2D моделирование гидродинамического истечения планетарных атмосфер

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В статье рассматривается двумерная задача о гидродинамическом истечении первичной водородной атмосферы планеты в результате поглощения экстремального ультрафиолетового излучения (EUV) от родительской звезды. В качестве примера приведены параметры недавно открытой экзопланеты TOI-421b, которая, согласно принятой классификации, относится к так называемому классу ''теплых мини-Нептунов''. Гидродинамические параметры определяются путем решения нестационарных уравнений Эйлера и производства энтропии в сферической системе координат. Для определения интенсивности EUV применяется уравнение переноса излучения вдоль параллельных лучей с коэффициентом поглощения, пропорциональным плотности атомов водорода. Численный метод основан на конечно-разностной схеме модифицированного типа МакКормака - Рунге-Кутты на сферической сетке с неравномерным шагом по радиальному направлению и постоянным шагом по сферическому углу. Расчет интенсивности излучения в точках сетки выполняется по характеристикам с интерполяцией плотности. Представлены стационарные двумерные профили физических параметров в верхних слоях атмосферы, полученные в результате расчетов. Приводится оценка скорости истечения массы атмосферы на дневной стороне планеты и скорость ухода массы на ночную сторону планеты при постоянных внешних условиях.

Об авторах

Ксения Дмитриевна Горбунова

Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук

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

инженер, Отдел вычислительной физики

Россия, 660036, Россия, г. Красноярск, ул. Академгородок, д. 50/44

Николай Васильевич Еркаев

Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: erkaev@icm.krasn.ru
ORCID iD: 0000-0001-8993-6400

д.ф.-м.н., главный научный сотрудник, Отдел вычислительной физики

Россия, 660036, Россия, г. Красноярск, ул. Академгородок, д. 50/44

Список литературы

  1. Parker E. N. Dynamics of the interplanetary gas and magnetic fields. Astrophysical Journal. 1958. Vol. 128. P. 664. doi: 10.1086/146097
  2. Dos Santos L. A., Vidotto A. A., Vissapragada S., Alam M. K., Allart R., Bourrier V., Kirk J., Seidel J. V., Ehrenreich D. p-winds: An open-source Python code to model planetary outflows and upper atmospheres. Astronomy & Astrophysics. 2022. Vol. 659, no. A62. doi: 10.1051/0004-6361/202142038
  3. McCreery P., Dos Santos L. A., Espinoza N., Allart R., Kirk J. Tracing the Winds: A Uniform Interpretation of Helium Escape in Exoplanets from Archival Spectroscopic Observations. The Astrophysical Journal. 2025. Vol. 980. P. 125. doi: 10.3847/1538-4357/ada6b9
  4. Erkaev N. V., Lammer H., Odert P., Kislyakova K.G., Johnstone C. P., Gudel M., Khodachenko M. L. EUV-driven mass-loss of protoplanetary cores with hydrogendominated atmospheres: the influences of ionization and orbital distance. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2016. Vol. 460, no. 2. P. 1300–1309. DOI:
  5. 10.1093/mnras/stw935
  6. Erkaev N. V., Scherf M., Herbort O., Lammer H., Odert P., Kubyshkina D., Leitzinger M., Woitke P., O’Neill C. Modification of the radioactive heat budget of Earth-like exoplanets by the loss of primordial atmospheres. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2023. Vol. 518, no. 3, P. 3703–3721. DOI:
  7. 10.1093/mnras/stac3168
  8. Berezutsky A. G., Shaikhislamov I. F., Rumenskikh M. S., Khodachenko M. L., Lammer H., Miroshnichenko I.B. 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. 2022. Vol. 515, no. 1. P. 706–715.
  9. doi: 10.1093/mnras/stac1633
  10. Kubyshkina D., Vidotto A. A. 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. 2021. Vol. 50, no. 2. P. 2034–2050. doi: 10.1093/mnras/stab897
  11. Kubyshkina D., Vidotto A. A., Villarreal D’Angelo C., Carolan S., Hazra G., Carleo I. 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. 2022. Vol. 510, no. 2. P. 2111–2126. DOI:
  12. 10.1093/mnras/stab3594
  13. Kubyshkina D., Vidotto A. A., Villarreal D’Angelo C., Carolan S., Hazra G., Carleo I. 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. 2022. Vol. 510, no. 2. P. 3039–3045. doi: 10.1093/mnras/stab3620
  14. Murray-Clay R. A., Chiang E. I., Murray N. Atmospheric escape from hot Jupiters. The Astrophysical Journal. 2009. Vol. 693. P. 23–42 doi: 10.1088/0004-637X/693/1/23
  15. Erkaev N. V., Kulikov Yu. N., Lammer H., et al. Roche lobe effects on the atmospheric loss from "Hot Jupiters". Astronomy & Astrophysics. 2007. Vol. 472, no. 1. P. 329–334. doi: 10.1051/0004-6361:20066929
  16. Vidal-Madjar A., Lecavelier des Etangs A. “Osiris” (HD209458b), an evaporating planet. Extrasolar Planets: Today and Tomorrow, ASP Conference Proceedings. 2004. Vol. 321. P. 152–160. doi: 10.48550/arXiv.astro-ph/0312382
  17. Carleo I., Gandolfi D., Barragan O. 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. 2020. Vol. 160. P. 114–137. doi: 10.3847/1538-3881/aba124
  18. Krenn A. F., Kubyshkina D., Fossati L. Characterisation of the TOI-421 planetary system using CHEOPS, TESS, and archival radial velocity data. Astronomy & Astrophysics. 2024. Vol. 686, no. A301, 20 p. doi: 10.1051/0004-6361/202348584
  19. Davenport B., Kempton E. M.-R., Nixon M. C. TOI-421 b: A Hot Sub-Neptune with a Haze-free, Low Mean Molecular Weight Atmosphere. The Astrophysical Journal Letters. 2025. Vol. 984, no. L44. 12 p. doi: 10.3847/2041-8213/adcd76
  20. Erkaev N. V., Lammer H. XUV exposed non-hydrostatic hydrogen-rich upper atmospheres of terrestrial planets. Part I: Atmospheric expansion and thermal escape. Astrobiology Journal. 2013. Vol. 13. P. 1011–1029. doi: 10.1089/ast.2012.0957
  21. Еркаев Н. В., Горбунова К. Д. Компактная разностная схема для гидродинамической модели истечения атмосфер планет // Вычислительные технологии. 2024. Т. 29, № 1. С. 5–17. doi: 10.25743/ICT.2024.29.1.002
  22. Erkaev N. V., Gorbunova K. D. Magnetic Barrier in Front of Exoplanets Interacting with Stellar Wind. Problems of Geocosmos–2022. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Cham: Springer, 2023. Vol. ICS 2022. P. 251–265. doi: 10.1007/978-3-031-40728-4_18
  23. Hixon R., Turkel E. Compact Implicit MacCormack-Type Schemes with High Accuracy. Journal of Computational Physics. 2000. Vol. 158. P. 51–70. doi: 10.1006/jcph.1999.6406
  24. Gorbunova K. D., Erkaev N. V. Compact MacCormack-type Schemes Applied for Atmospheric Escape Problem. Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2022. Vol. 15, no. 4. P. 500–509. doi: 10.17516/1997-1397-2022-15-4-500-509

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Горбунова К.Д., Еркаев Н.В.,

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии 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».