Habitability of terrestrial planets around active M-stars: the effect of stellar radiation and cosmic rays upon climate and photochemistry
Scheucher, Markus
Planetary habitability depends strongly on the interaction between the planetary atmosphere and the energy from its host star. Due to both the anticipated diversity of exoplanetary atmospheres as well as the large range of stellar classes and activities, modeling possible planetary climate states and atmospheric conditions is a challenging endeavor. A central aim of this work was to extend the understanding of the effects of stellar radiation upon atmospheric temperatures, and the multitude of cascading effects which Stellar Energetic Particles together with Galactic Cosmic Rays may have upon atmospheric composition. Both these effects are likely to be key factors affecting potential surface habitability. This thesis therefore addressed the following scientific questions for some well-chosen scenarios:
• What kind of atmospheres may provide habitable conditions?
• Which atmospheres can explain observed spectral features?
• How does the host star ́s spectral type affect planetary habitability?
• How do energetic particle showers impact atmospheric composition and habitability?
To address these questions, a comprehensive one-dimensional coupled climate chemistry model was developed and applied during the course of this cumulative thesis. Part of this thesis are the works published in Scheucher et al. (2018) and Scheucher et al. (2020a) focusing on the effect of energetic particle bombardment onto exoplanetary atmospheres and habitability, and Scheucher et al. (2020b) focusing on the effect of opacities in radiative transfer through a large variety of atmospheric conditions upon planetary climate and atmospheric spectral characteristics.
Die Habitabilität eines Planeten hängt stark von der energetischen Strahlung des Zentralsterns und dessen Interaktion mit der Planetenatmosphäre ab. Die zu erwartende Vielfalt an exoplanetaren Atmosphären sowie die breite Spanne an stellaren Spektralklassen und Sternaktivitäten, stellt eine große Herausforderung für die Modellierung des planetaren Klimas und atmosphärischen Bedingungen dar. Ein zentrales Ziel dieser Arbeit war es, den Effekt von Sternstrahlung auf atmosphärische Temperaturen, sowie die Vielzahl an Kaskadeneffekte die Stellare energetische Teilchen zusammen mit Galaktischer kosmischer Strahlung auf die atmosphärische Zusammensetzung haben, besser zu verstehen. Diese Effekte scheinen eine Schlüsselrolle für planetare Habitabilität an der Oberfläche zu spielen. Daraus ergaben sich die folgenden zentralen wissenschaftlichen Fragestellungen für diese Doktorarbeit für ausgewählte Szenarien:
• Welche Atmosphären können im allgemeinen für habitable Konditionen sorgen?
• Welche Atmosphären können beobachtete spektrale Signaturen erklären?
• Wie beeinflusst die Spektralklasse des Zentralsterns mögliche planetare Habitabilität?
• Wie beeinflussen energetische Teilchenschauer die atmosphärische Zusammensetzung und Habitabilität?
Um diese Fragestellungen gezielt behandeln zu können, wurde im Zuge dieser kumulativen Dissertation ein umfassendes eindimensionales, gekoppeltes Klima-Fotochemie Modell entwickelt und angewandt. Teil dieser Dissertation sind die Arbeiten veröffentlicht in Scheucher et al. (2018) and Scheucher et al. (2020a) mit dem Fokus auf dem Effekt von energetischem Teilchenbeschuss auf exoplanetare Atmosphären und planetare Habitabilität, sowie Scheucher et al. (2020b) welches den Effekt von Opazitäten im Strahlungstransport auf Klima und spektrale Charakteristik von Planeten mit sehr unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen untersucht.
