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Why is Venus' upper atmosphere so cool?
Carina Heinreichsberger
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Astronomie
Betreuer*in
Manuel Güdel
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.72312
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12376.62723.596577-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Wenn wir Venus oder die Erde als Exoplaneten beobachten würden, gingen wir davon aus, dass diese beiden Objekte zum selben Typ gehören. Dabei hat Venus hat eine CO2 dominierte Atmosphäre mit sehr hoher Oberflächentemperatur. Trotz dieser hohen Temperaturen ist die obere Atmosphäre relativ kühl. Es stellt sich die Frage, ob dies während einer sich entwickelnden Sonne mit stärkerer Röntgenstrahlung anders war, oder ob Venus nie unter Bedrängnis war ihre Atmosphäre zu verlieren. Ziel dieser Masterarbeit ist es, den Einfluss von wärmenden und kühlenden Prozessen in Venus’ oberer Atmosphäre auf Temperatureprofile zu analysieren, und entsprechend auf den Verlust von Atmosphäre durch Jeans-Escape. Dabei achten wir nicht nur auf die Venus in ihrer derzeitigen Form, sondern vor allem in der nahen Vergangenheit. Wir beschäftigen uns mit verschiedenen Zusammensetzungen der oberen Atmosphäre und unterschiedlichen Sonnenflüssen und deren Effekt auf CO2 und N2 dominierten Atmosphären. Dadurch möchten wir ein besseres Verständnis gewinnen, welche Atmosphären besser gegen den Verlust von Atmosphäre gewappnet sind. Um diese Ziele zu erreichen führen wir Simulationen mit dem Kompot Code durch, der obere Atmosphären von beliebigen Planeten berechnet. Wir variieren dabei die anfängliche Menge an CO2 in der Atmosphäre, sowie das Spektrum der Sonne, um die Auswirkungen dieser Variationen auf die Wärm- und Kühlprozesse zu verstehen. Die Simulationen zeigen, dass die Temperaturprofile von CO2 dominanten Atmosphären deutlich konstanter bleiben, während jene mit wenig CO2 einen extremen Anstieg an Temperatur und Ausweitung aufweisen. Eine genauere Analyse zeigt, dass diese Verläufe durch die Heiz- und Kühlmechanismen bei den jeweiligen Schichten die die entscheidenden Erklärungen liefern. Der kühlste Punkt im Temperaturprofil liegt bei allen Simulationen bei 150km, mit weitgehend übereinstimmenden Temperaturen für Atmosphären bei derzeitiger Sonneneinstrahlung. Es zeigen sich dennoch unterschiede zwischen den Raten der Heiz- und Kühlvorgänge je nach Zusammensetzung. So finden wir höhere Heizraten bei Atmosphären mit geringem CO2 Anteil, während die Kühlmechanismen kaum von der Zusammensetzung betroffen sind. Tendenziell kühlen CO2 dominante Atmosphären aber besser. Dies führt insgesamt zu einer gleichbleibenden Temperatur auf dieser Höhe. Nach 150km folgt ein starker Temperaturanstieg, höchstwahrscheinlich verschuldet durch chemische Heizprozesse, oder Heizung durch Photoelektronen. Diese Höhenlage verschuldet auch die extremen Unterschiede in der Entwicklung mit steigendem Fluss. Bei 2/3 nehmen die Profile wieder konstante Temperaturen ein. Wir finden, dass CO2 dominante Atmosphären besser kühlen, wodurch der Temperaturanstieg schneller abgebremst werden kann. In der obersten Schicht, der Exobase, haben alle Heiz- und Kühlmechanismen praktisch dieselbe Stärke, unabhängig von Zusammensetzung und Sonneneinstrahlung. Nur die Erwärmung durch Infrarot und die Kühlung durch CO2 nimmt drastisch ab je stärker die Sonneneinstrahlung ist. Zusätzlich beobachteten wir, dass CO2 schwache Atmosphären durch ihre deutlich wärmeren oberen Schichten auch weiter ausgedehnt sind, und entsprechend höhere Verlustraten bzgl Atmosphäre aufweisen. Jedoch konnte in keiner der Simulationen Verlustraten festgestellt werden, die hoch genug sind, um die Atmosphäre vollständig zu entfernen - zumindest nicht für X-ray Flüsse unter 1.8erg/s/cm2.
Abstract
(Englisch)
Context. If Venus and Earth were Exoplanets that we discovered with our current available methods, we would lable them as the same type of Exoplanet. However Venus has a CO2 rich atmosphere and very high surface temperatures, which is very different to Earth. Venus’ upper atmosphere however has quite moderate temperatures, leading to the question, if this was always the case, or if under an evolving Sun it was close to heating up so rapidly for atmospheric loss to be severe. Aim. This study aims at understanding the effect of heating and cooling mechanisms in Venus’ upper atmosphere on the temperature profile, and therefore on the atmospheric loss through jeans escape. We are not only interested in Venus current situation, but especially in its recent history. We investigate how different atmospheric compositions and solar fluxes affect CO2 and N2 rich atmospheres to gain insight in which atmospheres are protected from severe loss rates. Methods. We performed a set of simulations with a state-of-the-art upper atmosphere model called the Kompot Code developed at the University of Vienna to investigate the effect of initial CO2 composition and XUV flux on the heating and cooling processes in Venus upper atmosphere. Results. Depending on the altitude the dominance of the heating and cooling mechanisms changes. Chemical heating dominates at altitudes above 100km and XUV heating below 100km. We find that chemical heating and CO2 cooling is strongest for atmospheres with 30% CO2, with lower rates for larger and smaller CO2 mixing ratios. The total heating through XUV gets stronger with more CO2, but the 90% CO2 simulation leads to the lowest rates. Starting from 150km the temperature profiles for different compositions spread out, with CO2 lacking atmospheres being hotter and more expanded. This is due to XUV, chemical, and photoelectron heating being stronger for atmospheres with less CO2 at this altitude. The cooling mechanisms on the other hand do not severely change with mixing ratio. At 2/3 of the atmosphere the picture is inverted for almost all heating and cooling mechansims with CO2 strong atmospheres leading to higher rates, bringing a stop to the rapid increase of temperature at higher altitudes. At the exobase the effect of the mechanisms is not significantly affected by composition, leading to stable temperatures at higher altitudes for all compositions. Additionally we find that IR heating and CO2 cooling at the exobase decrease strongly with flux and composition which is most likely to atmospheres being more expanded and therefore looser, resulting in only little CO2 at these altitudes. We also find that higher X-ray fluxes heat up atmospheres with little CO2 stronger, expanding them to higher exobase altitudes. The rapid increase in temperature is due to the heating mechanisms at 150km being strongly effected by a changing flux. Despite the rapid increase in temperature and exobase altitude, X-ray flux of below 1.8erg/s/cm2 do not lead to significant atmospheric loss.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Deutsch)
Astronomie Venus Atmosphäre numerische Modellierung
Schlagwörter
(Englisch)
Astronomy Venus atmosphere numerical modelling
Autor*innen
Carina Heinreichsberger
Haupttitel (Englisch)
Why is Venus' upper atmosphere so cool?
Paralleltitel (Deutsch)
Warum ist Venus' obere Atmosphäre so kühl?
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
viii, 72 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Manuel Güdel
Klassifikation
39 Astronomie > 39.53 Planeten
AC Nummer
AC16615846
Utheses ID
64594
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |
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