高温岩石系外行星矿物大气的流体动力学逃逸。I. 模型描述

近期的系外行星统计表明，光致蒸发对近距离低质量行星的质量和整体成分有很大影响。尽管已有许多研究探讨富氢或富水大气的光致蒸发，但关于岩石蒸气大气（或矿物大气）的详细研究尚未开展。本文中，我们建立了一个由 Na、Mg、O、Si、它们的离子和电子组成的受 UV 辐照矿物大气的一维流体动力学新模型，包含分子扩散、热传导、光化学与热化学、X 射线与 UV 加热，以及辐射线冷却（即光学厚度与非 LTE 效应）。本文重点在于描述我们的方法学，但也给出了一些新发现。我们的流体动力学模拟表明，来自宿主恒星的入射 X 射线和 UV 能量几乎全部转化为冷却剂气体物种（如 Na、Mg、Mg$^+$、Si$^{2+}$、Na$^{3+}$ 和 Si$^{3+}$）的辐射发射并由此损失。对于一个绕年轻太阳型恒星在 0.02~AU 处运行的地球大小行星，我们发现 X 射线和 UV 加热效率小至 $1 \times 10^{-3}$，对应于简单地对所有方向积分所得 0.3~$\Mearth$/Gyr 的质量损失率。由于这种高效冷却，$1\Mearth$ 质量高温岩石系外行星的矿物大气光致蒸发在质量上不足以对行星质量和整体成分产生重大影响。这表明，尺寸大于地球半径的近距离高密度系外行星能在高 UV 环境中存留。