海洋行星的大气多样性——一维辐射-对流平衡模型

摘要 鉴于观测到的凌星系外行星数量不断增加，本研究探讨了拥有水海洋的系外行星在大气成分方面的潜在多样性。本研究探索了几种大气构型，包括由 H2、He、N2 主导的大气以及含有水蒸气的混合背景大气。这些大气的一个关键特征是 Komabayashi-Ingersoll (KI) 极限，该极限限制了平流层的射出长波辐射 (OLR)，并确立了受大气压力和分子量影响的上限。利用灰体大气的一维辐射-对流平衡模型，我们检验了 OLR 与地表温度 Ts 之间的关系。我们发现，对于 H2 和 He 大气，OLR 最初随着 Ts 增加，达到一个平台期，随后下降，然后上升至次级阈值。我们的分析表明，在不同大气成分中观察到的这种独特的 OLR 行为受两个关键极限支配：KI 极限和 Simpson-Nakajima (SN) 极限。KI 极限取决于大气压力和分子量，而 SN 极限主要由水蒸气浓度决定，与其他大气成分无关。值得注意的是，He 主导的大气的 KI 极限低于适用于 H2 主导大气的 SN 极限。我们分别推导出了 KI 极限和 SN 极限的极限值公式。这项研究强调了大气成分和平流层 OLR 在决定系外行星宜居性方面的关键作用。