Atmospheric MHD simulations of Hot Jupiters to study winding, non-ideal effects and turbulence
Els Hot Jupiters (HJs), una classe d'exoplanetes gegants gasosos que orbiten molt a prop de les seves estrelles, amb temperatures d'equilibri que superen els 1000 K, representen alguns dels entorns planetaris més extrems coneguts. Les seves propietats tèrmiques i químiques, modelades per l...
| Autor: | |
|---|---|
| Formato: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Recursos: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:325297 |
| Acesso em linha: | https://ddd.uab.cat/record/325297 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palavra-chave: | Exoplanetes Exoplanets Exoplanetas MHD Júpiter calent Hot Jupiter Jupiter caliente Ciències Experimentals |
| Resumo: | Els Hot Jupiters (HJs), una classe d'exoplanetes gegants gasosos que orbiten molt a prop de les seves estrelles, amb temperatures d'equilibri que superen els 1000 K, representen alguns dels entorns planetaris més extrems coneguts. Les seves propietats tèrmiques i químiques, modelades per la intensa irradiació estel·lar i la dinàmica atmosfèrica complexa, els converteixen en laboratoris ideals per estudiar la interacció entre radiació, dinàmica atmosfèrica i efectes magnètics. Tot i que els models hidrodinàmics han estat àmpliament desenvolupats, el paper dels camps magnètics en les atmosferes dels HJs ha rebut relativament menys atenció. Aquesta tesi aborda aquesta mancança mitjançant l'estudi de processos magnetohidrodinàmics (MHD) a través de simulacions locals, centrant-se en el règim no lineal on els camps induïts són comparables al camp magnètic intern. En la primera part de la tesi, presento simulacions MHD locals en 3D d'una columna atmosfèrica estreta representativa de les capes radiatives diürnes de HJs ultra-calents (T ≳ 3000 K). L'objectiu és avaluar els efectes de l'enrotllament del camp magnètic generat pels forts vents zonals i l'aparició de turbulència MHD. Amb perfils de velocitat parametritzats inspirats en models de circulació general (GCMs) i assumint un fons isòterm, les simulacions mostren que els fluxos zonals estiren el camp magnètic de manera eficient, generant components toroidals intensos concentrats en capes de cisalla al voltant d'∼1 bar. Aquests camps, amb intensitats de l'ordre de kilogauss, es mantenen mitjançant corrents meridionals i són en gran part independents d'un dínamo intern. Es introdueixen pertorbacions aleatòries per afavorir l'aparició de turbulència i una possible amplificació addicional del camp. Tot i que aquesta amplificació és secundària, podria tenir un paper en la dissipació energètica. Una estimació de la dissipació òhmica suggereix que aquest mecanisme podria contribuir a la inflació del radi observat en molts HJs. El segon estudi incorpora els efectes no ideals de la MHD (difusió òhmica, deriva Hall i difusió ambipolar) en models unidimensionals amb geometria pla-paral·lela. Superant l'escenari isòterm, utilitzo perfils de temperatura i vent derivats de GCMs per a cinc HJs representatius: WASP-76b, WASP-18b, WASP-121b, HD 209458b i HD 1189733b. Tot i que l'enrotllament no lineal del camp continua essent el mecanisme dominant, els termes Hall i ambipolar modifiquen significativament la geometria del camp a baixes pressions (p ≲ 1 bar), sobretot en els planetes més calents. Malgrat que la geometria pla-paral·lela limita l'acoblament dinàmic, els resultats mostren la complexitat de la inducció magnètica en condicions realistes i la necessitat de considerar aquests efectes més enllà del règim lineal habitual. En la tercera part de la tesi, amplio l'estudi a simulacions MHD no ideals tridimensionals. Partint d'un estat d'equilibri 1D entre enrotllament i dissipació òhmica, s'introdueixen pertorbacions tridimensionals a petita escala en el terme de forçament. Aquestes generen estructures magnètiques coherents superposades al camp azimutal dominant, amb escales de desenes a centenars de quilòmetres. A més, sorgeixen components meridionals del camp, que en alguns casos poden assolir intensitats comparables al camp planetari intrínsec. La distribució espacial i la intensitat del camp induït depenen fortament de l'amplitud de les pertorbacions i de l'alçada atmosfèrica. En conjunt, aquesta tesi ofereix el primer estudi local detallat dels processos MHD en atmosferes de HJs, des de models idealitzats fins a configuracions tridimensionals i no ideals. Les simulacions mostren que la generació i evolució del camp magnètic són altament no lineals, estructurades i sensibles a la dinàmica global i a les fluctuacions locals. També suggereixen que els efectes magnètics poden contribuir significativament a l'escalfament atmosfèric mitjançant dissipació òhmica i a la inflació dels radis planetaris. Aquests resultats reforcen la necessitat d'incloure tractaments MHD complets en futurs models de circulació global i evolució planetària. |
|---|