The atmospheres of Super-Earths [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Philip von Paris

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D?hneThe2010atmospheresProf.ofhSuprer.er-Earthsdervnat.orgelegtProf.vhonhDiplom-PhSedlmaysikAusspracer83PhilipDissertationvVonrer.PharisProf.ausRauerBerlinhVrer.onTderhaftlicF7.akult?t2010Irer.Igenehmigte-PromotionsausscMathematikuss:undorsitzender:NaturwissenscDr.haftennat.derBericTterin/Gutacecterin:hniscDr.hennat.UnivBericersit?tter/GutacBerlinter:zurDr.Erlangungnat.desyrakagademiscwissenschenheGradeshe:DoktorJuliderBerlinNaturwissenscDhaften1Dr.jCetteKth?semaestcdedi?ea.?vie.Kasia,oraisonhametsense2deterDiesederArbH.eitundwurdeFimdlershofInstitut"Extrasolaref?rtmosph?ren"PlanetenforscvhProf.ungangefertigt.aminDeutscAbteilunghenPlanetenZenAtrumunf?rBetreuungLuft-onundrauRaumfahrtDr.e.V.Rauerin3Berlin-A22 22ist,Dissertationsscte,hriftienbungescdieh?ftigtthetiscsic?bhnicmitbardenWAhtmosph?reneitv?nnonsspSupzuer-Erden.tats?cSuptrationer-ErdentrationsinderaturenPlanetensolcumgeringererandereASternehnet,(Exoplaneten)onmithenMassenektroskgr??erderalsCharakterisierungeinedemErdmassedbiszeigtezum?glic104Erdmassen.%Derzeiteisind%20ObsolcKherderPlanetenSzenarienbDrucekjedoannMitt.hoAlsdesZieltersucdieserHabitabilit?tArbfeststellbareitzwiscsolltehiedenvsicersucthhentDagegenwessererden,Szenarien.zwteneiSpaceScvhl?sselfragentenimsind.Zusam-dassmenhangerstemitPlanetSuptuelleer-ErdenKzuonb,eanmehrtKwonorten:vZumereceinenhendiealsFvrage,lagen,obistesatmosph?riscExo-el.planetenwgibt,oorliegendeonzenaufwdenenhsichabitabhErgebnissenm?glicdellsherwhaufgel?

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Published 01 January 2010
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D?hneThe2010atmospheresProf.ofhSuprer.er-Earthsdervnat.orgelegtProf.vhonhDiplom-PhSedlmaysikAusspracer83PhilipDissertationvVonrer.PharisProf.ausRauerBerlinhVrer.onTderhaftlicF7.akult?t2010Irer.Igenehmigte-PromotionsausscMathematikuss:undorsitzender:NaturwissenscDr.haftennat.derBericTterin/Gutacecterin:hniscDr.hennat.UnivBericersit?tter/GutacBerlinter:zurDr.Erlangungnat.desyrakagademiscwissenschenheGradeshe:DoktorJuliderBerlinNaturwissenscDhaften1Dr.jCetteKth?semaestcdedi?ea.?vie.Kasia,oraisonhametsense2deterDiesederArbH.eitundwurdeFimdlershofInstitut"Extrasolaref?rtmosph?ren"PlanetenforscvhProf.ungangefertigt.aminDeutscAbteilunghenPlanetenZenAtrumunf?rBetreuungLuft-onundrauRaumfahrtDr.e.V.Rauerin3Berlin-A2
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ist,Dissertationsscte,hriftienbungescdieh?ftigtthetiscsic?bhnicmitbardenWAhtmosph?reneitv?nnonsspSupzuer-Erden.tats?cSuptrationer-ErdentrationsinderaturenPlanetensolcumgeringererandereASternehnet,(Exoplaneten)onmithenMassenektroskgr??erderalsCharakterisierungeinedemErdmassedbiszeigtezum?glic104Erdmassen.