相关 k 分布法在大气逃逸模拟中的数值性能

大气逃逸对于理解太阳系内外行星的演化以及解释大气观测至关重要。虽然流体动力学逃逸模拟已经积极开发并纳入了紫外加热、化学反应和辐射冷却等详细过程，但为了降低数值成本，分子的辐射冷却通常被视为选自特定谱线或转动/振动带的发射。然而，随意选择辐射谱线可能会导致冷却速率估计不准确，因为对大气冷却重要的谱线或波长取决于温度和光学厚度等发射条件。在本研究中，我们将相关 k 分布（CKD）方法应用于含有 H$_2$O 或 CO 作为辐射物质的 H$_2$ 主导跨音速大气的冷却速率计算，以调查其数值性能以及考虑分子所有谱线的重要性。我们的模拟表明，弱谱线的总和在光学薄条件下仅提供总谱线发射能量的 1%，但在光学厚区域（尤其是含 H$_2$O 的大气）可能成为辐射冷却的主要来源。此外，在我们的流体动力学模拟中，发现波长分辨率为 1000 的 CKD 方法是有效的，允许以可接受的数值成本计算逃逸率和温度剖面。我们的结果显示了处理所有辐射谱线的重要性以及 CKD 方法在流体动力学逃逸模拟中的有用性。这对于小型系外行星（包括超级地球）中考虑的重元素富集大气尤为实用，无需预先选择有效谱线。