基于第一性原理的致密水状态方程用于行星与系外行星建模
地球与行星天体物理
2021-08-31 v2
摘要
作为迈向致密水多相状态方程的第一步，我们发展了致密水的温度依赖状态方程，覆盖液态与等离子体区域，并延伸至超离子与气态区域。该状态方程覆盖行星建模中遇到的完整条件范围。我们使用第一性原理量子分子动力学模拟及其 Thomas-Fermi 扩展，以达到巨行星中数倍于木星尺寸的最高压力。利用这些结果以及较低压力下的可用数据，我们获得了在该扩展温度与压力域上调整的亥姆霍兹自由能参数化。该参数化忽略了相边界处的熵与密度跳跃，但我们表明其足够精确以建模大多数行星与系外行星的内部性质。我们给出了以解析形式给出的、可直接用于行星建模代码与动力学模拟的状态方程（fortran 实现见 http://www.ioffe.ru/astro/H2O/）。所产出的 EOS 对行星建模相关的整个密度范围有效，对离子量子效应可忽略的密度有效，且对低于 50,000K 的温度有效。我们使用该状态方程计算高达 5,000M_Earth 的系外行星的质量-半径关系，探索海洋与湿润类地行星中的温度效应，并量化水 EOS 对木星核的引力矩的影响。
引用
@article{arxiv.1810.05658,
title = {Ab initio based equation of state of dense water for planetary and exoplanetary modeling},
author = {S. Mazevet and A. Licari and G. Chabrier and A. Y. Potekhin},
journal= {arXiv preprint arXiv:1810.05658},
year = {2021}
}
备注
13 pages, 18 figures. In v.2, Eq.(13) and the value of S_0 are corrected