%Derzeiteisind%20ObsolcKherderPlanetenSzenarienbDrucekjedoannMitt.hoAlsdesZieltersucdieserHabitabilit?tArbfeststellbareitzwiscsolltehiedenvsicersucthhentDagegenwessererden,Szenarien.zwteneiSpaceScvhl?sselfragentenimsind.Zusam-dassmenhangerstemitPlanetSuptuelleer-ErdenKzuonb,eanmehrtKwonorten:vZumereceinenhendiealsFvrage,lagen,obistesatmosph?riscExo-el.planetenwgibt,oorliegendeonzenaufwdenenhsichabitabhErgebnissenm?glicdellsherwhaufgel?steeiseSpLebbenzubildeninkm?glic?nnPlanetenteErde(sokgenan-derndenteunhabitableerdenPlaneten),Eszumdassanderennicdieist,FObrage,edingungenobzudieTAopietmosph?renf?rsolcatmosph?rischerBerecExoplanetenmitdurceltraummissionenhWspelescopektroskartendenopiscGliesehedieBeobacektralenhttungenArbvcon581derhErdetdecauseisecunseresharak-asterisiertbweinererdenonzenkv?nnen.95UmCODiediese20Fundragenbzueinerbonzeneanvt5wCOorten,)wurdebeinhneteneindimensionaleser?cComputermotempd-h?herell273f?r(GefrierpunktPlanetenatmosph?renonenasser)td.h.wicPlanetkf?relt,heumfassendhenvhabitabalidiert,Szenar-getestetmitundenigermitkanderenderMoCOdellen-Kvtrationerglicarenhen.cDiesesnicMotdellel.wurdedenaufdesdentmosph?renmoExoplanetenwurdenGliesec581syn-dheangewektrenandt.PlanetenGlieseerec581umdunisthen,einewiewSupdieer-Erdeheunddesdervbisherdereinzigeausbseinek?nnannoteobExoplanet,henderatmosph?riscm?glicSzenarienher-terscwweisekhabitabte.elzeigteist.h,MitEmissionsspdemopieAhtmosph?renmogeeignetdellAussagenwurdeereineer?cPbarameterstudieodurcSzenarienhgef?hrt,treen.dieistsoransmission-wektroskohlbdengeeignetObdieer?cderhendruchenkDiealshnaucderhgeplandieWKwieonzenJamestrationebbvToneKerwohlendioSignalexidon(CO581Zusammenfassungergab,dass)meis-inspderSignaturenAhtmosph?redetektierbarvDieseariierte.eitEsjedozeigteh,sicGlieseh,ddasshlicf?rderhoheenObkteer?cherwhendr?chabitablekau?erhalbeSonnensystems(5wbarak-undStudienmehrest?tigt.bei2
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WithofallothisBythesis273arewhethertheob-atmospheressolarofhabitableSupwer-Earths.ySupucer-Earthsedareasplanetscalculatedaroundater),otherlessstarssyn(so-calledhabitableexoplanets)wwithvmassesatmosphericlargerofthanWEarthmandevupindeedto510wEarthoinmasses.atmosphericCurrenlesstlyto,the20ectrasucinheplanetsbarethatknoellwn.ditionsThetransmissionaimeofCalculatingthisbasedwerformancesorkelescopwectedasotoatmosphericaddresswtGliesewoten-oeryksubeytempquestionshigherrelated(meltingtoofSupsucer-Earthresultscience:ScenariosFirstlypressurejecttration,erewhetherepresultsotenmotiallyhigh-resolutionhabitablethe(i.e.,calculatedlife-bestigateearing)couldexoplanetsremotelyex-scenariosist,discerned.secondlysho,spwhethernotthetoatmospheressurfaceofatmosphericsuctrast,hectroscopexoplanetscouldcouldharacterizedbbeectroscopicin581vplannedestigatedatorysptheectroscopicallySpacefromshoEarth.theInsignalsorderhtoeakaddressfortheseHoquestions,inaitone-dimensionalwncomputerdmorstdeloutsideforconrmingplanetarytatmospheresCOw),assurfacedeveratureselopereed,thanextensivKelyptested,tvwalidatedhenceandhcom-scenariosparedintoconditions.otherwithpublishedsurfaceworork.COTheconcenmowdelfoundhasbthenuninhabitable.btheeenofappliedatmospherictodel,thetheticexoplanetspGlieseof581planetd.ereGlieseto581vdwhetherisconditionsabSupinferreder-EarthorandatmosphericcurrencouldtlyetheItonlyasknownwnemissionexoplanetectroscopwhicishwissuitedpinotenestigatetiallycon-habitable.orWithscenarios.theconatmosphericwithmospdel,yascenariosparameterbstudycwmashpetter.erformedspwheresignalstheGliesesurfaced,pressureonandspacetheservCOpThefromconcenJamestrationebbhaTveewbthateenexpvplanetaryaried.areItucwtoaswshotownwthatanfordetection.highwsurfaceer,pressuresthis(5orkbarwandshomorethatfor58195is%theCOpAbstracttiallyhabitableplanet,our20system,barvandrecenmorestudies.5%hDanksagungJoacZuarendieserwDoktorarbveitZwhabhinausenn?mlicsehrf?rvieledebuggenMenscbhenAbbtegrationeigetragen.daf?r,Manczuhehdieseren!Beitr?geunsw?nnen.arendabphfrohysikKasia,aliscgesch,eandere?bwiederumhenunphDenysikZeit-alisczuh.tWicPhhSel?uktigletztlicsindElternsiestolzalleangewmiserablenesen.praktiscZun?czwingenhsthm?sein,cm?hLebteLicicletztenhicmictohDank.b(fast)einFAucraugehProfessoreDr.hRauerTb(undedankterungen.undEs"bigwzuarenanf?rhen.micehtedreien,unglaublichhanspannendeeinaheJahreWinoihrerderAbteilung,hesogesprowguteohlwinputerprogrammfacKh-sielicesenherergessen.Hinsicwhhthalsicauctigstenhbpreundin,ers?nlicTh.ArbEsenwgeplanarf?rundokingisteaucoupihrhnieDanielegal,wwf?rasK?hlratenundhewiehabihredaf?rStudenBesonderertendar?barbBarbara,eiten,PwiebinsievetsiewzuasbaufscderhreibAufmenUnoenden,derkscpr?senundtierennicodendererlierenwdenoFsiezuihremeinerZukunftesternacbhcdemhStudiumbgestaltenwir-dodashatistkwunscihralle!wiceinhhertig,einfacda"Wirmiscdich"Wirtdir"siedenksich".horte,ein:ganzemIchen,hagenhabheneaucdadurcsieheinvielhgelerndertvund?nnen,meinencHorizondastheundzuTElterneller-da,randimmererwdaseiternmicd?rfen.zuvSoh.nahehanmicderwicvhenorderstenf?rFdankronestetLiebwissenscthaftlicSinnherkUnIntersucJahrenhzusammenungenundgewJetztesenbzuwsein,teuer.hatwmirMercisehrdziviel6bt....vielenedeutet.Ste,VielenundDank.himFarenernerimmerm?DiskussionencerhundteumeriscicInhzumicen.hhbherzliceiDank.denDankwteiterenerMitgliedernanderMareikPr?fungskundommission,ascal.HerrndreienProf.icDr.zutiefstD?hneerbundenunddassHerrnjedenProf.ag,Dr.jedemSedlmapunkt,yr,ereitdaf?rinbLage!!)edankaren,en,undassundsieterst?tzungsicsphErfolgedieR?cZeithl?gef?rteilendiesedasArbpicture"eithundausihreAugenBegutacvh-tunghgenommenSpa?habderen.reude,FysikraumacDr.BeiTitz-WSceiderwundUlrikHerrundDr.eiEriksonm?dankheicicmichdaf?rf?redankdasdassKesorrekturlesenhundcdiegescKhabommenGl?ctarehzumunsTMeinenextgeb?hrtundbzumunendliclogiscDankhendieAufbauhendesselborteen.sindDr.aufBeateh"Pderatzer,freuenDr.mitJuanoCabrera"WirundenDr.dicJ.EinfacLeeWGrenfelldie,habonenHerzenaucchausim-TmerwiederwiedermacKkommenUndtare,hAnregungen,ennKritikreingehabthundCom-damitnicnicthotzurgesparton-ergenzwkederhelfenamdoAnfanghderei,ArbWeittlicvnicortdreivJahren,MeinenowcimmerhundinerdendendaletztenundWmacotchhen,undTersicagentlicundZuletztsogarcStunden.teUndhobhweimohlhdasMenscmancmeineshmalensballeseie-miren:denbvFerzwgro?eeifel-e,tenhEindrucimkunnel,erwundececkte,dieseralseit.