Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2558
Main Title: The atmospheres of Super-Earths
Translated Title: Die Atmosphären von Super-Erden
Author(s): Paris, Philip von
Advisor(s): Rauer, Heike
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Dissertationsschrift beschäftigt sich mit den Atmosphären von Super-Erden. Super-Erden sind Planeten um andere Sterne (Exoplaneten) mit Massen größer als eine Erdmasse bis zu 10 Erdmassen. Derzeit sind 20 solcher Planeten bekannt. Als Ziel dieser Arbeit sollte versucht werden, zwei Schlüsselfragen im Zusammenhang mit Super-Erden zu beantworten: Zum einen die Frage, ob es Exoplaneten gibt, auf denen sich möglicherweise Leben bilden könnte (so genannte habitable Planeten), zum anderen die Frage, ob die Atmosphären solcher Exoplaneten durch spektroskopische Beobachtungen von der Erde aus charakterisiert werden können. Um diese Fragen zu beantworten, wurde ein eindimensionales Computermodell für Planetenatmosphären entwickelt, umfassend validiert, getestet und mit anderen Modellen verglichen. Dieses Modell wurde auf den Exoplaneten Gliese 581 d angewandt. Gliese 581 d ist eine Super-Erde und der bisher einzige bekannte Exoplanet, der möglicherweise habitabel ist. Mit dem Atmosphärenmodell wurde eine Parameterstudie durchgeführt, die sowohl den Oberflächendruck als auch die Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre variierte. Es zeigte sich, dass für hohe Oberflächendrücke (5 bar und mehr bei einer Konzentration von 95 % CO2, 20 bar und mehr bei einer Konzentration von 5 % CO2) die berechneten Oberflächentemperaturen höher als 273 K (Gefrierpunkt von Wasser) lagen, d.h. der Planet ist für solche atmosphärischen Szenarien habitabel. Szenarien mit weniger Druck oder geringerer CO2-Konzentration waren jedoch nicht habitabel. Mit den Ergebnissen des Atmosphärenmodells wurden hochaufgelöste synthetische Spektren des Planeten berechnet, um zu untersuchen, inwieweit die mögliche Habitabilität des Planeten von der Erde aus feststellbar sein könnte, oder ob zwischen den atmosphärischen Szenarien unterschieden werden könnte. Es zeigte sich, dass Emissionsspektroskopie nicht geeignet ist, Aussagen über Oberflächenbedingungen oder Szenarien zu treffen. Dagegen ist Transmissionsspektroskopie besser geeignet für die Charakterisierung der atmosphärischen Szenarien. Die Berechnung der mit geplanten Weltraummissionen wie dem James Webb Space Telescope zu erwartenden Signale von Gliese 581 d ergab, dass die meisten spektralen Signaturen nicht detektierbar sind. Diese Arbeit zeigte jedoch, dass Gliese 581 d tatsächlich der erste entdeckte möglicherweise habitable Planet außerhalb unseres Sonnensystems ist, was aktuelle Studien bestätigt.
The subject of this thesis are the atmospheres of Super-Earths. Super-Earths are planets around other stars (so-called exoplanets) with masses larger than Earth and up to 10 Earth masses. Currently, 20 such planets are known. The aim of this work was to address two key questions related to Super-Earth science: Firstly, whether potentially habitable (i.e., life-bearing) exoplanets exist, secondly, whether the atmospheres of such exoplanets could be investigated spectroscopically from Earth. In order to address these questions, a one-dimensional computer model for planetary atmospheres was developed, extensively tested, validated and compared to other published work. The model has then been applied to the exoplanet Gliese 581 d. Gliese 581 d is a Super-Earth and currently the only known exoplanet which is potentially habitable. With the atmospheric model, a parameter study was performed where the surface pressure and the CO2 concentration have been varied. It was shown that for high surface pressures (5 bar and more for 95 % CO2, 20 bar and more 5 % CO2), calculated surface temperatures were higher than 273 K (melting point of water), hence such atmospheric scenarios result in habitable conditions. Scenarios with less surface pressure or less CO2 concentration were found to be uninhabitable. With the results of the atmospheric model, synthetic high-resolution spectra of the planet were calculated to investigate whether habitable conditions could be inferred remotely or whether atmospheric scenarios could be discerned. It was shown that emission spectroscopy is not well suited to investigate surface conditions or atmospheric scenarios. By contrast, with transmission spectroscopy atmospheric scenarios could be characterized much better. Calculating spectroscopic signals of Gliese 581 d, based on planned space observatory performances from the James Webb Space Telescope showed that the expected planetary signals are much too weak to allow for an atmospheric detection. However, in this work it was shown that Gliese 581 d is indeed the first potentially habitable planet outside our solar system, confirming very recent studies.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-27549
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2855
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2558
Exam Date: 7-Jul-2010
Issue Date: 8-Sep-2010
Date Available: 8-Sep-2010
DDC Class: 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Atmosphären
Exoplaneten
Gliese 581
Habitabilität
Super-Erden
Atmospheres
Exoplanets
Gliese 581
Habitability
Super-Earths
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