Екзометеорологія — це вивчення атмосферних умов екзопланет та інших незоряних небесних тіл за межами Сонячної системи, таких як коричневі карлики. Різноманітність можливих розмірів, складів та температур екзопланет (і коричневих карликів) призводить до подібної різноманітності теоретичних атмосферних умов. Однак технологія виявлення екзопланет лише нещодавно стала розвиненою достатньо, щоб дозволити пряме спостереження атмосфер екзопланет, тому наразі існує дуже мало даних спостережень про метеорологічні коливання в цих атмосферах.
Теоретичні основи та основи спостережень
Моделювання та теоретичні основи Кліматичні моделі використовуються для вивчення клімату Землі з 1960-х років, а інших планет Сонячної системи — з 1990-х років. Після відкриття екзопланет ці ж моделі були використані для дослідження клімату таких планет, як Проксима Центавра b та (нині спростована) Gliese 581g. Ці дослідження моделювали атмосферний тиск та склад, необхідні для підтримки рідкої води на поверхні кожної земної екзопланети, враховуючи їхні орбітальні відстані та періоди обертання. Кліматичні моделі також використовувалися для вивчення можливих атмосфер гарячого Юпітера HD 209458b, гарячого Нептуна GJ 1214b та Кеплер-1649b, теоретичного аналога Венери.
Ці моделі припускають, що екзопланета, про яку йде мова, має атмосферу, щоб визначити її клімат. Без атмосфери єдині коливання температури на поверхні планети були б зумовлені інсоляцією від її зоріAllain, Rhett (2023-02-03). «What Would Earth's Temperature Be Like Without an Atmosphere?». Wired. ISSN 1059-1028. Retrieved 2023-03-25. та ймовірність того, що планета буде припливно-замкнена. Крім того, основні причини такої погоди — тиск повітря та різниця температур повітря, які зумовлюють вітри та рух повітряних мас — можуть існувати лише в середовищі зі значною атмосферою, на відміну від розрідженої та, отже, досить статичної атмосфери, як у Меркурія. Таким чином, існування екзометеорологічної погоди (на відміну від космічної погоди) на екзопланеті залежить від того, чи має вона взагалі атмосферу.
Нещодавні відкриття та основи спостережень Першою спостережуваною атмосферою екзопланети була атмосфера HD 209458b, гарячого Юпітера, що обертається навколо зірки G-типу, подібної за розміром і масою до Сонця. Її атмосферу було виявлено за допомогою спектроскопії; під час проходження планети повз свою зорю її атмосфера поглинала частину світла зорі, згідно з виявленим спектром поглинання натрію в атмосфері планети. Хоча наявність натрію пізніше була спростована, це відкриття проклало шлях для спостереження та вимірювання атмосфер багатьох інших екзопланет.
Нещодавно спостерігалися атмосфери земних екзопланет; у 2017 році астрономи за допомогою телескопа Європейської південної обсерваторії (ESO) у Чилі виявили атмосферу на екзопланеті розміром із Землю Gliese 1132 b.
Однак вимірювання традиційних метеорологічних варіацій в атмосфері екзопланети, таких як опади або хмарність, є складнішим, ніж спостереження лише за атмосферою, через обмежену роздільну здатність сучасних телескопів. Проте, деякі екзопланети демонстрували атмосферні варіації при спостереженні в різний час та інші свідчення активної погоди. Наприклад, міжнародна команда астрономів у 2012 році спостерігала варіації швидкості виходу водню з атмосфери HD 189733 b за допомогою космічного телескопа ГабблLecavelier des Etangs, A.; Bourrier, V.; Wheatley, P. J.; Dupuy, H.; Ehrenreich, D.; Vidal-Madjar, A.; Hébrard, G.; Ballester, G. E.; Désert, J.-M.; Ferlet, R.; Sing, D. K. (July 2012). «Temporal variations in the evaporating atmosphere of the exoplanet HD 189733b». Astronomy & Astrophysics. 543: L4. arXiv:1206.6274. Bibcode:2012A&A…543L…4L. doi:10.1051/0004-6361/201219363. S2CID 54546633. або просто швидкості глобально циркулюючих вітрів на тій самій планетіLouden, Tom; Wheatley, Peter J. (25 November 2015). «SPATIALLY RESOLVED EASTWARD WINDS AND ROTATION OF HD 189733b». The Astrophysical Journal. 814 (2): L24. arXiv:1511.03689. Bibcode:2015ApJ…814L..24L. doi:10.1088/2041-8205/814/2/L24. S2CID 54038139..
