Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Температура планетарного равновесия - это теоретическая температура, при которой планета была бы черным телом , нагреваемым только своей родительской звездой . В этой модели присутствие или отсутствие атмосферы (и, следовательно, любой парниковый эффект ) не имеет значения, поскольку равновесная температура рассчитывается исключительно на основе баланса падающей звездной энергии .

Другие авторы используют другие названия для этой концепции, такие как эквивалентная температура черного тела планеты [1] или эффективная температура излучения планеты. [2] Планетарная равновесная температура отличается от средней глобальной температуры и температуры приземного воздуха , которые измеряются наблюдениями с помощью спутников или наземных инструментов , и может быть выше равновесной температуры из-за парникового эффекта. [3] [4]

Расчет равновесной температуры [ править ]

Представьте планету, вращающуюся вокруг своей звезды. Звезда изотропно излучает излучение , и некоторая часть этого излучения достигает планеты. Количество радиации, достигающей планеты, называется падающей солнечной радиацией . Планета имеет альбедо, которое зависит от характеристик ее поверхности и атмосферы, и поэтому поглощает только часть излучения. Планета поглощает излучение, не отраженное альбедо, и нагревается. Можно предположить, что планета излучает энергию как черное тело при некоторой температуре в соответствии с законом Стефана – Больцмана.. Тепловое равновесие существует, когда мощность, поставляемая звездой, равна мощности, излучаемой планетой. Температура, при которой возникает этот баланс, является планетарной равновесной температурой. [4] [5] [6]

Вывод [ править ]

Солнечный поток, поглощаемый планетой от звезды, равен потоку, излучаемому планетой: [4] [5] [6]

Если предположить, что часть падающего солнечного света отражается в соответствии с планетой Bond альбедо , :

где представляет собой средний по площади и времени падающий солнечный поток и может быть выражен как:

Фактор 1/4 в приведенной выше формуле происходит из того факта, что в любой момент времени освещается только одно полушарие (создает коэффициент 1/2), и из интегрирования по углам падающего солнечного света на освещенное полушарие (создавая еще один коэффициент 1/2). [6]

Если предположить, что планета излучает черное тело в соответствии с законом Стефана – Больцмана при некоторой равновесной температуре , баланс поглощенного и исходящего потоков дает:

где - постоянная Стефана-Больцмана .

Преобразование приведенного выше уравнения для нахождения равновесной температуры приводит к:

Расчет для внесолнечных планет [ править ]

Для планеты вокруг другой звезды (падающий звездный поток на планету) не является легко измеряемой величиной. Чтобы найти равновесную температуру такой планеты, может быть полезно аппроксимировать излучение родительской звезды также как черное тело, например:

Светимость ( ) звезд, которая может быть измерена по наблюдениям звезды видимого блеска , [7] может быть записана как:

где поток умножен на площадь поверхности звезды.

Чтобы найти падающий звездный поток на планету, на некотором орбитальном расстоянии от звезды, можно разделить на площадь поверхности сферы радиуса : [8]

Подсоединение этого к общему уравнению для планетарной равновесной температуры дает:

Если светимость звезды известна из фотометрических наблюдений, другие оставшиеся переменные, которые необходимо определить, - это альбедо Бонда и орбитальное расстояние планеты. Бонд альбедо экзопланет может быть ограничен потока измерений пролетных экзопланет , [9] и в дальнейшем может быть получен из прямых изображений экзопланет и преобразование из геометрического альбедо . [10] Орбитальные свойства планеты, такие как орбитальное расстояние, можно измерить с помощью измерений лучевой скорости и периода прохождения. [11] [12]

В качестве альтернативы планетарное равновесие можно записать в терминах температуры и радиуса звезды:

Предостережения [ править ]

Равновесная температура не является ни верхней, ни нижней границей фактических температур на планете. Существует несколько причин, по которым измеренные температуры отклоняются от прогнозируемых равновесных температур.

Парниковый эффект [ править ]

Из-за парникового эффекта , когда длинноволновое излучение, излучаемое планетой, поглощается и повторно излучается на поверхность определенными газами в атмосфере, планеты со значительной парниковой атмосферой будут иметь температуру поверхности выше, чем равновесная температура. Например, у Венеры есть равновесная температура приблизительно 260 K, но температура поверхности 740 K. [13] [14] Точно так же у Земли есть равновесная температура 255 K (-18 ° C; -1 ° F), [ 14], но температура поверхности около 288 К [15] из-за парникового эффекта в наших нижних слоях атмосферы. [5] [16]

Безвоздушные тела [ править ]

