Povrchová teplota na kamenných exoplanetách. Michaela Káňová pod vedením RNDr. Marie Běhounkové, Ph.D.

Podobné dokumenty
Insolace a povrchová teplota na planetách mimo sluneční soustavu. Michaela Káňová

Slapový vývoj oběžné dráhy. Michaela Káňová, Marie Běhounková Geodynamický seminář

Slapy na terestrických exoplanetách Michaela Káňová, Marie Běhounková

Vnitřní život krátkoperiodických exoplanet

Michaela Káňová. Insolace a povrchová teplota na planetách mimo sluneční soustavu BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

základy astronomie 2 praktikum 5 Dynamická paralaxa hvězd

Úvod do nebeské mechaniky

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

Odhad změny rotace Země při změně poloměru

Mechanika s Inventorem

Základní jednotky v astronomii

Úvod do analytické mechaniky

Astronomie jednoduchými prostředky. Miroslav Jagelka

2. Kinematika bodu a tělesa

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Proč studovat hvězdy? 9. 1 Úvod Energetické úvahy Zjednodušení použitá při konstrukci sférických modelů Model našeho Slunce 15

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

Filip Hroch. Astronomické pozorování. Filip Hroch. Výpočet polohy planety. Drahové elementy. Soustava souřadnic. Pohyb po elipse

Tvorba výpočtového modelu MKP

1 Zatížení konstrukcí teplotou

Pulzující proměnné hvězdy. Marek Skarka

9. Astrofyzika. 9.4 Pod jakým úhlem vidí průměr Země pozorovatel na Měsíci? Vzdálenost Měsíce od Země je km.

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Cesta do nitra Slunce

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

10.1 Šíření světla, Fermatův princip, refrakce

Ondřej Peisar

Obr. 4 Změna deklinace a vzdálenosti Země od Slunce v průběhu roku

Stanovení požární odolnosti. Přestup tepla do konstrukce v ČSN EN

Korekce souřadnic. 2s [ rad] R. malé změny souřadnic, které je nutno uvažovat při stanovení polohy astronomických objektů. výška pozorovatele

pohyb hvězdy ve vesmírném prostoru vlastní pohyb hvězdy pohyb, změna, souřadné soustavy vzhledem ke stálicím precese,

Řešení úloh krajského kola 60. ročníku fyzikální olympiády Kategorie A Autoři úloh: J. Thomas (1, 2, 3), V. Vícha (4)

Úvod do nebeské mechaniky

ČLOVĚK A ROZMANITOST PŘÍRODY VESMÍR A ZEMĚ. GRAVITACE

Potenciální proudění

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

Téma: Dynamika - Úvod do stavební dynamiky

Měření teplotní roztažnosti

102FYZB-Termomechanika

Modelování anelastické odezvy vlastních kmitů zemětřesení v Chile 2010

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

základy astronomie 1 praktikum 10. Vlastnosti exoplanet

Ledové měsíce velkých planet a možnost života na nich

1.1 Shrnutí základních poznatků

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

Viskoelastická deformace v geofyzikálních aplikacích

Skalární a vektorový popis silového pole

Výpočtové nadstavby pro CAD

U218 - Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. ! t 2 :! Stacionární děj, bez vnitřního zdroje, se zanedbatelnou viskózní disipací

M T I B A ZÁKLADY VEDENÍ TEPLA 2010/03/22

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Univerzita obrany. Měření na výměníku tepla K-216. Laboratorní cvičení z předmětu TERMOMECHANIKA. Protokol obsahuje 13 listů. Vypracoval: Vít Havránek

Interpretace pozorování planet na obloze a hvězdné obloze

NESTACIONÁRNÍ ŘEŠENÍ OCHLAZOVÁNÍ BRZDOVÉHO KOTOUČE

Interpretace pozorování planet na obloze a hvězdné obloze

ELT1 - Přednáška č. 6

PLANETA ZEMĚ A JEJÍ POHYBY. Maturitní otázka č. 1

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

OPTIMALIZACE PROVOZU OTOPNÉ SOUSTAVY BUDOVY PRO VZDĚLÁVÁNÍ PO JEJÍ REKONSTRUKCI

EXPERIMENTÁLNÍ METODY I. 2. Zpracování měření

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123MAIN tepelně-fyzikální parametry

1 Vedení tepla stacionární úloha

Abstrakt: Autor navazuje na svůj referát z r. 2014; pokusil se porovnat hodnoty extrémů některých slunečních cyklů s pohybem Slunce kolem barycentra

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

Terestrické exoplanety. Co víme o jejich vnitřní struktuře?

