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URN: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37611
URL: http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2012/3761/

Stracke, Barbara

Modeling of terrestrial extrasolar planetary atmospheres in view of habitability

Modellierung von Atmosphären erdähnlicher extrasolarer Planeten im Hinblick auf Habitabilität

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Kurzfassung auf Englisch

The Habitable Zone (HZ) is generally defined as the orbital region
around a star, in which life supporting (habitable) planets can
exist. Taking into account that liquid water is a fundamental
requirement for the development of life as we know it, the HZ is
mainly determined by the stellar insolation, which is sufficient to
maintain liquid water at the planetary surface.
The aim of this thesis was to address two key scientific questions
about the inner boundary of the HZ: Firstly, where is the inner
boundary of the HZ located in the Solar System and in other stellar
systems, and secondly, is the runaway greenhouse effect important
for the determination of the inner boundary of the HZ?
To investigate the physical processes relevant for the determination
of the inner boundary of the HZ a one-dimensional
radiative-convective atmospheric model was improved, validated, and
tested to be able to answer the addressed questions. The feedback
processes for increased solar insolations between the surface
temperature and the greenhouse effect of water vapor on the boundary
of the inner HZ are calculated self-consistently.
With this atmospheric model the inner limit of the HZ is determined
self-consistently for the Solar System. Criteria for the inner
boundary of the HZ are the critical point of water and the loss of water
vapor due to atmospheric escape. The influence of specific parameters on
the inner boundaries of the HZ is investigated like e.g. the surface
albedo, relative humidity, and the size of the water reservoir. The
inner boundary of the HZ is also determined for different central
stars and compared to HZ scalings.
The occurrence of a runaway greenhouse for increased stellar
insolation and surface temperatures is determined by the application
of radiation limits of the outgoing infrared flux in previous
studies. If the stellar flux exceeds this radiation limit, the
surface temperature of the planetary atmosphere is assumed to
increase until all the liquid water available on the surface is
evaporated. It is shown in this study that the so-called
'tropospheric radiation limit', where the planetary outgoing
infrared flux approaches a constant value with increasing solar
insolation, is not a good criterion for the occurrence of a runaway
greenhouse effect. For the investigated model scenarios no runaway
greenhouse is approached, although a tropospheric radiation limit of
the outgoing infrared flux occurs. This is caused by enhanced
Rayleigh scattering of water for water dominated atmospheres, which
leads to a constant net shortwave flux for increasing insolation.
This constant net shortwave radiation flux is able to balance the
constant net infrared radiation flux and thus radiative equilibrium
is possible at the top of the atmosphere.

Kurzfassung auf Deutsch

Die Habitable Zone (HZ) ist allgemein definiert als der Bereich um
einen Stern, in der lebensfreundliche (habitable) Planeten
existieren können. Mit flüssigem Wasser als Grundvoraussetzung
für Leben wie wir es kennen, kann die HZ um einen Stern bestimmt
werden durch die Einstrahlung des Sterns, die ausreichend stark sein
muss, damit Wasser auf der Planetenoberfläche flüssig sein kann.
Ziel dieser Arbeit ist es, zwei Schlüsselfragen bezüglich der
inneren Grenze der HZ zu beantworten: Zum einen wo
befindet sich die innere Grenze der HZ im unserem Sonnensystem und
wo um andere Sterne und zum anderen inwieweit ist der
selbstverstärkende Treibhauseffect (runaway greenhouse effect)
wichtig für die Bestimmung der inneren Grenze der HZ.
Um die physikalischen Prozesse, die für die Bestimmung der inneren
Grenze der HZ relevant sind, zu untersuchen, wurden Verbesserungen
an einem eindimensional radiativ-konvektiven Atmosphärenmodell
vorgenommen. Die Rückkopplungsprozesse für erhöhte Einstrahlung
zwischen Oberflachentemperature und dem Treibhauseffekt von Wasser
werden nun selbstkonsistent berechnet.
Mit diesem Atmosphärenmodell wurde die inner Grenze der HZ
bestimmt, indem die stellare Einstrahlung erhöht und verschiedene
Modellszenarien selbstkonsistent berechnet wurden. Kriterien für
die Bestimmung der inneren Grenze der HZ sind, dass die
Oberflächentemperature den kritischen Punkt von Wasser erreicht
oder dass Wasserdampf durch atmosphärische Verlustprozesse verloren
wird. Die innere Grenze der HZ wurde für beide Kriterien bestimmt.
Des weiteren wurde der Einfluss von bestimmten Parametern auf die
innere Grenze untersucht, wie zum Beispiel die Oberflächenalbedo,
die relative Feuchte und die Größe des Wasserreservoirs. Zudem
wurde die innere Grenze auch für andere Zentralsterne bestimmt und
mit HZ-Skalierungen verglichen.
Das Auftreten eines selbsverstärkenden Treibhauseeffektes für
erhöhte Einstrahlung und Oberflächentemperaturen wird in vielen
früheren Studien durch die Anwendung von Grenzwerten für den
infraroten Strahlungsfluss bestimmt. Wenn die Einstrahlung des
Sterns höher ist als dieser Grenzwert, wird angenommen, dass die
Oberflächentemperatur so stark ansteigt, dass das gesamte
Wasserreservoir verdampft wird. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass
dieser Grenzwert für die infrarote Strahlung kein gutes Kriterium
ist, um zu bestimmen, ob ein selbstverstärkender Treibhauseffekt
auftritt. Der Grund hierfür ist, dass bei den untersuchten
Modelszenarien für erhöhte stellare Einstrahlung kein
selbstverstärkender Treibhauseffekt erreicht wird, obwohl ein
konstanter Grenzwert für den ausgehenden infraroten Strahlungsfluss
auftritt. Dies ist bedingt durch den Effekt der Rayleigh-Streuung
von Wasserdampf für wasserdominierte Atmosphären, was zu einem
konstanten kurzwelligen Nettostrahlungsfluss führt. Dieser konstante
kurzwellige Strahlungsfluss kann den konstanten ausgehenden infrarot
Strahlungsfluss an der oberen Grenze der Atmosphäre ausgleichen,
und damit ist globales Strahlungsgleichgewicht möglich.

Freie Schlagwörter (Deutsch): Extrasolare Planeten , Atmosphäre n , Habitabilität , Habitable Zone
Freie Schlagwörter (Englisch): Extrasolar planets , atmospheres , habitability , habitable zone
Institut: Zentrum für Astronomie und Astrophysik
Fakultät: Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Astronomie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Rauer, Heike (Prof.Dr.rer.nat.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.07.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 05.12.2012
Lizenz: Minimallizenz mit PoD (Print-on-Demand): Typ Dissertation