巨行星上的尘埃烧蚀：对平流层光化学的影响

行星际尘埃的烧蚀为木星、土星、天王星和海王星的高层大气提供氧。利用近期动力学模型对巨行星尘埃流入率的预测（Poppe, A.R. 等 [2016], Icarus 264, 369），我们计算了烧蚀剖面，并研究了这些行星平流层中随后耦合的氧-烃中性光化学过程。我们发现，来自边缘-柯伊伯带、木星族彗星和奥尔特云彗星的尘埃颗粒为木星提供的有效氧流入率为 1.0$^{+2.2}_{-0.7} \, \times \, 10^7$ O 原子 cm$^{-2}$ s$^{-1}$，为土星提供 7.4$^{+16}_{-5.1} \, \times 10^4$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$，为天王星提供 8.9$^{+19}_{-6.1} \, \times \, 10^4$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$，为海王星提供 7.5$^{+16}_{-5.1} \, \times \, 10^5$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$。烧蚀氧的去向部分取决于初始输送产物的分子/原子形式及其沉积的高度。主要的平流层产物是 CO、H$_2$O 和 CO$_2$，它们在光化学上相对稳定。模型与数据的比较表明，行星际尘埃颗粒为木星和天王星提供了外部氧的重要组成部分，但远不足以解释目前在土星和海王星中层平流层中观测到的 CO 丰度。我们的结果与所有巨行星在过去几百年内都经历过大型彗星撞击的理论一致。我们的结果还表明，木星平流层中较低的背景 H$_2$O 丰度表明，在烧蚀过程中或刚结束后，流星氧被有效转化为 CO——仅凭光化学无法在巨行星上将 H$_2$O 高效转化为 CO。