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Main Title: 3D climate modeling of Earth-like extrasolar planets orbiting different types of central stars
Translated Title: 3D Klimamodellierungen von erdähnlichen extrasolaren Planeten um verschiedene Zentralsterne
Author(s): Godolt, Mareike
Advisor(s): Rauer, Heike
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Habitabilität terrestrischer extrasolarer Planeten wird üblicherweise über die Existenz von flüssigem Wasser auf der planetaren Oberfläche definiert, da Leben, wie wir es kennen, flüssiges Wasser zumindest während eines Teils seiner Lebenszeit benötigt. Ob flüssiges Wasser vorhanden sein kann, wird unter anderem durch die Oberflächentemperatur bestimmt. Diese hängt wiederum stark von der planetaren Atmosphäre, dynamischen Prozessen und deren Wechselwirkung mit der stellaren Einstrahlung ab. In dieser Arbeit werden folgende Fragestellung zur Auswirkung dynamischer Prozesse untersucht. Welchen Einfluss haben dynamische atmosphärische Prozesse auf die Habitabilität eines Planeten? Wie beeinflussen verschiedene Sternentypen Klima-Rückkopplungen und welche Auswirkungen haben diese auf die Habitabilität eines Planeten? Um den Einfluss dynamischer Prozesse und Klima-Rückkopplungen zu untersuchen, wird ein modernes, dreidimensionales Erdklimamodell erweitert, um Studien erdähnlicher Planeten um sonnenähnliche Sterne zu ermöglichen. Mit diesem Modell wird untersucht, wie sich das Klima dieser Planeten ändert, wenn diese um Hauptreihensterne der Spektralklassen F und K kreisen. Hierzu wird neben der Spektralverteilung des einfallenden Sternenlichts auch jeweils die Orbitperiode des Planeten und damit die Jahreslänge angepasst. Diese wird so gewählt, dass der Planet dieselbe stellare Gesamtenergie erhält wie die Erde von der Sonne. Diese Szenarien werden hier zum ersten Mal mit einem solch komplexen dreidimensionalen Klimamodell untersucht. Im Gegensatz zu eindimensionalen Klimamodellen, mit denen der Einfluss verschiedener Sternentypen auf erdähnliche Planeten bereits untersucht worden ist, berücksichtigt das hier verwendete Modell komplexe dynamische atmosphärische Prozesse, wie z.B. die atmosphärische Zirkulation, den hydrologischen Zyklus, sowie Änderungen der Oberflächenalbedo aufgrund der Ausbildung von Meereseis. Für einen erdähnlichen Planeten um einen K-Stern ergeben sich die größten Änderungen in den dynamischen Prozessen. In diesem Szenario führt die spektrale Energieverteilung zu einer Erwärmung der Planetenoberfläche und der unteren Atmosphäre. Dieses Ergebnis stimmt qualitativ mit Ergebnissen vorangegangener Klimastudien mit eindimensionalen Atmosphärenmodellen in der Literatur überein. Quantitativ zeigen die hier durchgeführten Modellstudien jedoch eine stärkere Erwärmung, die sich aufgrund der Wechselwirkung des hohen Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre mit der stellaren Einstrahlung ergibt. Der hohe Wasserdampfgehalt und die Ausbildung von Wassereiswolken führen zu einer verstärkten Absorption der stellaren Einstrahlung und zu einem stärkeren Treibhauseffekt, welche wiederum eine weitere Erhöhung der Temperatur verursachen. Der Vergleich mit einem eindimensionalen radiativ-konvektiven Klimamodell zeigt, dass ähnlich hohe Temperaturen und Wasserdampfkonzentrationen unter der Annahme einer vollständig gesättigten unteren Atmosphäre mit solch einem vereinfachten Modell reproduziert werden können. Die Modellstudien eines Planeten um einen F-Stern zeigen einen vergleichsweise geringen Einfluss der dynamischen Prozesse trotz einer stärkeren Ausbildung von Meereseis. Außerdem wird gezeigt, dass für die untersuchten Szenarien die Orbitperiode im Mittel keinen deutlichen Einfluss auf das Klima aufzeigt. Trotz teils großer Änderungen in den dynamischen Prozessen ergeben die untersuchten Modellrechnungen habitable Oberflächenbedingungen. Des Weiteren kann eine starke Wechselwirkung des Wasserdampf-Rückkopplungsprozesses mit der stellaren Einstrahlung im nah infraroten Wellenlängenbereich ausgemacht werden.
The habitability of a terrestrial planet is usually defined by the existence of liquid water on the surface. This is motivated by the fact, that life as we know it, needs liquid water at least during a part of its life cycle. The potential presence of liquid water on a planetary surface depends e.g.~on surface temperatures. These are mainly determined by the properties of the planetary atmosphere, dynamical processes and the interaction with the radiative energy provided by the planet's host star. This work focuses on the importance of dynamical processes for the habitability of terrestrial extrasolar planets. The main scientific questions addressed are: What is the influence of dynamical atmospheric processes on the habitability of a planet? What is the influence of different stellar types on climate feedback cycles and how do they affect the habitability of the planet? To evaluate the influence of dynamical atmospheric processes and climate feedbacks a state-of-the-art three-dimensional climate model has been adapted and applied to Earth-like extrasolar planets orbiting different types of central stars. The influence of different stars has been accounted for by using stellar spectra of an F and a K-type main-sequence star and by assuming appropriate planetary orbits. The planets have been placed at orbital distances where the total amount of energy received from the host star equals the solar constant. For the first time, such a complex three-dimensional climate model is utilized to study these scenarios. In contrast to one-dimensional radiative-convective climate models, previously applied to determine the atmospheric properties and surface temperatures of Earth-like extrasolar planets around different types of central stars, the three-dimensional climate model used in this work accounts for complex dynamical processes, such as atmospheric dynamics, the hydrological cycle, as well as changes in surface albedo due to melting of sea ice. Dynamical processes exhibit the largest impact for the planet around the K-type star. For this scenario, the spectral distribution of the stellar energy flux leads to a warming of the planetary surface and the lower atmosphere, which is in agreement with previous one-dimensional modeling studies. However, a larger increase in temperature is obtained here, because of the interaction of the stellar irradiation and the atmospheric water vapor. The corresponding temperature increase yields a massive build-up of water vapor and clouds in the atmosphere. Consequently, this increases the absorption of stellar radiation and the greenhouse effect, which leads to a further rise in temperature. A comparison of this result to those of a cloud-free one-dimensional radiative-convective climate model reveals that this strong increase in water vapor and temperature can be reproduced by such a simplified model by assuming a completely saturated lower atmosphere. For the planet around the F-type star no large impact of the dynamical processes on the climate is found, despite the increase in surface albedo due to the build-up of sea ice. Furthermore, the influence of the orbital periods (length of the year) on the global mean climatic conditions is small for the extrasolar planets studied in this work. Despite the changes in the dynamical processes all planetary scenarios studied in this work result in habitable surface conditions. A strong coupling of the water vapor feedback cycle with the stellar near infrared radiation is identified.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-37602
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3712
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3415
Exam Date: 17-Oct-2012
Issue Date: 28-Nov-2012
Date Available: 28-Nov-2012
DDC Class: 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Atmosphären
Extrasolare Planeten
Habitabilität
Klima
Atmosphere
Climate
Extrasolar planets
Habitability
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