seidendasdreiZielhabnowircvielhhatLicvielht.tjahrebinenhtfernereitt,dashatahreesendoLocfor-hardimmensit.geholfen.bDennundmeistensekujhattenbardzo.sieRec3.3Con.ten.ts.1atmosphereIn.tro.duction.16Solving1.1.Motiv.ation......................35.......3.2...Con...transfer.............y........16escap1.24.3.1Scien.tic.In.terest.in4.3.4Sup.er-Earths....................30..............16.1.3.Historical.bac3.5kground......atmospheres.................arameter...........ux.....4.3.3......17hange1.3.1.Astronom4.4y.and.astroph.ysics7.....transp.............29.ection..........17.1.3.2RadiativAstrobiology.and.the.searc.h.for.lifeof.............32.equations........18.1.4.Presenoft.status........4.Sup.4.1.................4.2...............4.3.for........18temp1.4.1.Detection.of.planets....Critical.............orbit.............for.critical......18.1.4.2.A.tmospheres.of.exoplanets..............28.Energy.ort................21.1.4.3.Astrobiology......3.2.1.v...........................3.2.2.e............21.1.5.Key.questions....31.Equations.state...........................3.4.the..................21.1.6.Outline.of32theStructurethesisan.....................33.Stabilit.of.er-Earth.34.Aim................24.2.Aim.of.this.w.ork.25.2.134PreviousAssumptionsw.ork.on.Sup.er-Earth.atmospheres..................34.P.study.atmospheric25e2.2.Impro.v.ed.mo.deling.approac35hCritical.erature.....................4.3.2.XUV..............26.2.3.Questions.to.b36eCriticaladdressed........................37.Examples.c.of.orbits..........26393ConclusionsIn.tro.duction.to.atmospheric.ph.ysics.28.3.1.Hydrostatic.equilibrium.and.mass.conserv.ation40..2
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.delConclusions44.5.1.Mo.del.requiremen.tsand.....parameters...Eect.....99.sc.erature...of...e...studies.....deling...CO.......7.344Inuence5.2.Choice:.1D.movdel....data...................95.......for.O.....8.2.4.99.......101..44conditions5.3moChoice:conditionsStationary.radiativInuencee-con.vInuenceectiv.e.mo83del......input...Inuence.....7.4.2....45.5.4.Choice:.Stand-aloneRunsclimate.mo.deling..Results.............impro.duction.......Consisten....45A5.5carbMo95delabsorptionlimitations....uum.....and...mo...teractiv.....for...........,.n.in.81.b.......8246initial5.6.Mo.del82advtimean.tages........Inuence.grid.........7.4.e.......87.sp...........of.......7.546.6.Mo.del.description.47.6.189In.tro.duction.of.atmospheric.mo.del..89.comparativ.......90...............94.mo.emen47In6.2.Basic.c.haracteristics.of.the.climate.mo95delatmospheric.........95.IR.ater.dio...H.tin....48.6.3.Calculation97ofcontemp.erature.and.w.ater.prolescapacit.yleigh.....Application.to.er-Earths...8.3.1.surface..50.6.4.Radiativ.eFluxtransfervin.the.mo.del............78.Boundary.initial.and.umerical.heme.the.del.7.3.1.of.oundary....54.6.4.1.Stellar.radiation....7.3.2.of.temp.conditions.........7.3.3.of.step.....................7.3.456of6.4.2erticalThermal.molecular.absorption..............84.Inuence.radiativ.transfer.details........59.6.4.3.Thermal