潮汐锁定类地系外行星上闪电诱导的化学反应

确定系外行星的宜居性并解释其大气光谱，需要理解其大气物理与化学。我们使用三维耦合气候-化学模式，即搭载 UK Chemistry and Aerosols 框架的 Met Office Unified Model，研究潮汐锁定类地系外行星上闪电的产生及其化学影响。我们模拟了位于其 M 型矮星宜居带内的 Proxima Centauri b 的大气，但结果适用于类似的绕 M 型矮星运行的行星。我们的化学网络包含 Chapman 臭氧反应以及氢氧化物（HO$_{\mathrm{x}}$=H+OH+HO$_2$）和氮氧化物（NO$_{\mathrm{x}}$=NO+NO$_2$）催化循环。我们发现，由恒星辐射（177–850 nm）驱动的光化学在 20–50 km 之间支撑了一个全球臭氧层。我们将闪电闪光参数化为云顶高度的函数，以及由此由 N$_2$ 和 O$_2$ 热分解产生的氧化氮（NO）。亚恒星点上方及周围的快速昼侧对流导致闪电闪率高达 0.16 flashes km$^{-2}$yr$^{-1}$，使 20 km 以下昼侧大气富含 NO$_{\mathrm{x}}$。昼侧臭氧的变化主要由 UV 辐照度和 HO$_{\mathrm{x}}$ 催化循环决定。约 45% 的行星昼侧表面保持在宜居温度（T$_{\mathrm{surf}}$>273.15 K），且臭氧层将表面 UV 辐射水平降低至 15%。昼侧-夜侧热梯度导致强风，随后将 NO$_{\mathrm{x}}$ 平流至夜侧，在那里光化学的缺失使得 NO$_{\mathrm{x}}$ 化学涉及储库物种。我们的研究还强调了获取准确 UV 恒星光谱以理解系外行星大气化学的必要性。