[論文レビュー] Clouds in the atmospheres of extrasolar planets. III. Impact of low and high-level clouds on the reflection spectra of Earth-like planets

Daniel Kitzmann, A. B. C. Patzer+3 more|elib (German Aerospace Center)|Aug 16, 2011

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 33被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、異なる星型の周囲に回る地球型系外惑星の低分解能反射スペクトルおよび惑星アリデュオに、低レベルの水雲と高レベルの氷雲がどのように影響するかを調査する。1次元放射平衡対流モデルにパラメトリックな雲スキームを組み合わせた手法を用い、雲、特に低レベルの雲がスペクトルアリデュオと分子吸収特徴を顕著に増幅するが、その結果生じる惑星のコントラストは、現在の望遠鏡では直接検出可能な水準に達しないことが判明した。

ABSTRACT

We study the influence of low-level water and high-level ice clouds on low-resolution reflection spectra and planetary albedos of Earth-like planets orbiting different types of stars in both the visible and near infrared wavelength range. We use a one-dimensional radiative-convective steady-state atmospheric model coupled with a parametric cloud model, based on observations in the Earth's atmosphere to study the effect of both cloud types on the reflection spectra and albedos of Earth-like extrasolar planets at low resolution for various types of central stars. We find that the high scattering efficiency of clouds substantially causes both the amount of reflected light and the related depths of the absorption bands to be substantially larger than in comparison to the respective clear sky conditions. Low-level clouds have a stronger impact on the spectra than the high-level clouds because of their much larger scattering optical depth. The detectability of molecular features in near the UV - near IR wavelength range is strongly enhanced by the presence of clouds. However, the detectability of various chemical species in low-resolution reflection spectra depends strongly on the spectral energy distribution of the incident stellar radiation. In contrast to the reflection spectra the spectral planetary albedos enable molecular features to be detected without a direct influence of the spectral energy distribution of the stellar radiation. Here, clouds increase the contrast between the radiation fluxes of the planets and the respective central star by about one order of magnitude, but the resulting contrast values are still too low to be observable with the current generation of telescopes.

研究の動機と目的

• 低レベルの水雲および高レベルの氷雲が地球型系外惑星の反射スペクトルおよびアリデュオに与える影響を評価すること。
• 異なる星型のスペクトルエネルギー分布が、低分解能スペクトルにおける大気分子特徴の検出可能性に与える影響を評価すること。
• 惑星アリデュオが星のスペクトル入力に依存しない形で分子特徴の検出を可能にするかを特定すること。
• 曇り空および晴れ間の状況下での、惑星の反射光と星の放射の間のコントラストを定量化すること。
• 現在の世代の望遠鏡観測において、バイオマーカーのシグネチャ（例：O2、O3）を検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 地球の大気観測に基づくパラメトリックな雲モデルを組み合わせた1次元放射平衡対流定常状態大気モデルを用いた。
• 表面温度の全球平均を288 Kに保つために、低レベルおよび高レベルの雲の雲量を変化させた組み合わせを用いて雲の影響をシミュレートした。
• F型、G型、K型、M型の星の可視光および近赤外（NUV–NIR）波長範囲における低分解能の反射スペクトルおよびスペクトルアリデュオを計算した。
• 合成スペクトルおよびディスク統合アリデュオを、異なる雲状態および星の種類の下で計算するために、SMART線別放射移動コードを用いた。
• 各波長で、反射惑星放射の量と入射星放射の比として、惑星コントラスト $C_{\lambda}$ を計算した。
• 雲なしと雲ありの状況を比較することで、雲の散乱が検出可能性およびスペクトル特徴に与える影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低レベルおよび高レベルの雲は、地球型系外惑星のスペクトルアリデュオおよび反射スペクトルにどのように影響するか？
• RQ2 異なる星型のスペクトルエネルギー分布は、低分解能反射スペクトルにおけるO2 やO3 などの分子特徴の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 スペクトル惑星アリデュオは、星のスペクトルエネルギー分布に依存しない形で分子特徴の検出を可能にするか？
• RQ4 雲は、惑星の反射光と星の放射との間のコントラストをどの程度増幅するか？
• RQ5 現在の望遠鏡が、雲が影響を及ぼしたスペクトルをどの程度まで観測可能とするか？

主な発見

• 低レベルの雲は、高い散乱光学厚さのおかげで、高レベルの雲よりもスペクトルアリデュオと吸収バンドの深さを顕著に増幅する。
• 雲は、反射光とバンドコントラストを増加させることで、低分解能反射スペクトルにおけるO2 やO3 などの分子特徴の検出可能性を向上させる。
• O3 のチャッピス帯は、高雲量の状況下でのK型星の周囲の低分解能スペクトルでのみ検出可能であり、M型星のスペクトルでは関連波長範囲での星の放射が不十分なために検出不可能である。
• 惑星アリデュオは、星のスペクトルエネルギー分布に依存せず、高雲量の状況下でK型星およびM型星のケースにおいてO3 およびO2 の特徴を可視化可能にする。
• 雲の影響によりコントラストが1桁増加したものの、最大コントラスト値（F型星では $10^{-9}$、M型星では $10^{-7}$）は、現在の望遠鏡では依然として検出不能な水準にとどまる。
• 雲からの偏光光散乱は、将来的に曇りの系外惑星の大気を特徴づけるための道筋を提供するが、現在の機器では実現不可能である。