7.4.1conoftinectraluum.absorption................87.Inuence.broadening........62.6.5.Con88vComparativectionstudiesin.the.mo.del..................7.5.1..........................63.6.6.A7.5.2tmosphericfromweater.prole............7.6..............................6586.7ofBoundarydelconditions,vinitialtsv8.1aluestroand.parameters...............66.6.7.1.A.djusting.of.the.mo8.2deltsurfacemoalb.edo................8.2.1.dditional.bands.w67and6.7.2onNewxidestellar.input.sp8.2.2ectraof.con.uum...................8.2.3.Choice.tin.absorption......68.7.V.alidation.and.tests98moHOofheattheyclimateRamoscatteringdel.76.7.1.V.alidation8.3ofofthedelH(hot5cold)SupO.con.tin.uum99formInulatione.pressure.................8.3.276criterion7.2conVectionalidation.of.IR.radiativ.e.transfer.sc.heme..8.2
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..ersion.ectra.Escap.zone.....152...135................102.8.4.1.New.binary.sp.ecies.parameter................A...with.Assessing.c......102.8.4.2yExtended.grid.p.oin10.1ts.for147k.distributionsaround.Outlo................105.8.5.Conclusions....A.2.....Expanded.....GL...oundary.132.......ectra.....9.10.2.....................and106.9.Case.study:.Theedplanetary.system.around10.1.2Gliese.581.107.9.1.In.tro.ductiondel...........150.Thermal.......Jeans.......escap.............atmospheric..............107.9.2.The9.9.2planetarystudiessystemdGL.581131.outer.the...Sp.............Emission.............ransmission..109.9.2.1.Main.prop.erties9.10.3of.the.star.GL.581....9.11...............10.ok..109.9.2.2.Prop.erties.of.the.planet.GLImpro581deld..........planetary.581.....148........111.9.3.Mo.del.scenarios10.2.1.........................A.151.e.............151.e........112.9.3.1.AHydrotmospheric.prop.erties......A.1.3...............actors.e.......155.comp....112.9.3.2.Summary155of.mo.del.calculations....156.....130.Comparison.other.of.581.........9.9.3113the9.4bResults:ofThehabitablelo.w.CO9.10rangeectralcaseharacterization.......................9.10.1.sp................115.9.5.Results:.The137mediumTCOspapplication.case..................141.Detectabilit................117.9.6.Results:.The.high144COConclusionsdel.case..........................145.Summary.Outlo.147.Summary......123.9.7.Similarit.y.of.temp.erature.proles.for.dense.CO.mo.-ric10.1.1hvatmospheresmo125v9.8.Inuence.of.radiativ.e.transfer.details.on.GL.581147dTheresultssystem.GL......128.9.8.1.Eect.of10.2HokBroader.O.con.tin.uum......................149.Mo............128.9.8.2.Eect.of.CO.8.4...10.2.2.scenarios149conPlanetarytin.uum....................A.tmospheric.e.A.1.escap........128.9.8.3.Eect.of.line.mixing..........A.1.1.escap...........................A.1.2129dynamic9.9eImplications.for.habitabilit.y............153.Dragging..........................1291559.9.1FEectaectingofescapin.tro.duced.mo.del.impro.v.emen.tsA.2.1fortmospherictheositionhabit-.abilit.y.of.GL.581.d......A.2.2.exospheres.....................9.eectsA.2.3.Ro.c.he.lob.e.eectA.2.4.............157.Tidal...........................10156