Atmospheres of Earths and Super Earths - NExScI

Report 12 Downloads 183 Views
Atmospheres of Earths and Super Earths Jonathan Fortney, UC Santa Cruz Thanks to: Eliza Kempton, Kevin Zahnle, Mark Marley

Atmospheres:  Primary  vs.  Secondary   •   When  most  people  think  of  Earths  &  Super  Earths,  they  think  of  Secondary   Atmospheres,  those  not  accreted  directly  from  the  protoplanetary  nebula   (which  are  H2  and  He  rich).     •   The  secondary  atmospheres  come  from  outgassing  from  the  planet’s   interior.    The  refractory  “interior”  elements  lose  their  volaIles  upon   heaIng.   • This  can  occur  during  accreIon  and  subsequently,  due  to  tectonic  acIvity    e.g.,  Earth,  Venus,  Mars,  Titan     •   Jupiter,  Saturn,  Uranus,  &  Neptune  are  our  Primary  Atmospheres,  with  a   relaIve  enhancement  of  metals  compared  to  solar  increasing  from  ~3X   (Jupiter)  to  ~50X  (Uranus  and  Neptune)   •   Takeaway  Messages:   •   Even  relaIvely  simple  Primary  Atmospheres  around  Super  Earths  /   Sub  Neptunes  can  be  complicated  to  Characterize   •   People  are  working  towards  an  understanding  of  the  rich  processes   that  effect  the  formaIon,  evoluIon,  and  loss  of  Secondary  

Kepler:  Planets  Somewhat  Smaller  Than  Neptune   Much  More  Common  than  “Actual  Neptunes”  

Howard  et  al.  (2011)  

2-­‐3  Earth  Radii  Strongly  Suggests  a  H-­‐ dominated  Atmosphere  for  Many  Planets   Fortney,  from  SS  Decadal  Survey  

Kepler-­‐11   • The  most  densely-­‐packed   planetary  system  yet  found   • 5  planets  within  the  orbit  of   Mercury     • RelaIvely  low  density  for  all   planets  implies  thick  H/He   atmospheres  for  most    

Lissauer  et  al.  (2011)  

Kepler-­‐11:    The  Mass-­‐Radius  View  

GJ  1214b  

Lissauer  et  al.  (2011)  

•   Modeled  as  rock-­‐iron  cores  with  water  or  H/He  envelopes   •   Atmospheric  escape  with  Ime  is  ignored  

Atmospheric  Gain  and  Loss   CoRoT-­‐7b  

Jackson  et  al.  (2010),  also  Valencia  et  al.  (2010)  

Alibert  et  al.  (2005)  

•   The  tremendous  number  of  failed  core-­‐ accreIon  planets  in  the  “super  Earth”   mass  regime  will  tell  us  much  about   accumulaIng  H2  from  the  nebula,  if  we   can  understand  the  H-­‐loss  processes  well.   •   (And  possible  H-­‐outgassing-­‐-­‐-­‐see  later)  

Strongly  Super-­‐Solar  Abundances  Can  Affect  CharacterizaIon   • Metal  enrichments  of  ~100X  solar  are  quite   reasonable  for  low-­‐mass  primary  atmospheres   • Will  strongly  affect  gaseous  opacity,  cloud  opIcal   depths,  but  more  modestly  on  atmospheric  mean   molecular  weight  

X  Imes  solar  abundances  

Necelmann  et  al.  (2011)  

FracIon  of  Planet  Mass  that  is  H-­‐atmosphere   Fortney  (2005)  

Secondary  Atmospheres:    Imagine  the  PossibiliIes   Planet  FormaIon  

Equilibrium  Chemistry  

Cooling  History  

Planet  Temperature  

Cluster  Environment  

Outgassing  of  VolaIles  

Mass  Loss  

Planet  LocaIon   Planet  Surface  Gravity  

Parent  Star  Spectrum  

Planet  FormaIon:  ComposiIon   Raymond  et  al.  (2006)  

• What  is  the  planet  made  of?   • What  are  the  raw  materials  from  which  the  atmosphere  will  be  made?   • What  are  the  complements  of  volaIle  and  refractory  elements?  

Planet  FormaIon:  ComposiIon  

Bond,  O’Brien,  &  Laureca  (2010)  

Low  C/O   Solar  C/O  

High  C/O  

Planet  FormaIon:  ComposiIon  

Asphaug  (2010)  

• However,  the  formaIon  models  generally  assume  perfect  sIcking   • This  means  that  the  resulIng  composiIon  predicIons  will  be  imperfect  

Planet  FormaIon  

Equilibrium  Chemistry  

Cooling  History  

Planet  Temperature  

Cluster  Environment  

Outgassing  of  VolaIles  

Mass  Loss  

Planet  LocaIon   Planet  Surface  Gravity  

Parent  Star  Spectrum  

Outgassing  from  a   Planet’s  Interior  

The  raw  materials  that   make  up  your  planet,   and  the  chemistry   within  the  planet,  lead   to  what  kind  of   outgassed   atmosphere?    