Fyzika 1 - rámcové příklady Kinematika a dynamika hmotného bodu, gravitační pole

MECHANIKA TUHÉHO TĚLESA

Numerické modelování interakce proudění a pružného tělesa v lidském vokálním traktu

CITLIVOSTNÍ ANALÝZA DYNAMICKÝCH SYSTÉMŮ I

METODIKA PRO PŘEDPOVĚĎ EXTRÉMNÍCH TEPLOT NA LETECKÝCH METEOROLOGICKÝCH STANICÍCH AČR

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

JEDNOTKY. E. Thöndel, Ing. Katedra mechaniky a materiálů, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM tepelně-fyzikální parametry

Od kvantové mechaniky k chemii

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Výpočet vlastních frekvencí a tvarů kmitů lopaty oběžného kola Kaplanovy turbíny ve vodě

AVDAT Nelineární regresní model

Termomechanika 10. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

8. Okrajový problém pro LODR2

Výpočet stlačitelného proudění metodou konečných objemů

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

BEZSTYKOVÁ KOLEJ NA MOSTECH

Zapojení odporových tenzometrů

5a. Globální referenční systémy Parametry orientace Země (EOP) Aleš Bezděk

Datová analýza. Strana 1 ze 5

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

ANALÝZA TEPLOTNÍCH POLÍ PALIVOVÝCH ELEMENTŮ

Hamiltonián popisující atom vodíku ve vnějším magnetickém poli:

Proudění viskózní tekutiny. Renata Holubova Viskózní tok, turbulentní proudění, Poiseuillův zákon, Reynoldsovo číslo.

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Tuhost mechanických částí. Předepnuté a nepředepnuté spojení. Celková tuhosti kinematické vazby motor-šroub-suport.

Dynamika vázaných soustav těles

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

Tomáš Syka Komořanská 3118, Most Česká republika

Přednáška č. 5: Jednorozměrné ustálené vedení tepla

Interpretace pozorování planet na obloze a hvězdné obloze

Transkript:

Povrchová teplota na kamenných exoplanetách Michaela Káňová pod vedením RNDr. Marie Běhounkové, Ph.D.

Kamenné exoplanety exoplanet.eu : 1782 extrasolárních planet se známou drahou 115 planet o hmotnosti do 10 MZemě super-země nejasná mezní hmotnost pro kamenné planety snadnější detekce planet obíhajících v těsné blízkosti mateřské hvězdy významný slapový vývoj (cirkularizace), uchycení ve spin-orbitální resonanci (celočíselný poměr rotační a oběžné frekvence) nerovnoměrné ozáření (insolace) a vytvoření teplotního kontrastu mezi denní a noční stranou (v případě absence atmosféry stovky až tisíce kelvinů) vliv na plášťovou konvekci

Výpočet insolace extrasolární konstanta insolace Keplerova rovnice

Povrchová teplota rovnice vedení tepla ρ - hustota cp - měrná tepelná kap. nelineární horní okrajová podmínka k - tepelná vodivost A - albedo ε - emisivita S - insolace na spodním okraji řešené vrstvy zadán tepelný tok

Škálování charakteristický čas charakteristická hloubka referenční teplota tepelná setrvačnost termální parametr Mitchell & de Pater (1994)

Diskretizace v prostoru metoda konečných diferencí s posunutou sítí, sférická geometrie, v radiálním směru obecně nerovnoměrná mřížka v 1D inverze za pomoci LU dekomposice (pásová matice, subroutiny bandec, banbks z NR), ve 3D přímý řešič PARDISO stacionární stav

Diskretizace v čase Crankovo-Nicolsonové schéma, j - časový krok, i - prostorový krok počáteční podmínka: stacionární stav za průměrné insolace v každém časovém kroku iterativní hledání řešení rovnice vedení tepla kvůli proměnné insolaci (nelineární horní okrajová podmínka)

Shrnutí výsledků skutečná průměrná teplota na planetě je menší než teplota stacionárního stavu při průměrné insolaci, a to zvláště pro vyšší spin-orbitální resonanci teplotní rozdíl na povrchu v časově proměnném řešení klesá s rostoucí tepelnou setrvačností (slábne vliv nočního chladnutí) pro zadanou sluneční konstantu a resonanci 1:1 maximální teplota roste s tepelnou setrvačností, klesá se vzrůstajícím sklonem rotační osy, slabě klesá s rostoucí excentricitou nejvyšší a nejnižší střední teploty při resonanci 3:2 jsou bez numerických výpočtů těžko předvídatelné maximální teplota krátkoperiodických planet příliš neovlivněna tepelným tokem na spodní hranici

Zpřesnění modelu blízkou mateřskou hvězdu je třeba považovat za plošný zdroj další parametr oběžné dráhy: časový rozestup mezi jarní rovnodenností a průchodem periastrem (nebo délka periastra) nekonstantní tepelná setrvačnost: hloubková závislost ρ a teplotní závislost k, cp změny parametrů oběžné dráhy v důsledku slapové interakce s hvězdou

Hvězda jako plošný zdroj započtení plošnosti zvýší insolaci v těch místech na povrchu planety, kde se hvězda právě nachází na obzoru význam například na pólech při nulovém sklonu rotační osy empirické vztahy mezi hmotností, poloměrem a zářivým výkonem hvězd na hlavní posloupnosti (pro M* MS) :

