自洽模型大气与太阳系巨行星的冷却

我们为木星、土星、天王星和海王星计算了在一系列内禀通量和表面重力范围内的辐射-对流模型大气网格。这些大气网格作为行星热演化模型的上边界条件。与以往工作不同，我们针对每颗行星的具体特性定制了这些网格，包括适当的化学丰度和作为太阳系年龄函数的入射通量。利用这些网格，我们计算了主要行星热演化的新模型，试图匹配它们在已知年龄时的测量光度。与以往工作相比，我们发现了更长的冷却时间，这主要是由于年轻时期的大气不透明度更高。对于所有行星，我们采用了简单的“标准”冷却模型，其特征是内部H/He和水层中的绝热温度梯度，以及用于计算后续冷却的初始高温起点。对于木星，我们发现模型冷却年龄比以往工作长10%，这是一个适度的定量差异。这可能表明这里使用的氢状态方程高估了行星深内部的温度。对于土星，我们发现模型冷却年龄比以往工作长20%。然而，仍然明显需要额外的能源，例如由氦相分离引起的能源。对于海王星，与1980年代和1990年代的工作不同，我们用一个也匹配行星当前重力场的模型匹配了行星的测量有效温度。这主要是由于水状态方程的进步。这可能表明该行星的深内部没有阻碍有效对流的障碍。然而，对于天王星，我们的模型加剧了众所周知的问题，即天王星远低于计算预测的温度，这可能意味着内部对流冷却存在强障碍。