Variações na composição atmosférica devido a mudanças no estado redox do manto

A constituição interna dos exoplanetas rochosos é inferida indiretamente através de sua composição atmosférica. A confiança nessa inferência necessita do acoplamento de modelos do interior e atmosféricos. No passado, diversos modelos de redistribuição atmosférica foram desenvolvidos para determinar a composição das atmosferas exoplanetárias variando a abundância de elementos, temperatura e pressão (Woitke et al., 2021). No entanto, esses modelos negligenciam o fato de que as atmosferas atuais foram formadas por meio de desgasificação vulcânica e, consequentemente, as abundâncias de elementos são limitadas pelos processos termodinâmicos que acompanham a ascensão do magma e a liberação de voláteis. Aqui combinamos a desgasificação vulcânica com um modelo de química atmosférica para simular a evolução de atmosferas de C-H-O-N-S em equilíbrio térmico abaixo de 600 K. Esses voláteis podem ser armazenados em quantidades significativas em magmas basálticos e são as espécies mais comumente desgasificadas. Nosso modelo calcula possíveis composições atmosféricas variando a fugacidade de oxigênio, temperatura de fusão e de superfície, e abundâncias de voláteis, considerando a solubilidade de fase, processos atmosféricos (por exemplo, condensação de água, fuga de hidrogênio), a mudança nas condições redox causada pela atividade vulcânica e a influência das atmosferas existentes na desgasificação adicional. Nossas descobertas indicam que o tipo atmosférico predominante abaixo de 600 K geralmente consiste em CO2, N2, CH4 e, dependendo da temperatura, H2O. Além disso, ilustramos que a pressão atmosférica evolutiva e a composição dependem significativamente da fugacidade de oxigênio do magma devido ao seu impacto na especiação gasosa e solubilidade. Condições reduzidas geram atmosferas dominadas por H2, NH3, CH4 e H2O, com pressões atmosféricas extremamente baixas. Em contraste, condições oxidantes resultam em atmosferas compostas por H2O, CO2, N2 e CH4 limitado, acompanhadas por altas pressões atmosféricas. Gases sulfurados surgem predominantemente em temperaturas de superfície mais altas, manifestando-se como S2 ou H2S sob baixos estados redox do manto e como SO2 sob altos estados redox do manto. Notavelmente, O2 não é gerado abióticamente, pois carbono ou hidrogênio suficientes permanecem disponíveis para formar H2O, CO ou CO2. Portanto, a formação de atmosferas dominadas por O2 exigiria uma fotodisociação excessiva de H2O ou CO2 (Chang et al., 2021), um fenômeno provavelmente comum em planetas que orbitam estrelas anãs M. Além de destacar a inferência indireta da constituição interna de exoplanetas rochosos através de sua composição atmosférica, demonstramos que magmas reduzidos podem se oxidar via desgasificação de H2 e CO, enquanto magmas oxidados podem passar por redução através da desgasificação de SO2. Além disso, concluímos que a profundidade da região fonte do magma e o tamanho do planeta influenciam significativamente as composições atmosféricas devido à variação da dependência de pressão das solubilidades das espécies desgasificadas.