一维辐射传输方程的球谐函数方法 I：反射光
地球与行星天体物理
2023-06-14 v1 天体物理仪器与方法
太阳与恒星天体物理
摘要
系外行星与褐矮星大气辐射传输理论中的一个重大挑战是推导计算高效且对更精确、数值要求苛刻的解具有足够保真度的方法。在本工作中，我们扩展了首个用于计算任意相位几何下系外行星反射光的开源辐射传输模型 PICASO（行星大气光谱观测强度代码）的能力。迄今为止，PICASO 对反射光辐射传输方程实现了两流方法，具体遵循 Toon 等人 (1989)（Toon89）的推导。为提高模型精度，我们考虑了相函数的高阶近似，即利用球谐函数将近似阶数从 2 提高到 4。球谐函数近似通过将强度和相函数展开为球谐函数或勒让德多项式的级数，解耦空间与方向依赖，从而允许低阶近似的解析解以优化计算效率。我们严格推导了反射光的球谐函数方法，并将 4 项方法 (SH4) 与 Toon89 以及两种独立且更高保真度的方法（CDISORT 与倍增法）进行基准比较。平均而言，与 Toon89 相比，SH4 方法精度提高一个数量级。最后，我们在 PICASO 中实现了 SH4，观察到与两流方法相比计算时间仅适度增加（增加 20%）。
引用
@article{arxiv.2304.04829,
title = {Spherical Harmonics for the 1D Radiative Transfer Equation I: Reflected Light},
author = {Caoimhe M. Rooney and Natasha E. Batalha and Mark S. Marley},
journal= {arXiv preprint arXiv:2304.04829},
year = {2023}
}
备注
Accepted ApJ; 27 pages; 5 figures; Code available at https://github.com/natashabatalha/picaso; Zenodo release at https://zenodo.org/record/7765171#.ZC3G7uzMI8Y; Tutorials/figure reproducibility at https://natashabatalha.github.io/picaso/notebooks/10b_AnalyzingApproximationsReflectedLightSH.html