В свою чергу комп'ютерне моделювання HD 80606b передбачає, що раптове збільшення інсоляції, яку вона отримує в періастроні, породжує ударно- подібні вітрові бурі, які відлунюють навколо планети та розподіляють раптовий приплив теплаLangton, Jonathan; Laughlin, Gregory (20 February 2008). «Hydrodynamic Simulations of Unevenly Irradiated Jovian Planets». The Astrophysical Journal. 674 (2): 1106–1116. arXiv:0711.2106. Bibcode:2008ApJ…674.1106L. doi:10.1086/523957. S2CID 14333025. Archived from the original on 28 March 2023. Retrieved 15 April 2023..
Теоретична погода
Емпіричні спостереження за погодою на екзопланетах все ще залишаються рудиментарними через обмежену роздільну здатність сучасних телескопів. Ті незначні атмосферні варіації, які можна спостерігати, зазвичай пов'язані з вітром, такі як варіації швидкості витікання атмосферного водню в HD 189733bLecavelier des Etangs, A.; Bourrier, V.; Wheatley, P. J.; Dupuy, H.; Ehrenreich, D.; Vidal-Madjar, A.; Hébrard, G.; Ballester, G. E.; Désert, J.-M.; Ferlet, R.; Sing, D. K. (July 2012). «Temporal variations in the evaporating atmosphere of the exoplanet HD 189733b». Astronomy & Astrophysics. 543: L4. arXiv:1206.6274. Bibcode:2012A&A…543L…4L. doi:10.1051/0004-6361/201219363. S2CID 54546633. або просто швидкості глобально циркулюючих вітрів на тій самій планетіLouden, Tom; Wheatley, Peter J. (25 November 2015). «SPATIALLY RESOLVED EASTWARD WINDS AND ROTATION OF HD 189733b». The Astrophysical Journal. 814 (2): L24. arXiv:1511.03689. Bibcode:2015ApJ…814L..24L. doi:10.1088/2041-8205/814/2/L24. S2CID 54038139. Однак низка інших спостережуваних, неметеорологічних властивостей екзопланет впливає на те, яка екзопогода, в теорії, відбувається на їхніх поверхнях; деякі з цих властивостей перелічені нижче.
Наявність атмосфери Як зазначалося раніше, екзометеорологія вимагає, щоб екзопланета мала атмосферу. Деякі екзопланети, які наразі їх не мають, починали з неї; однак, вони, ймовірно, втратили свої первісні атмосфери через їх втечу від зоряної інсоляції та зоряних спалахів або втратили їх через гігантські зіткнення що позбавили екзопланету атмосфери.
Деякі екзопланети, зокрема лавові планети, можуть мати часткові атмосфери з унікальними метеорологічними моделями. Лавові світи, замкнені припливами, отримують так багато зоряної інсоляції, що частина розплавленої кори випаровується та утворює атмосферу на денній стороні планети. Сильні вітри намагаються перенести цю нову атмосферу на нічну сторону планети; однак, випарована атмосфера охолоджується, наближаючись до нічної сторони планети, та осідає назад на поверхню, по суті руйнуючись, досягаючи термінатора. Цей ефект був змодельований на основі даних транзитів K2-141b а також CoRoT-7b, Kepler-10b та 55 Cancri e. Цю незвичайну модель випаровування земної кори, вітрів зі швидкістю кілометр за секунду та атмосферного колапсу через опади можна довести за допомогою спостережень за допомогою передових телескопів, таких як Джеймс Вебб.