На безвоздушного органов, отсутствие какого - либо значительного парникового эффекта позволяет равновесные температуры подходить средние температуры поверхности, как и на Марсе , [5] , где равновесная температура составляет 210 К , а средняя температура поверхности излучения составляет 215 К. [6] Есть большие колебания температуры поверхности в пространстве и времени на безвоздушных или почти безвоздушных телах, таких как Марс, дневные колебания температуры поверхности которого составляют 50-60 К. [17] [18]Из-за относительной нехватки воздуха для переноса или сохранения тепла возникают значительные колебания температуры. Если предположить, что планета излучает как черное тело (то есть в соответствии с законом Стефана-Больцмана), колебания температуры переходят в вариации излучения, на этот раз в степени 4. Это важно, потому что наше понимание планетарных температур основано не на прямом измерении температур. , а по измерениям потоков. Следовательно, чтобы получить значимую среднюю температуру поверхности на безвоздушном теле (для сравнения с равновесной температурой), рассматривается глобальный средний поток эмиссии с поверхности, а затем вычисляется `` эффективная температура эмиссии '', которая могла бы произвести такой поток. . [6] [17]Тот же процесс может потребоваться при рассмотрении температуры поверхности Луны , которая имеет равновесную температуру 271 К [19], но может иметь температуру 373 К днем ​​и 100 К ночью. [20] Опять же, эти колебания температуры являются результатом плохого переноса и удержания тепла в отсутствие атмосферы.

Потоки внутренней энергии [ править ]

Орбитальные органы также могут быть нагреты приливного нагрева , [21] геотермальной энергии , которая приводится в движение в результате радиоактивного распада в ядре планеты, [22] или аккреционный нагрева. [23] Эти внутренние процессы приведут к тому, что эффективная температура (температура черного тела, которая производит наблюдаемое излучение от планеты) будет выше, чем равновесная температура (температура черного тела, которую можно было бы ожидать только от солнечного нагрева). [6] [16] Например, на Сатурне эффективная температура составляет примерно 95 К, по сравнению с равновесной температурой примерно 63 К. [24] [25]Это соответствует соотношению между излучаемой мощностью и полученной солнечной энергией ~ 2,4, что указывает на значительный внутренний источник энергии. [25] Юпитер и Нептун имеют отношение излучаемой энергии к полученной солнечной энергии 2,5 и 2,7, соответственно. [26] Тесная корреляция между эффективной температурой и равновесной температурой Урана может рассматриваться как свидетельство того, что процессы, производящие внутренний поток, на Уране незначительны по сравнению с другими планетами-гигантами. [26]

См. Также [ править ]

