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Title
Modeling of the interaction between stellar wind plasma and the upper atmosphere of exoplanets as a tool for evolution studies / Kristina Kislyakova
AuthorKislyakova, Kristina
CensorHanslmeier, Arnold ; Lammer, Helmut
Published2014
DescriptionXIX, 181 S. : 2 Zsfassungen ; Ill., graph. Darst.
Institutional NoteGraz, Univ., Diss., 2014
Annotation
Zsfassungen in dt. und engl. Sprache
LanguageGerman
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (GND)Extrasolarer Planet / Hochatmosphäre / Sternwind / Strahlung / Extrasolarer Planet / Hochatmosphäre / Sternwind / Strahlung / Online-Publikation
URNurn:nbn:at:at-ubg:1-63810 Persistent Identifier (URN)
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Modeling of the interaction between stellar wind plasma and the upper atmosphere of exoplanets as a tool for evolution studies [6.49 mb]
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Abstract (German)

Ziel dieser Arbeit ist, die Wechselwirkungsprozesse zwischen der stellaren Strahlung und dem Sternwindplasma und der oberen Atmospäre von Exoplaneten zu untersuchen. Diese Prozesse spielen eine wichtige Rolle in der Evolution der Planetenatmosphären und können das Klima der terrestrischen Planeten, oder die Atmosphärenstruktur der heissen Gasriesen bedeutend beeinflussen. Die Direct-Simulation Monte-Carlo (DSMC) Methode wurde benutzt, um die Wechselwirkung zwischen Sternwindprotonen und neutraler wasserstoffreicher oberer Atmosphäre zu modellieren. Der Code schliesst verschiedene Schwerkrafteffekte ein, die im rotierenden Bezugssystem entstehen, und Gezeitenkräfte, Ladungsaustausch, Photo- und Elektronionization. Im ersten Teil wird der Code benutzt, um die nicht-thermischen "pick-up" Verlustraten der terrestrischen Exoplaneten, deren Atmosphären von Wasserstoff dominiert sind, abzuschätzen und den Einfluss auf die Atmosphärenevolution zu erforschen, indem man die sich ändernden Sterwindbedingungen und das Strahlungsniveau des Sterns in Betracht zieht.Die Abschätzung der thermischen Wasserstoffluchtraten unter verschiedenen Bedingungen wird ebenfalls berechnet. Der Monte-Carlo Algorithmus wurde auch benutzt, um die Transitbeobachtungen des "Heissen Jupiters" HD 209458b von dem Hubble-Weltraumteleskop zu reproduzieren. Das Lyman-alpha Transitspektrum wurde nach der modellierten Korona rekonstruiert. Der Vergleich der Simulation mit der Beobachtung erlaubt es einige Schlussfolgerungen über die Struktur der oberen Atmosphäre zu treffen.Die Arbeit ist ein Versuch die wichtigsten Prozesse zu bestimmen, die in der Atmosphärenevolution von Exoplaneten eine wichtige Rolle spielen, indem man den Einfluss von der Aktivität des Sterns und von dem planetarischen Dynamo auch in Betracht zieht.

Abstract (English)

The aim of this Thesis is to consider the radiation and plasma interaction processes between stellar wind plasma and upper atmospheres of exoplanets. These processes play an important role in the evolution of planetary atmospheres and can significantly influence the climate of terrestrial-type planets or the atmosphere structure of hot gas giants. In the current study a Direct-Simulation Monte-Carlo (DSMC) algorithm was used to model the interaction between stellar wind protons and the neutral hydrogen-rich upper atmospheres. The code operates with so-called metaparticles each representing a certain number of real particles. It includes various gravitational effects arising in rotating reference frame, and tidal forces, charge-exchange reaction, photo- and electron impact ionization. In the first part of the study the nonthermal ion pick-up escape from hydrogen-dominated atmosphere of terrestrial exoplanets and its influence on the evolution taking into account changing stellar wind conditions and radiation level of the host star is estimated.The estimations of the hydrogen thermal escape rates under various conditions are presented as well. The DSMC code was also used to reproduce the transit observations of the "Hot Jupiter" HD 209458b performed by the Hubble Space Telescope. The Lyman-alpha in-transit spectrum based on the modeled corona was reconstucted. Comparison with the observations allows one to make some conclusions about the upper atmosphere structure, plasma environment in the vicinity of the exoplanet and indirectly about the strength of the planetary magnetic field.In general, the work is an attempt to reveal the most significant processes playing a role in the atmospheric evolution of exoplanets influenced by the changing stellar environment and planetary dynamo.