Екзопланети з повними атмосферами можуть мати різноманітні погодні умови, подібні до погоди на планетах земної групи та газових гігантах Сонячної системиStevenson, David S. (2016). The Exo-Weather Report: Exploring Diverse Atmospheric Phenomena Around the Universe. Switzerland: Springer Cham. pp. 363–371. ISBN 978-3-319-25679-5. OCLC 957655924.. Загальнопланетні атмосфери забезпечують глобальну циркуляцію повітря, розподіл теплової енергії зір та відносно швидкий хімічний кругообіг, як це видно з транспортування речовини земної кори частковими атмосферами лавових світів та власних кругообігів води та вуглецю Землі. Ця здатність до кругообігу та глобального розподілу речовини та енергії може спричинити залізні дощі на гарячих Юпітерах суперобертальні вітри на HD 189733bLouden, Tom; Wheatley, Peter J. (25 November 2015). «SPATIALLY RESOLVED EASTWARD WINDS AND ROTATION OF HD 189733b». The Astrophysical Journal. 814 (2): L24. arXiv:1511.03689. Bibcode:2015ApJ…814L..24L. doi:10.1088/2041-8205/814/2/L24. S2CID 54038139., та атмосферні опади та колапс на припливно-замкнених світахJoshi, M.M.; Haberle, R.M.; Reynolds, R.T. (October 1997). «Simulations of the Atmospheres of Synchronously Rotating Terrestrial Planets Orbiting M Dwarfs: Conditions for Atmospheric Collapse and the Implications for Habitability». Icarus. 129 (2): 450–465. Bibcode:1997Icar..129..450J. doi:10.1006/icar.1997.5793. Archived from the original on 2021-10-18. Retrieved 2023-04-15..
Орбітальні властивості Одним з найважливіших факторів, що визначають властивості екзопланети, є її орбітальний період, або ж середня відстань від зорі. Тільки це визначає ефективну температуру планети (базову температуру без додаткової ізоляції від атмосфери)Allain, Rhett (2023-02-03). «What Would Earth's Temperature Be Like Without an Atmosphere?». Wired. ISSN 1059-1028. Retrieved 2023-03-25. та ймовірність того, що планета буде припливно-замкнена. Це, в свою чергу, може впливати на хімічний склад хмар, які можуть бути присутніми в атмосфері планетиStevenson, David S. (2016). The Exo-Weather Report: Exploring Diverse Atmospheric Phenomena Around the Universe. Switzerland: Springer Cham. pp. 363–371. ISBN 978-3-319-25679-5. OCLC 957655924., загальний рух теплопередачі та атмосферної циркуляції, а також на місця, де може відбуватися погода (як у випадку з лавовими світами, замкненими припливно-замкненими, з частковими атмосферами).
Наприклад, період обертання газового гіганта може визначати, чи є його вітрові режими переважно адвективними (тепло та повітря течуть з верхнього шару нагрітої зорями атмосфери до нижнього), чи конвективними (тепло та повітря течуть знизу поблизу ядра планети, що поступово стискається, вгору через атмосферу). Якщо атмосфера газового гіганта отримує більше тепла від сонячного випромінювання, ніж від нескінченного гравітаційного стискання планети, то він матиме адвективні циркуляційні режими. Якщо ж протилежне джерело тепла сильніше, він матиме конвективні циркуляційні режими, як це демонструє ЮпітерStevenson, David S. (2016). The Exo-Weather Report: Exploring Diverse Atmospheric Phenomena Around the Universe. Switzerland: Springer Cham. pp. 363–371. ISBN 978-3-319-25679-5. OCLC 957655924..
Крім того, середнє падіння зоряного випромінювання екзопланети, яке визначається її орбітальним періодом, може визначити, які типи хімічних циклів може мати екзопланета. Кругообіг води на Землі відбувається тому, що середня температура нашої планети достатньо близька до потрійної точки води (за нормального атмосферного тиску), що поверхня планети може підтримувати три фази хімічного процесу; подібний цикл теоретично існує для Титана, оскільки температура та тиск його поверхні близькі до потрійної точки метану.
Аналогічно, ексцентриситет орбіти екзопланети — наскільки еліптична орбіта планети — може впливати на падаюче зоряне випромінювання, яке вона отримує в різних точках своєї орбіти, і, таким чином, може впливати на її метеорологію. Екстремальним прикладом цього є ударно-хвильові шторми HD 80606b, які виникають щоразу, коли планета досягає найвнутрішньої точки своєї надзвичайно ексцентричної орбіти. Різниця у відстані між її апастроном (аналогічним афелію Землі) та її періастроном (перигелієм) настільки велика, що ефективна температура планети сильно змінюється протягом усієї її орбітиLangton, Jonathan; Laughlin, Gregory (20 February 2008). «Hydrodynamic Simulations of Unevenly Irradiated Jovian Planets». The Astrophysical Journal. 674 (2): 1106–1116. arXiv:0711.2106. Bibcode:2008ApJ…674.1106L. doi:10.1086/523957. S2CID 14333025. Archived from the original on 28 March 2023. Retrieved 15 April 2023..