褐矮星与系外行星大气中的电离 V：阿尔文电离

对低质量天体连续射电辐射和偶发 X 射线辐射的观测表明，其大气环境中存在局域等离子体。对于低质量天体，热电离程度不足以将电离组分视为等离子体，这就提出了一个问题：什么样的电离过程能够有效地产生作为辐射源的所需等离子体？我们提出阿尔文电离 (Alfv\'{e}n ionization) 作为一种在大气中产生局域电离气体袋的机制，其具有足够的电离度 ($\geq10^{-7}$) 从而构成等离子体。我们概述了阿尔文电离所需的标准，并证明了其在太阳金属丰度和亚太阳金属丰度下，适用于巨气态行星、褐矮星和 M 型矮星等低质量天体的大气。我们发现，阿尔文电离在中低大气压下效率最高，因为在这些区域种子等离子体更容易被磁化，且驱动所需中性流所需的压力梯度最小。对于所考虑的大气模型，我们的结果表明，阿尔文电离可产生 $10^{-6}-1$ 的电离度。可观测的后果包括连续轫致辐射 (Bremsstrahlung) 发射，并叠加来自等离子体离子物种的光谱线（例如 He、Mg、H$_{2}$ 或 CO 线）。亚稳态布居也预期会产生禁戒线。大气等离子体的存在为当前大气模型中尚未考虑的多种等离子体和化学过程打开了大门。阿尔文电离的发生也可能适用于其他天体物理环境，如原行星盘。