The next generation of ground- and space-based astronomical facilities will be able to retrieve exoplanetary atmospheric spectra in increasing quantity and of increasing quality. Radiative transfer (RT) models of these atmospheres are essential both for interpreting observational data and for linking these data to the planetary physical state with the aid of dedicated climate models. Here I present EOS, a new RT model tailored for terrestrial-type planets. This model is based on HELIOS and HELIOS-K, which are novel and publicly available codes developed by the University of Bern as a part of the Exoclime Simulation Platform (ESP) repository. These codes make full use of the computing power of Graphics Processing Units and are integrated with a variety of molecular and atomic line repositories such as HITRAN, HITEMP and Kurucz. Until now, HELIOS and HELIOS-K have been mostly applied to study Jupiter-like planets. My work consisted in adapting these codes for the studying of rocky planet atmospheres, which are the most interesting for future searches of atmospheric bisognatures. The immediate goal is to provide a state-of-the-art RT for the Earth-like planets Surface Temperature Model (ESTM), an energy balance climate model with upgraded treatment of the vertical and horizontal energy transport developed in Trieste. The long term purpose is to provide the astrophysical community with an interdisciplinary tool able to provide a link between climate model results and observational data. In the First Chapter I make a brief introduction on the known properties of the exoplanet population and the many existing limitations to its study. In the Second Chapter I focus on the topic of climate and atmospheric modeling and I outline the main climate feedback processes, specifically concerning their role in defining the Circumstellar Habitable Zone (CHZ). In the Third Chapter I detail the structure of the EOS procedure. After introducing the equations of radiative transfer for clear sky conditions and the approximations adopted by HELIOS, I describe the molecular cross section parameters adopted in this study, especially those concerning the treatment of continuum absorption features of CO2 and H2O. In the Fourth Chapter I show the testing and intercomparison work done on EOS. Concerning the former, I studied how the procedure responded to variatios of both model parameters and physical inputs. Concerning the latter, I observed how EOS predictions compared to those of other published RT codes. In the Fifth Chapter I describe the work done to update the ESTM model by enhancing the prescriptions for the treatment of the main properties of clouds and ice. This activity allowed me to indirectly test EOS predictions against observational data of Earth. In the Sixth Chapter I present my statistical analysis of planetary habitability in binary star systems (published in 2020 in ApJ). This parallel analysis yielded a set of cases that I then investingated using the coupled EOS-ESTM model. In the Seventh Chapter I present three applications of EOS and ESTM: a preliminary study of the habitability of two circumsecondary planets in a binary system, motivated by the statistical results presented in the previous Chapter; the study of the effects on the Archean Earth climate of different atmospheric chemical makeups; and how the EOS-generated synthetic emission/reflectance spectra can help the data analysis of future space missions. Finally, in the Conclusions I wrap up the content of this work and present some future perspectives.

La prossima generazione di strumenti astronomici permetterà di ottenere spettri di atmosfere esoplanetarie in qualità e quantità crescenti. La modellizzazione del trasporto radiativo in queste atmosfere è essenziale sia per la loro interpretazione, sia per collegarle allo stato fisico alla superficie planetaria tramite modelli climatici dedicati. In questa tesi presento EOS, un nuovo modello di trasporto radiativo specializzato nel trattamento delle atmosfere di pianeti rocciosi. Questo modello è basato sui moderni codici open-source HELIOS e HELIOS-K sviluppati presso l'Università di Berna e pubblicati sulla Exoclime Simulation Platform (ESP). I codici in questione fanno uso della potenza di calcolo offerta dai processori grafici (conosciuti in inglese come GPU) e sono ben integrati con una varietà di dtabase di dati spettrali (HITRAN, HITEMP, Kurucz...). Finora HELIOS e HELIOS-K sono stati applicati perlopiù allo studio di pianeti giganti gassosi. Il mio lavoro è consistito principalmente nell'adattare questi codici allo studio delle atmosfere dei pianeti di tipo terrestre, che risultano essere i più interessanti per la ricerca futura di biofirme. L'obiettivo a breve termine della mia attività è stato quello di fornire un nuovo trattamento del trasporto radiativo al modello climatico latitudinale-verticale ESTM (Earth-like planets Surface Temperature Model), sviluppato a Trieste. L'obiettivo a lungo termine è invece quello di fornire uno strumento multidisciplinare alla comunità astrofisica, che permetta di collegare i risultati dei modelli climatici ai dati osservativi. Nel primo capitolo introduco brevemente le proprietà di popolazione note degli esopianeti e i molti limiti che persistono nella caratterizzazione dettagliata di singoli casi. Nel secondo capitolo mi focalizzo sul presentare il funzionamento dei modelli climatici, la modellizzazione dei profili atmosferici verticali e i principali feedback climatici. Nel terzo capitolo affronto più in dettaglio la descrizione di EOS. Dopo aver introdotto le equazioni che regolano il trasporto radiativo in condizioni "clear sky" (ovvero senza considerare nubi, foschie o altri particolati atmosferici) descrivo in dettaglio i parametri adottati per il calcolo delle sezioni d'urto molecolari di scattering e assorbimento, con particolare riguardo per i continui di assorbimento della CO2 e dell'H2O. Nel quarto capitolo mostro i risultati del processo di caratterizzazione e intercomparazione di EOS. Nel quinto capitolo descrivo il mio contributo alla revisione del modello climatico ESTM e in special modo alle formulazioni per il trattamento di nubi e ghiacci. Questa attività mi ha permesso di validare indirettamente EOS rispetto ai dati osservativi della Terra. Nel sesto capitolo presento il mio lavoro di analisi statistica sull'abitabilità di pianeti in sistemi binari. Questo lavoro, parallelo al resto descritto in questa tesi, mi ha permesso di indentificare dei casi per un successivo approfondimento con l'uso di EOS e ESTM. Nel settimo capitolo presento tre applicazioni di EOS e ESTM: lo studio dell'abitabilità di pianeti circumsecondari, l'analisi del clima della Terra Archeana in funzione di diverse possibili composizioni atmosferiche e l'uso degli spettri sintetici generati da EOS per collegare i risultati delle simulazioni climatiche ale future osservazioni. Nel capitolo finale riassumo i principali risultati del lavoro di dottorato e tratteggio i possibili sviluppi futuri.

