ''Osiris''(HD209458b), an Evaporating Planet'', Extrasolar Planets: Today and Tomorrow, ASP Conference Proceedings. Vol. 321 (Institut D'Astrophysique de Paris, France), 2004, 152–160, arXiv: https://arxiv.org/abs/astro-ph/0312382.
  14. I. Carleo, D. Gandolfi, O. Barragan, et al., ''The multiplanet system TOI-421: A warm Neptune and a super puffy Mini-Neptune transiting a G9 V star in a visual binary'', The Astronomical Journal, 160:3 (2020), 23 p. doi: 10.3847/1538-3881/aba124
  15. A. F. Krenn, D. Kubyshkina, L. Fossati, et al., ''Characterisation of the TOI-421 planetary system using CHEOPS, TESS, and archival radial velocity data'', Astronomy & Astrophysics, 686:A301 (2024), 20 p. doi: 10.1051/0004-6361/202348584
  16. B. Davenport, E. M.-R. Kempton, M. C. Nixon, et al., ''TOI-421 b: A Hot Sub-Neptune with a Haze-free, Low Mean Molecular Weight Atmosphere'', The Astrophysical Journal Letters, 984:L44 (2025), 12 p. doi: 10.3847/2041-8213/adcd76
  17. N. V. Erkaev, H. Lammer, et al., ''XUV exposed non-hydrostatic hydrogen-rich upper atmospheres of terrestrial planets. Part I: Atmospheric expansion and thermal escape'', Astrobiology Journal, 13 (2013), 1011--1029. doi: 10.1089/ast.2012.0957
  18. N. V. Erkaev, K. D. Gorbunova, ''Hydrodynamic models of outflow of the planetary atmospheres'', Computational technologies, 29:1 (2024), 5–17 (In Russ). doi: 10.25743/ICT.2024.29.1.002
  19. N. V. Erkaev, K. D. Gorbunova, ''Magnetic Barrier in Front of Exoplanets Interacting with Stellar Wind'', Problems of Geocosmos–2022. Vol. ICS 2022, Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences, eds. A. Kosterov, E. Lyskova, I. Mironova, S. Apatenkov, S. Baranov, Springer, Cham, 2023, 251--265 doi: 10.1007/978-3-031-40728-4_18.
  20. R. Hixon, E. Turkel, ''Compact Implicit MacCormack-Type Schemes with High Accuracy'', Journal of Computational Physics, 158 (2000), 51--70. doi: 10.1006/jcph.1999.6406
  21. K. D. Gorbunova, N. V. Erkaev, ''Compact MacCormack-type Schemes Applied for Atmospheric Escape Problem'', Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, 15:4 (2022), 500–509. doi: 10.17516/1997-1397-2022-15-4-500-509

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML

© Gorbunova K.D., Erkaev N.V.,

Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қолжетімді Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».