Hvězda jako plošný zdroj

Délka periastra pozice periastra vůči směru k jarnímu bodu určuje, které místo na povrchu planety bude vystaveno nejvyšší insolaci v resonanci 1:1 zanedbatelný vliv v resonanci 3:2 vliv na nejnižší průměrnou teplotu v řádu desítek kelvinů (zvláště pro velké excentricity)

Tepelná setrvačnost I=I(z,T) charakteristická hloubka uvažované úlohy se pohybuje nejvýše v řádu metrů povrch planet bez atmosféry pokryt vrstvou regolitu vzniklého především v důsledku dopadu meteoritů regolit na povrchu Měsíce sahá do hloubek 5 až 20 metrů laboratorní měření tepelných vlastností v omezeném rozmezí teplot, dále extrapolace hustota teplotně nezávislá k, cp regolitu s teplotou vzrůstá, tedy roste také I zmírněno noční chladnutí, průměrná teplota je při uvážení nekonstantní tepelné setrvačnosti vyšší, zvláště pod povrchem

Tepelná setrvačnost I=I(z,T) hustota: tepelná vodivost: měrná tepelná kapacita: T ϵ (90,360) K T > 360 K T < 90 K Rumpf a kol. (2013)

Tepelná setrvačnost I=I(z,T) závislost k a cp na teplotě je nelineární iterativní řešení v každé vrstvě referenční teplota (z předešlého časového kroku) k, cp nová teplota kombinace s nelineární horní okrajovou podmínkou

Změny parametrů oběžné dráhy doposud jsme uvažovali konstantní a, e, β a poměr rotační a oběžné frekvence (planeta ve spin-orbitální resonanci) dva hmotné body: vzájemný oběh po stálých keplerovských drahách skutečnost: poruchy od ostatních těles, zploštělá hvězda, slapy dlouhodobý vývoj dráhy - Lagrangeovy poruchové rovnice nadále pro jednoduchost uvažujme kulová tělesa, hvězdu s jedinou planetou slapový vývoj - cirkularizace dráhy v řádu 108 až 1010 let, rychlé zarovnání rotační osy a zpomalení rotace planety

Lagrangeovy poruchové rovnice vývoj dráhy planety pod působením poruchy, kterou lze vyjádřit pomocí potenciálu V M - střední anomálie ϖ - délka periastra μ - redukovaná hmotnost n - střední denní pohyb zde za V dosadíme slapový potenciál (omezení na člen s P2) namísto r, r elementy dráhy vyjádření pomocí řad

Slapový vývoj slapová výduť v důsledku disipativních procesů pootočena od spojnice planety a hvězdy fázový rozestup ε(χ), kde χ značí lineární kombinaci rotační a oběžné frekvence časová prodleva Δt specifická disipační funkce klíčová otázka: jak závisí Q a ε na frekvenci? dva běžné modely 1) konstantní fázový rozestup 2) konstantní časový rozestup

Konstantní fázový rozestup (constant phase lag, CPL) Konstantní časový rozestup (constant time lag, CTL) opodstatněný pro Zemi viskózní model nespojitosti při χ 0 pomalu rotující tělesa pseudosynchronní rotace pseudosynchronní rotace

Slapový vývoj oba uvedené modely značně zjednodušené záchyt do resonancí je třeba studovat zvlášť Makarov & Efroimsky (2013): CPL pro pomalu rotující planety na výstředné dráze vyžaduje změnu znaménka ε dvakrát za periodu, nefyzikální CTL uvažuje odezvu pouze viskózního tělesa, použitelné pro plynné planety, méně již pro kamenné pseudosynchronní rotace pouze důsledkem zjednodušení mezi konstantním Q a konstantním Δt neexistuje jednoznačný vztah v limitě β 0, e 0 a blízko vázané rotace platí Q-1 nδt

Specifická disipační funkce Q pro kamenné planety a měsíce 10 < Q < 500 Q v modelech dlouhodobého vývoje oběžné dráhy často uvažována konstantní (v čase) obecně však Q = Q(μ,η,T), η = η(p,t) průběžné změny Q v důsledku vnitřního dynamického vývoje planety vliv na vývoj dráhy vliv na průměrnou povrchovou teplotu

CTL

CTL

Závěr uvážení nebodové hvězdy může zvýšit teplotu v některých místech povrchu o desítky až stovky kelvinů, pro blízké oběžnice je nezbytné vliv nenulové délky periastra: při vyšších výstřednostech mění maximální teplotní kontrast na planetě o desítky kelvinů teplotně závislá tepelná setrvačnost zmírňuje chladnutí povrchu Do budoucna vývoj oběžné dráhy škálovací zákony pro průměrnou povrchovou teplotu T=T(a,e,β, ) nekonstantní tepelný tok na spodní hranici vrstvy realističtější vývoj Q světelné křivky exoplanet