EOS: un nuovo modello di trasporto radiativo per atmosfere di pianeti abitabili basato su HELIOS

SIMONETTI, PAOLO MATTEO
2022

Abstract

La prossima generazione di strumenti astronomici permetterà di ottenere spettri di atmosfere esoplanetarie in qualità e quantità crescenti. La modellizzazione del trasporto radiativo in queste atmosfere è essenziale sia per la loro interpretazione, sia per collegarle allo stato fisico alla superficie planetaria tramite modelli climatici dedicati. In questa tesi presento EOS, un nuovo modello di trasporto radiativo specializzato nel trattamento delle atmosfere di pianeti rocciosi. Questo modello è basato sui moderni codici open-source HELIOS e HELIOS-K sviluppati presso l'Università di Berna e pubblicati sulla Exoclime Simulation Platform (ESP). I codici in questione fanno uso della potenza di calcolo offerta dai processori grafici (conosciuti in inglese come GPU) e sono ben integrati con una varietà di dtabase di dati spettrali (HITRAN, HITEMP, Kurucz...). Finora HELIOS e HELIOS-K sono stati applicati perlopiù allo studio di pianeti giganti gassosi. Il mio lavoro è consistito principalmente nell'adattare questi codici allo studio delle atmosfere dei pianeti di tipo terrestre, che risultano essere i più interessanti per la ricerca futura di biofirme. L'obiettivo a breve termine della mia attività è stato quello di fornire un nuovo trattamento del trasporto radiativo al modello climatico latitudinale-verticale ESTM (Earth-like planets Surface Temperature Model), sviluppato a Trieste. L'obiettivo a lungo termine è invece quello di fornire uno strumento multidisciplinare alla comunità astrofisica, che permetta di collegare i risultati dei modelli climatici ai dati osservativi. Nel primo capitolo introduco brevemente le proprietà di popolazione note degli esopianeti e i molti limiti che persistono nella caratterizzazione dettagliata di singoli casi. Nel secondo capitolo mi focalizzo sul presentare il funzionamento dei modelli climatici, la modellizzazione dei profili atmosferici verticali e i principali feedback climatici. Nel terzo capitolo affronto più in dettaglio la descrizione di EOS. Dopo aver introdotto le equazioni che regolano il trasporto radiativo in condizioni "clear sky" (ovvero senza considerare nubi, foschie o altri particolati atmosferici) descrivo in dettaglio i parametri adottati per il calcolo delle sezioni d'urto molecolari di scattering e assorbimento, con particolare riguardo per i continui di assorbimento della CO2 e dell'H2O. Nel quarto capitolo mostro i risultati del processo di caratterizzazione e intercomparazione di EOS. Nel quinto capitolo descrivo il mio contributo alla revisione del modello climatico ESTM e in special modo alle formulazioni per il trattamento di nubi e ghiacci. Questa attività mi ha permesso di validare indirettamente EOS rispetto ai dati osservativi della Terra. Nel sesto capitolo presento il mio lavoro di analisi statistica sull'abitabilità di pianeti in sistemi binari. Questo lavoro, parallelo al resto descritto in questa tesi, mi ha permesso di indentificare dei casi per un successivo approfondimento con l'uso di EOS e ESTM. Nel settimo capitolo presento tre applicazioni di EOS e ESTM: lo studio dell'abitabilità di pianeti circumsecondari, l'analisi del clima della Terra Archeana in funzione di diverse possibili composizioni atmosferiche e l'uso degli spettri sintetici generati da EOS per collegare i risultati delle simulazioni climatiche ale future osservazioni. Nel capitolo finale riassumo i principali risultati del lavoro di dottorato e tratteggio i possibili sviluppi futuri.
VLADILO, GIOVANNI
34
2020/2021
Settore FIS/05 - Astronomia e Astrofisica
Università degli Studi di Trieste
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Descrizione: Tesi di dottorato revisionata
Tipologia: Tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11368/3030923
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