Elkins-­‐Tanton  &  Seager  (2008)  

Planet  FormaIon  

Equilibrium  Chemistry  

Cooling  History  

Planet  Temperature  

Cluster  Environment  

Outgassing  of  VolaIles  

Mass  Loss  

Planet  LocaIon   Planet  Surface  Gravity  

Parent  Star  Spectrum  

Equilibrium  Chemistry  of  the  Outgassed   VolaIles  

Schaefer  &  Fegley  (2010)  

• Also,  what  about   outgassing  from   samples  NOT  found   in  our  meteorite   samples?     • Outgassing  RATE   will  be  a  funcIon  of   age  and  planet  mass  

Planet  FormaIon  

Equilibrium  Chemistry  

Cooling  History  

Planet  Temperature  

Cluster  Environment  

Outgassing  of  VolaIles  

Mass  Loss  

Planet  LocaIon   Planet  Surface  Gravity  

Parent  Star  Spectrum  

Once  Outgassed,  What  is  Lost?   Using  a  hydrodynamic   escape  model,  Tian  et   al.  (2005)  found  that   previous  assumpIons   regarding  Earth’s  loss   rate  of  H2  were  ~100X   too  large     A  reducing   atmosphere  for  the   early  Earth    Origin   of  Life?    

Tian  et  al.  (2005)  

• This  is  a  hydrodynamic  escape  model,  similar  to  what  has  been  applied  to  the  hot  Jupiters    

The  “Cosmic  Shoreline”   Lighter  atoms  and  molecules   preferenIally  lost,  which   depends  strongly  on  the   atmospheric  temperature   (irradiaIon  level)  and   surface  gravity  /  escape   velocity     Jeans  escape  only  gives  one   a  crude  esImate,  as  well   established  in  the  solar   system  and  for  hot  Jupiters  

Elkins-­‐Tanton  &  Seager  (2008)  

Kevin  Zahnle,  personal  communicaIon  

Planet  FormaIon  

Equilibrium  Chemistry  

Cooling  History  

Planet  Temperature  

Cluster  Environment  

Outgassing  of  VolaIles  

Mass  Loss  

Planet  LocaIon   Planet  Surface  Gravity  

Parent  Star  Spectrum  

Surface  Gravity  Effects  are  Apparent  

Planet  FormaIon  

Equilibrium  Chemistry  

Cooling  History  

Planet  Temperature  

Cluster  Environment  

Outgassing  of  VolaIles  

Mass  Loss  

Planet  LocaIon   Planet  Surface  Gravity  

Parent  Star  Spectrum  

We  Should  Also  Think  of  Atmospheres   as  a  FuncIon  of  log  (Age)   •   What  is  abundant  and  observable  at  106,  107,  108,  109,  1010  years?  

Zahnle  et  al.  (2007):  “Emergence  of  a  Habitable  Planet,”  Space  Sci  Rev  (2007)  129:  35-­‐78  

Hot  Super-­‐Earths,  Post  Collision  

Miller-­‐Ricci  (now,  Kempton)  et  al.  (2009)  

Planet  FormaIon  

Equilibrium  Chemistry  

Cooling  History  

Planet  Temperature  

Cluster  Environment  

Outgassing  of  VolaIles  

Mass  Loss  

Planet  LocaIon   Planet  Surface  Gravity  

Parent  Star  Spectrum  

DramaIc  Incident  Flux  VariaIons  over  Wavelength  and  Time  

Zahnle  et  al.  (2007)  

This  will  obviously  differ  for  different  parent  stars  

High  Incident  UV  Fluxes  in  the  Neighborhood  

OB  associaIons  near  the  young  parent  star?  

Conclusions   •   Given  that  it  should  be  much  easier  to  characterize  the  H-­‐rich  atmospheres   of  low-­‐mass  planets,  that  will  be  an  important  next  fronIer   •   Don’t  expect  all  primordial  atmospheres  to  be  the  same   • What  a  planet  has  for  your  atmospheric  raw  materials  is  the  product  of  the   stochasIc  planet  formaIon  process   • What  happens  to  the  materials  once  liberated  depends  on     •   their  relaIve  abundances   •   the  surface  gravity  of  the  planet   •   the  environment  of  the  planet   •   the  environment  of  the  planetary  system   •   I  clearly  haven’t  covered  all  possibiliIes!     •   A  modest  proposal:    A  super-­‐Monte  Carlo?   •   N-­‐body  planet  formaIon,  keeping  track  of  composiIon,  and  migraIon   •   Planetary  cooling  and  outgassing   •   Atmospheric  chemistry  and  and  mass  loss   •   Various  parent  stars,  cluster  environments,  as  a  funcIon  of  age   •     A  view  of  the  what  we  may  see?  

Recommend Documents