Блог

Jul 26, 2023

SO2, полученный фотохимическим путем в атмосфере WASP

Природа том 617, стр.

Nature, том 617, страницы 483–487 (2023 г.) Процитировать эту статью

3391 Доступов

2 цитаты

20 Альтметрика

Подробности о метриках

Фотохимия — фундаментальный процесс планетарных атмосфер, который регулирует состав и стабильность атмосферы1. Однако однозначных фотохимических продуктов в атмосферах экзопланет пока не обнаружено. Недавние наблюдения в рамках научной программы раннего выпуска сообщества транзитных экзопланет JWST2,3 обнаружили особенность спектрального поглощения на длине волны 4,05 мкм, возникающую из-за диоксида серы (SO2) в атмосфере WASP-39b. WASP-39b — газовая гигантская экзопланета с радиусом 1,27 Юпитера и массой Сатурна (0,28 МДж), вращающаяся вокруг звезды типа Солнца с равновесной температурой около 1100 К (ссылка 4). Наиболее вероятный способ генерации SO2 в такой атмосфере — фотохимические процессы5,6. Здесь мы показываем, что распределение SO2, рассчитанное с помощью набора фотохимических моделей, надежно объясняет спектральную особенность 4,05 мкм, выявленную в результате наблюдений пропускания JWST7 с помощью NIRSpec PRISM (2,7σ)8 и G395H (4,5σ)9. SO2 образуется в результате последовательного окисления радикалов серы, освобождающихся при разрушении сероводорода (H2S). Чувствительность характеристики SO2 к обогащению атмосферы тяжелыми элементами (металличность) позволяет предположить, что ее можно использовать в качестве индикатора свойств атмосферы, при этом WASP-39b демонстрирует предполагаемую металличность примерно в 10 раз большую солнечную. Далее мы отмечаем, что SO2 также демонстрирует наблюдаемые особенности в ультрафиолетовом и тепловом инфракрасном диапазонах волн, недоступные из существующих наблюдений.

JWST наблюдала WASP-39b в рамках своей научной программы раннего выпуска сообщества транзитных экзопланет (ERS Program 1366) с целью объяснить состав ее атмосферы2,3. Данные режимов приборов NIRSpec PRISM и G395H показали отчетливую особенность поглощения в диапазоне от 4,0 до 4,2 мкм с максимумом около 4,05 мкм, которую модели атмосферного радиационного, конвективного и термохимического равновесия не могли объяснить с помощью металличности и значений C/O, обычно предполагаемых для газа. планеты-гиганты (1–100× солнечных и 0,3–0,9 соответственно8,9). После исключения приборной систематики и звездной переменности тщательный поиск газов показал, что SO2 является многообещающим кандидатом с наиболее подходящим свойством поглощения (см. «Методы»), хотя в анализе использовались специальные спектры с введенным SO2.

Сера имеет некоторое химическое сходство с кислородом, но уникальным образом образует различные соединения с широким диапазоном степеней окисления (от –2 до +6 (ссылка 10)). Хотя SO2 повсеместно выделяется и связан с вулканизмом на земных мирах (например, на Земле, Венере и спутнике Юпитера Ио), на газовых гигантах источник SO2 принципиально иной. В условиях термохимического равновесия сера существует главным образом в восстановленной форме, так что H2S является основным резервуаром серы в газовом гиганте с преобладанием водорода и гелия11,12,13,14. При температуре WASP-39b равновесное соотношение смешивания SO2 в наблюдаемой части атмосферы составляет менее примерно 10–12 для 10-кратной солнечной металличности и менее примерно 10–9 даже для 100-кратной солнечной металличности (см. Расширенные данные). Рисунок 1). Это равновесное содержание SO2 на несколько порядков меньше, чем значения, необходимые для получения спектральной особенности, наблюдаемой с помощью JWST (объемные коэффициенты смешивания (VMR) 10-6–10-5)8,9. Напротив, под воздействием ультрафиолетового (УФ) облучения SO2 может окисляться из H2S в виде фотохимического продукта. Радикалы H и OH, образующиеся в процессах фотолиза, играют ключевую роль в высвобождении радикалов SH и атомарной S из H2S и их последующем окислении до SO и SO2. Хотя предыдущие исследования фотохимического моделирования показали, что таким образом в богатых водородом атмосферах экзопланет может образовываться значительное количество SO25,6,13,15,16, степень, в которой такая модель может воспроизвести текущие наблюдения WASP-39b, осталась непроверенной.

Мы выполнили несколько независимых одномерных расчетов фотохимической модели WASP-39b без облаков с использованием кодов ARGO, ATMO, KINETICS и VULCAN (подробности модели см. в разделе «Методы»). Все модели включали кинетические химические сети серы и запускались с использованием одних и тех же вертикальных профилей температуры и давления утренних и вечерних терминаторов, взятых из трехмерного атмосферного моделирования WASP-39b с моделью общей циркуляции Exo-FMS (GCM)17 (см. рис. расширенных данных). 2). Номинальные модели предполагали металличность в 10 раз солнечную (ссылка 18) с солнечным соотношением C/O 0,55, тогда как мы исследовали чувствительность к свойствам атмосферы.