  • Эффективная температура
  • Тепловое равновесие

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Wallace & Hobbs (2006) , pp. 119–120.
  2. ^ Стулл, Р. (2000). Метеорология для ученых и инженеров. Технический компаньон с «Метеорологией Аренса сегодня» , Brooks / Cole, Belmont CA, ISBN  978-0-534-37214-9 ., P. 400.
  3. ^ Джин, Менглин; Дикинсон, Роберт Э (01.10.2010). «Климатология температуры поверхности суши: преимущества спутниковых наблюдений» . Письма об экологических исследованиях . 5 (4): 044004. Bibcode : 2010ERL ..... 5d4004J . DOI : 10.1088 / 1748-9326 / 5/4/044004 . ISSN 1748-9326 . 
  4. ^ a b c Лиссауэр, Джек Джонатан. (2013-09-16). Фундаментальная планетология: физика, химия, обитаемость . Де Патер, Имке, 1952-. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США. п. 90. ISBN 9780521853309. OCLC  808009225 .
  5. ^ a b c d Гуди, Ричард М. (1972). Атмосфера . Уокер, Джеймс К. Г. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. С.  46, 49 . ISBN 0130500968. OCLC  482175 .
  6. ^ a b c d e f Кэтлинг, Дэвид К. (2017). Эволюция атмосферы в обитаемых и безжизненных мирах . Кастинг, Джеймс Ф. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 34. ISBN 9780521844123. OCLC  956434982 .
  7. ^ «Абсолютная величина» . csep10.phys.utk.edu . Проверено 12 июня 2019 .
  8. ^ «Поток, яркость и яркость» . www.austincc.edu . Проверено 12 июня 2019 .
  9. ^ Коуэн, Николас Б .; Агол, Эрик (2011-03-01). «Статистика альбедо и рециркуляции тепла на горячих экзопланетах» . Астрофизический журнал . 729 (1): 54. arXiv : 1001.0012 . Bibcode : 2011ApJ ... 729 ... 54С . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 729/1/54 . ISSN 0004-637X . 
  10. ^ Cahoy, Керри L .; Марли, Марк С .; Фортни, Джонатан Дж. (20 ноября 2010 г.). «Спектры и цвета альбедо экзопланет как функция фазы планеты, разделения и металличности» . Астрофизический журнал . 724 (1): 189–214. arXiv : 1009.3071 . Bibcode : 2010ApJ ... 724..189C . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 724/1/189 . ISSN 0004-637X . 
  11. ^ Шателен, Джо. «Экзопланеты» (PDF) . Государственный университет штата Джорджия, физика и астрономия .
  12. ^ «Изучение экзопланет с Кеплером» (PDF) . Лаборатория реактивного движения НАСА .
  13. ^ "Информационный бюллетень Венеры" . nssdc.gsfc.nasa.gov . 23 декабря 2016 . Проверено 1 февраля 2017 .
  14. ^ a b «Равновесные температуры планет» . burro.astr.cwru.edu . Проверено 1 августа 2013 .
  15. ^ Наука, Тим Шарп 2018-04-23T19: 26: 00Z; Астрономия. "Какова средняя температура Земли?" . Space.com . Проверено 12 июня 2019 .
  16. ^ a b Лиссауэр, Джек Джонатан. (2013-09-16). Фундаментальная планетология: физика, химия, обитаемость . Де Патер, Имке, 1952-. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США. ISBN 9780521853309. OCLC  808009225 .
  17. ^ a b Хаберле, Роберт М. (2013). «Оценка мощности парникового эффекта Марса». Икар . 223 (1): 619–620. Bibcode : 2013Icar..223..619H . DOI : 10.1016 / j.icarus.2012.12.022 .
  18. ^ «Марс: Обзор температуры» . www-k12.atmos.washington.edu . Проверено 12 июня 2019 .
  19. ^ "Информационный бюллетень Луны" . nssdc.gsfc.nasa.gov . 1 июля 2013 . Проверено 1 августа 2013 .
  20. ^ "Какая температура на Луне?" . Space.com . 1 марта 2012 . Проверено 1 августа 2013 .
  21. ^ Стробел, Ник (12 марта 2013) [Последнее обновление: 12 декабря 2018]. «Большие спутники Юпитера» . Планетарная наука . Проверено 29 марта 2019 г. - через Astronomynotes.com.
  22. ^ Anuta, Джо (27 марта 2006). «Пробный вопрос: что нагревает ядро ​​Земли?» . Новости штата Пенсильвания .
  23. ^ "аккреционный нагрев" . Словарь наук о Земле . Encyclopedia.com . Проверено 1 августа 2013 .
  24. ^ Фортни, Джонатан Дж .; Неттельманн, Надин (2010). «Внутреннее строение, состав и эволюция планет-гигантов». Обзоры космической науки . 152 (1–4): 423–447. arXiv : 0912.0533 . Bibcode : 2010SSRv..152..423F . DOI : 10.1007 / s11214-009-9582-х . ISSN 0038-6308 . 
  25. ^ а б Ауманн, HH; Gillespie, CM, Jr .; Низкий, FJ (1969). «Внутренние мощности и эффективные температуры Юпитера и Сатурна». Астрофизический журнал . 157 : L69. Bibcode : 1969ApJ ... 157L..69A . DOI : 10.1086 / 180388 . ISSN 0004-637X . 
  26. ^ a b «6 - Температура равновесия» . lasp.colorado.edu . Проверено 12 июня 2019 .

Источники [ править ]

  • Fressin F, Torres G, Rowe JF, Charbonneau D, Rogers LA, Ballard S, Batalha NM, Borucki WJ, Bryson ST, Buchhave LA, Ciardi DR, Désert JM, Dressing CD, Fabrycky DC, Ford EB, Gautier TN 3rd, Henze CE, Holman MJ, Howard A, Howell SB, Jenkins JM, Koch DG, Latham DW, Lissauer JJ, Marcy GW, Quinn SN, Ragozzine D, Sasselov DD, Seager S, Barclay T, Mullally F, Seader SE, Still M, Твикен Дж. Д., Томпсон С. Е., Уддин К. (2012). «Две планеты размером с Землю на орбите Кеплера-20». Природа . 482 (7384): 195–198. arXiv : 1112,4550 . Bibcode : 2012Natur.482..195F . DOI : 10,1038 / природа10780 . PMID  22186831 .
  • Уоллес, JM; Хоббс, П.В. (2006). Наука об атмосфере. Вводный обзор (2-е изд.). Амстердам: Эльзевир. ISBN 978-0-12-732951-2.

Внешние ссылки [ править ]

  • Равновесная температура в Лаборатории атмосферной и космической физики Университета Колорадо
  • Энергетический баланс: простейшая модель климата
  • HEC: Exoplanets Calculator Содержит удобный калькулятор для расчета равновесной температуры планеты.