太陽系外地球型水惑星の表層環境進化に関する理論的研究

太阳系外类水行星表面环境演化的理论研究

基本信息

批准号：
15J01965
负责人：
門屋辰太郎
金额：
$ 1.09万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J01965/
关键词：
系外惑星炭素循環ハビタブルゾーン気候進化

项目摘要

本研究の目的は，惑星の熱進化に伴う二酸化炭素脱ガス率の変化と，中心星の光度進化に基づいて，地球型水惑星の気候進化，特に地球型水惑星がハビタブルである継続期間を明らかにすることである．本年度は，中心星のスペクトル型が地球型水惑星の気候進化に与える影響を検討した．長波長の放射は惑星大気や水氷に吸収されやすいため，低温な星周りの地球型水惑星のほうが高温な星周りの地球型水惑星に比べ，日射量がより低い場合でも温暖な気候を維持できると考えられてきた．炭素循環の影響を考慮した場合にも低質量星周りのほうが温暖気候を維持しやすいという傾向は同様であり，特にハビタブルゾーン内縁部（i.e., 日射量が高い場合）では，低質量星周りの地球型水惑星のほうが，温暖な気候から全球凍結に遷移する臨界の二酸化炭素脱ガス率が低いことが確認された．一方，ハビタブルゾーン外縁部（i.e., 日射量が低い場合）では，炭素循環の持つ負のフィードバックの影響で大気中の二酸化炭素分圧が大きくなる．こうした高二酸化炭素分圧大気においては，大気の光学的厚さが厚くなり，中心星放射の吸収に対する地表面アルベドの影響が低下するため，中心星放射のスペクトルの違いによって生じる正味中心星放射量の差は小さくなる．その結果，ハビタブルゾーン外縁部では，中心星質量の違いによる臨界二酸化炭素脱ガス率の違いは小さいことがわかった．前年度までの成果と併せると，地球型水惑星が温暖な気候を維持できる期間は，中心星のスペクトル型や質量（i.e., 光度進化のタイムスケール）の影響を受けず，典型的に約40億年程度であるということがわかった．こうした成果から，今後の系外惑星観測において地球に類似した温暖な惑星を見つけるためには，軌道要素だけではなく，惑星系の年齢を考慮し，特に若い惑星系に注目することが必要であると考えられる．

这项研究的目的是阐明基于与行星热演化和中央恒星的光度演化相关的二氧化碳脱氧速率的变化，阐明陆地水生星球的气候演化，尤其是陆生水上行星的宜居持续时间。今年，我们研究了中央恒星光谱类型对陆地水生星球气候进化的影响。由于长波长的辐射更有可能被行星的大气以及水和冰所吸收，因此人们认为即使太阳辐射低于太阳辐射低于热星周围的地球型水行星，地球型水行星也可以保持温暖的气候。考虑到碳循环的影响，这种趋势与低质量恒星周围的趋势更可能保持温暖的气候。已经证实，关键的二氧化碳脱氧速率，尤其是在宜居区的内边缘（即，当太阳辐射较高时）在低质量恒星周围的地球式水上行李箱上较低，这从温暖气候过渡到全球冰冻。另一方面，在宜居区的外边缘（即，当太阳辐射的量较低时），由于碳循环引起的负反馈，大气中二氧化碳的部分压增加了。在如此高的二氧化碳部分压力气氛中，大气的光厚度变得更厚，并且地面反照率对中央恒星辐射的吸收的影响减少了，从而导致净中心星形辐射量的差异很小，这是由于中心星辐射光谱差异引起的。结果，发现由于可居住区外边缘的中央恒星质量差异，关键二氧化碳脱氧率的差异很小。结合到上一年的结果，发现在陆地水上球星可以维持温暖气候的时期不受中央恒星的光谱类型或质量的影响（即，亮度演变的时间表），通常约为40亿年。基于这些结果，人们认为，为了在未来的系外行星观测中找到类似于地球的温暖行星，有必要考虑行星系统的时代，不仅是轨道元素，而且还要考虑行星系统的时代，尤其是关注年轻的行星系统。