Статистический подход улучшает модели атмосферы ранней Земли и экзопланет

Новый подход к моделированию фотохимических реакций в атмосфере, разработанный учёными из Penn State, может улучшить понимание атмосферы ранней Земли и помочь в поиске обитаемых условий на планетах за пределами Солнечной системы.

Исследователи сообщили в журнале JGR Atmospheres, что использование статистического метода correlated-k может улучшить существующие фотохимические модели, применяемые для понимания условий на ранней Земле.

Этот подход поможет учёным лучше понять состав атмосферы ранней Земли и будет играть важную роль, когда в ближайшие десятилетия начнут работу новые обсерватории, способные предоставлять данные об атмосферах экзопланет.

"Один из способов поиска потенциальной жизни в космосе — это поиск биосигнатур", — сказал Джим Кастинг, соавтор исследования. — "Для их обнаружения нам нужен телескоп, который даст нам спектры атмосферы. А затем фотохимическая модель, подобная нашей, может помочь рассчитать химическое состояние в атмосфере и потенциально найти биосигнатуры. И этот расчёт очень важен для поиска жизни в космосе".

Многие модели, используемые для расчётов атмосферы ранней Земли и землеподобных экзопланет, основаны на одномерной (1D) фотохимической модели, разработанной в Penn State. Эта модель симулирует атмосферную химию вдоль одного вертикального столба.

Ультрафиолетовое излучение от Солнца играет ключевую роль в формировании озона (O₃) в нашей атмосфере. Когда молекулы кислорода (O₂) поглощают излучение, они могут распадаться на свободные атомы кислорода, которые затем присоединяются к другим молекулам O₂, образуя O₃.

Однако моделирование этого поглощения затруднено из-за его сложной структуры на определённых длинах волн, называемых полосами Шумана-Рунге (SR).

• Существующие хорошие модели для поглощения SR в современной атмосфере могут не подходить для атмосфер с низким содержанием O₂, как на ранней Земле.
• Текущая версия Whole Atmosphere Community Climate Model (Национальный центр атмосферных исследований, США) хорошо моделирует поглощение УФ-излучения для современной атмосферы Земли, но пренебрегает рассеянием, которое становится важным при низких уровнях атмосферного кислорода.
• Модель Penn State включает рассеяние, но основана на устаревшей полосовой модели и не учитывает температурную зависимость химических реакций при низком уровне кислорода.

Команда обратилась к методу correlated-k, который широко используется в других климатических моделях для точной группировки различных длин волн солнечной энергии. Использование этого метода с их 1D фотохимической моделью повысило её точность для всех уровней кислорода и температурных профилей.

"Он помогает упростить проблему, группируя длины волн в полосы и предполагая, что в пределах каждой полосы свойства поглощения атмосферы коррелируют предсказуемым образом", — объяснил Аошуан Цзи, ведущий автор. — "Это обеспечивает баланс — он менее требователен к вычислительным ресурсам, чем некоторые другие методы, и при этом даёт хорошее приближение того, как излучение поглощается и рассеивается".