温带亚海王星上水云的形成与动力学：以 K2-18b 为例

对温带亚海王星 K2-18b 的哈勃空间望远镜（HST）光谱透射观测被解释为存在水蒸气及潜在的水云。一维建模研究也预测在某些条件下会形成水云。然而，此类模型无法预测由大气动力学和热对比驱动下的云量及其对光谱的实际影响。本研究的主要目标是理解 K2-18b 及其他温带亚海王星上水云的形成、分布及观测效应。我们使用三维通用环流模型（3D GCM）模拟了 K2-18b 在以 H2 为主的大气下的大气动力学、水云形成及光谱。我们分析了大气成分（金属丰度从 1 倍太阳到 1000 倍太阳）、云凝结核浓度以及行星自转速率的影响。假设 K2-18b 为同步自转，我们表明高层大气中的大气环流本质上对应于对称的昼夜环流。该环流机制优先导致在亚恒星点或晨昏线处形成云。在金属丰度 >100 倍太阳且粒子相对较大的条件下形成云。对于 100–300 倍太阳金属丰度，晨昏线处的云分数较小，对透射光谱影响有限。对于 1000 倍太阳金属丰度，晨昏线处形成非常厚的云。云的分布对云凝结核浓度和行星自转速率极为敏感。用我们的模拟光谱拟合 HST 透射数据表明金属丰度约为 100–300 倍太阳。此外，我们发现晨昏线处的云分数可能高度可变，导致透射光谱的潜在变率。这一效应在多云系外行星上可能普遍存在，并可通过多次透射观测被探测到。