Loading…
Thumbnail Image

Evolution of earth-like extrasolar planetary atmospheres

Gebauer, Stefanie

Diese Arbeit behandelt die Atmosphären erdähnlicher extrasolarer Planeten in Bezug auf ihre Habitabilität, atmosphärische Entwicklung und spektrale Erscheinung. In diesem Zusammenhang wird das Erdsystem zu unterschiedlichen Zeitepochen als Referenzsystem für erdähnliche extrasolare Planeten verwendet. Das Ziel dieser Arbeit ist es die Interaktionen zwischen der Atmosphäre, Geosphäre, Biosphäre und Chemie zu studieren. Dazu wird ein eindimensionales globales radiativ-konvektives photochemisches atmosphärisches Computermodell verwendet, welches mit biogeochemischen Oberflächenprozessen gekoppelt ist, die die atmosphärische Konzentration von molekularem Sauerstoff (O2) beeinflussen. Die Entwicklung der Atmosphäre wird dabei in einem momentaufnahmeähnlichen Verfahren erfasst. Emissions- und Transmissionsspektren werden für diese Planetenszenarien berechnet, um eine Verbindung zu zukünftigen Satellitenmissionen zu schaffen. Das Computermodell wird auf unterschiedliche "Erde-in-der-Zeit" und erdähnliche extrasolare planetare Atmosphärenszenarien um die Sonne beziehungsweise um einen roten Zwergstern angewandt. Des Weiteren wurde eine Parameterstudie durchgeführt, um die wichtigsten Prozesse zu identifizieren, die atmosphärischen O2 beeinflussen, als auch die Nettoprimärproduktion der sauerstoffproduzierenden Photosynthese basierten Biosphäre. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Atmosphären von erdähnlichen extrasolaren Planeten, die um einen roten Zwergstern (AD Leo) kreisen, weniger destruktiv für atmosphärischen O2 wirken. Daraus folgt, dass die Nettoprimärproduktion im Vergleich zu den "Erde-in-der-Zeit" Atmosphärenszenarien um die Sonne niedriger ist, um den gleichen atmosphärischen molekularen Sauerstoffgehalt an der Planetenoberfläche zu erhalten. Dieses Ergebnis resultiert aus der geringeren oxidativen Kapazität der Atmosphäre aufgrund des einfallenden stellaren Spektrums des roten Zwergsterns. Des Weiteren implizieren die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Möglichkeit O2 dominierter Atmosphären erdähnlicher extrasolarer Planeten, die um rote Zwergsterne kreisen, erhöht sein könnte.
This thesis addresses the atmospheres of Earth-like extrasolar planets in terms of their habitability, atmospheric evolution and spectral appearance. Thereby, the Earth system in time will be used as a reference for Earth-like extrasolar planets. The aim of this work is to apply a state-of-the-art 1D global radiative-convective/ photochemical atmospheric column model which is coupled to the biogeochemical surface processes affecting atmospheric molecular oxygen (O2) to study the interactions between the atmospheric, geological, chemical and biotic systems. The evolution of an atmosphere will be accounted for in a snapshot-like procedure. Emission and transmission spectra are calculated for Earth-like planetary atmosphere scenarios to make a connection with future observations. The model is applied to various Earth-in-time and Earth-like extrasolar planetary atmosphere scenarios around the Sun and an M-dwarf star, respectively. Furthermore, a parameter study was performed in order to identify the most important processes affecting atmospheric O2 and the net primary productivity from oxygenic photosynthesis. Results suggest that Earth-like extrasolar atmospheres of planets orbiting around the M-dwarf star (AD Leo) are less destructive for atmospheric O2, hence the net primary productivity is reduced in comparison to the Earth-in-time scenarios around the Sun for the same amount of atmospheric O2 at the surface. This result was due to a change in the atmospheric oxidative capacity, driven by the input stellar spectrum. Furthermore, this implies that the feasibility of O2 dominated Earth-like extrasolar planetary atmospheres might be increased.