冥王星逃逸大气层的混合流体/动力学建模

为筹备 2015 年新视野号（New Horizons）航天器的飞掠任务，预测冥王星高层大气的逃逸速率和热结构对于规划和解读预期测量结果至关重要。冥王星具有中等的金斯参数（Jeans parameter），其大气层既不符合类地行星轻物种逃逸的经典金斯逃逸（Jeans escape）定义，也不符合彗星和某些系外行星的流体动力学外流特征。长期以来有观点认为，冥王星处于慢速流体动力学逃逸区域。我们此前利用混合流体/分子动力学模型表明，该模型的典型实现无法正确描述太阳活动极小期条件下高层大气的温度结构。在此，我们使用时变求解器将模拟扩展至更高的加热率，并考察了在高层边界条件中使用类金斯逃逸表达式的流体模型。我们将这些模型与在大致代表太阳活动极小期和平均加热条件下的大气混合模拟进行了比较，因为这些条件涵盖了新视野号飞掠期间预期的情况。虽然我们发现逃逸速率与此前慢速流体动力学逃逸模型估算的结果相当，且大致符合能量限制逃逸（energy limited escape），但我们的模型产生了更为延展的大气层，其更高的温度与近期对 CO 的观测结果大致一致。这种延展的大气层将受到卡戎（Charon）的影响，并会影响新视野号飞掠时冥王星与太阳风的相互作用。鉴于我们此前已证明此类模型具有可缩放性，这些结果对于常采用能量限制逃逸近似进行建模的系外行星大气层研究具有启示意义。