Статистический подход улучшает модели атмосферы ранней Земли и экзопланет

Это изображение заката в Индийском океане, увиденное астронавтами на борту Международной космической станции, показывает вид атмосферы Земли с ребра, как она видна с орбиты. Автор: NASA

Когда энергия солнца достигает Земли, часть солнечного излучения поглощается атмосферой, что приводит к химическим реакциям, таким как образование озона и распад молекул газа. Новый подход к моделированию этих реакций, разработанный группой под руководством ученых из Университета штата Пенсильвания, может улучшить наше понимание атмосферы на ранней Земле и помочь в поиске пригодных для жизни условий на планетах за пределами нашей солнечной системы.

Исследователи сообщили в журнале JGR Atmospheres, что использование статистического метода, называемого correled-k, может улучшить существующие фотохимические модели, используемые для понимания условий на ранней Земле.

По словам ученых, этот подход может помочь ученым лучше понять состав атмосферы ранней Земли и сыграет важную роль, поскольку в ближайшие десятилетия в эксплуатацию войдут новые обсерватории, которые смогут предоставить новые данные об атмосферах экзопланет.

«Один из способов поиска потенциальной жизни в космосе — это поиск биосигнатур», — сказал Джим Кастинг, почетный профессор геонаук в Университете Эвана Пью в Пенсильванском государственном университете и соавтор исследования. «Для этого нам нужен какой-то телескоп, который даст нам спектры атмосферы. А затем фотохимическая модель, подобная нашей, может помочь рассчитать химическое состояние атмосферы и потенциально найти биосигнатуры. И этот расчет очень важен для поиска жизни в космосе».

Многие модели, используемые для проведения атмосферных расчетов ранней Земли и экзопланет земного типа, основаны на одномерной (1D) фотохимической модели, разработанной в Университете штата Пенсильвания, объяснил Аошуан Цзи, получивший докторскую степень в области наук о Земле в Университете штата Пенсильвания и проводивший это исследование в университете. Эта одномерная фотохимическая модель имитирует химию атмосферы вдоль одного вертикального столба.

«Мы считаем важным внести это улучшение в нашу фотохимическую модель, поскольку это может помочь улучшить другие исследования и будущие изыскания в области атмосферы ранней Земли, а также экзопланет земного типа», — сказал Цзи.

Ультрафиолетовое излучение солнца играет важную роль в формировании озона в нашей атмосфере, говорят исследователи. Поскольку молекулы кислорода, состоящие из двух атомов кислорода, поглощают излучение, они могут распадаться на свободные атомы кислорода. Затем эти атомы могут присоединяться к другим молекулам кислорода (O ₂), образуя озон (O ₃). Этот процесс также защищает другие газы в атмосфере от поглощения излучения и распада.

Однако поглощение трудно моделировать из-за его сложной структуры на определенных длинах волн, называемых полосами Шумана-Рунге (SR).

«Хорошие модели поглощения синхротронного излучения в современной атмосфере уже существуют, но не все из них могут быть пригодны для использования в атмосферах с низким содержанием _O2, таких как на ранней Земле», — сказал Джи, который в настоящее время является научным сотрудником NASA в Калифорнийском университете в Риверсайде.

Текущая версия климатической модели Whole Atmosphere Community Climate Model в Национальном центре атмосферных исследований, например, хорошо справляется с моделированием поглощения ультрафиолетового излучения для современной атмосферы Земли, говорят исследователи. Но она не учитывает рассеяние — или то, как частицы в атмосфере отклоняют или перенаправляют поступающее солнечное излучение — что становится важным при низком уровне атмосферного кислорода.

Ученые утверждают, что модель Penn State 1D, разработанная Кастингом, учитывает рассеяние, но основана на устаревшей зонной модели и не учитывает температурную зависимость химических реакций при низком уровне кислорода.

Команда обратилась к подходу коррелированного k, который широко использовался в других климатических моделях для точной группировки различных длин волн солнечной энергии. Использование подхода коррелированного k с их одномерной фотохимической моделью повысило ее точность для всех уровней кислорода и температурных профилей, заявили ученые.

«Это помогает упростить задачу, группируя длины волн в полосы и предполагая, что внутри каждой полосы поглощающие свойства атмосферы коррелируют предсказуемым образом», — сказал Джи. «Это обеспечивает баланс — это менее вычислительно интенсивно, чем некоторые другие методы, и в то же время обеспечивает хорошее приближение того, как поглощается и рассеивается излучение».

В работе также приняли участие: Кеннет Миншванер, профессор Института горного дела и технологий Нью-Мексико; Густаво Паланкар, младший научный сотрудник Национального университета Кордовы в Аргентине; Рафаэль П. Фернандес, профессор, и Орландо Томасцели, докторант Института междисциплинарных наук Национального исследовательского совета Аргентины; Гийом Шаверо, научный сотрудник Женевского университета в Швейцарии; и Маккензи Баркер, студентка Колледжа наук о Земле и минералах.

Больше информации: Aoshuang Ji et al, A Correlated‐K Parameterization for O ₂ Photolysis in the Schumann‐Runge Bands, Journal of Geophysical Research: Atmospheres (2024). DOI: 10.1029/2023JD040610

Источник: Pennsylvania State University