臭氧是分子氧的可靠示踪物吗？I. 类地大气中的 O2-O3 关系

分子氧(O2)与还原性气体配对被视为类地系外行星大气表征中一种有前景的生物标志组合。在 O2 可能无法在行星大气中探测到的情况下(例如在中红外波段),有人提出臭氧(O3)——O2 的光化学产物——可作为示踪物来推断 O2 的存在。然而,O3 的产生对 O2 具有非线性依赖,并受到宿主恒星 UV 光谱的强烈影响。为评估 O3 作为 O2 示踪物的可靠性,我们使用一维耦合气候/光化学代码 Atmos,研究了围绕各类宿主恒星(G0V-M5V)且具不同 O2 丰度的“类地”宜居带行星的 O2-O3 关系。总体而言,我们发现 O2-O3 关系随宿主恒星显著不同,并在较热恒星(G0V-K2V)与较冷恒星(K5V-M5V)间呈现不同趋势。绕较热宿主恒星运行的行星在 O2 水平从地球现大气水平(PAL)的 100% 初始降低时,臭氧反而增加,最大 O3 丰度出现在 25–55% PAL O2 处。随着 O2 丰度初始下降,更多能引发 O2 光解的 UV 光子到达大气较低(较密)区域,而此处 O3 产生更高效,导致 O3 水平升高。该效应在较冷宿主恒星(K5V-M5V)中不出现,因为其较弱的入射 UV 通量无法使 O3 在足够致密的大气区域形成,而那里更快的 O3 产生才能抵消用以生成 O3 的较小 O2 源。总体而言,从 O3 测量推断精确 O2 水平将极为困难(或不可能),但结合宿主恒星 UV 光谱信息与情境线索,O3 将提供关于系外行星潜在表面宜居性的宝贵信息。