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行星半径对类金星行星氧离子逃逸比例长期演化的影响

王鑫珂 李海涛

王鑫珂, 李海涛. 行星半径对类金星行星氧离子逃逸比例长期演化的影响[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0090
引用本文: 王鑫珂, 李海涛. 行星半径对类金星行星氧离子逃逸比例长期演化的影响[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0090
WANG Xinke, LI Haitao. Effects of Planet Radius on Long-term Evolution of Oxygen Ion Escape Proportion in Venus-like Planets (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2026, 46(3): 1-11 doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0090
Citation: WANG Xinke, LI Haitao. Effects of Planet Radius on Long-term Evolution of Oxygen Ion Escape Proportion in Venus-like Planets (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2026, 46(3): 1-11 doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0090

行星半径对类金星行星氧离子逃逸比例长期演化的影响

doi: 10.11728/cjss2026.03.2025-0090 cstr: 32142.14.cjss.2025-0090
基金项目: 国家自然科学基金面上项目资助(12273043)
详细信息
    作者简介:
    • 王鑫珂 男, 2000年1月出生于河南省许昌市, 毕业于中国科学院国家空间科学中心, 主要研究方向为空间等离子体模拟. E-mail: 1210763881@qq.com
    通讯作者:
    • 李海涛 男, 1982年9月出生于山东省济宁市, 现为中国科学院国家空间科学中心副研究员, 英国埃克塞特大学访问学者, 主要研究方向为系外行星探测与物理. E-mail: lihaitao@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: P354

Effects of Planet Radius on Long-term Evolution of Oxygen Ion Escape Proportion in Venus-like Planets

  • 摘要: 近年来已发现数千颗系外行星, 并对这些行星的大气成分、轨道特性、宜居性等特性展开了深入研究. 恒星与行星大气的相互作用被认为是影响行星大气演化及其宜居性的核心机制之一. 本研究旨在揭示行星半径在其大气逃逸长期演化中的作用, 通过建立三维磁流体动力学模型, 结合恒星系统演化特征, 并基于类金星大气逃逸模型, 以Kepler-1649 c及其宿主恒星的参数作为样本, 假设一颗具有类金星大气的行星作为研究对象, 构建了涵盖不同行星半径和恒星年龄的数值模拟体系. 研究发现行星半径会显著改变各离子的逃逸比例, O+的逃逸率占总逃逸率的比例随行星半径的增大而减小. 本研究揭示了行星半径对离子逃逸行为的差异性影响, 为理解系外行星大气演化提供了新视角.

     

  • 图  1  SWMF运行流程

    Figure  1.  SWMF operation process

    图  2  不同条件下氧离子逃逸率比例随年龄的变化

    Figure  2.  Proportion of the oxygen ion escape rate as a function of age under different conditions

    图  3  0.7 Ga时不同行星半径下氧离子和总离子在行星际空间中的分布

    Figure  3.  Distribution of oxygen ions and total ions in the interplanetary space at 0.7 Ga with different planetary radii

    图  4  4.8 Ga时不同行星半径下氧离子和总离子在行星际空间中的分布

    Figure  4.  Distribution of oxygen ions and total ions in the interplanetary space at 4.8 Ga with different planetary radii

    表  1  金星离子逃逸化学反应网络[23]

    Table  1.   Chemical reactions network for ion escape from Venus

    化学反应 反应速率
    $ {\text{CO}}_{2}\text{+h}\nu \to \text{CO}_{2}^{+}\text{+e} $ 表2
    $ \text{O+h}\nu \to {\text{O}}^{+}\text{+e} $ 表2
    $ \text{CO}_{2}^{+}+\mathrm{O}\rightarrow \mathrm{O}_{2}^{+}+\text{CO} $ $ 1.64 \times 10^{-10} \mathrm{cm}^{-3} \cdot \mathrm{s}^{-1} $
    $ \text{CO}_{2}^{+}+\mathrm{O}\rightarrow {\mathrm{O}}^{+}+{\text{CO}}_{2} $ $ 9.60 \times 10^{-11} \mathrm{cm}^{-3} \cdot \mathrm{s}^{-1} $
    $ {\mathrm{O}}^{+}+\mathrm{CO}\rightarrow \mathrm{O}_{2}^{+}+\text{CO} $ $ 1.1 \times 10^{-9}\left(800 / T_{{\mathrm{e}}}\right)^{0.39} \mathrm{cm}^{-3} \cdot \mathrm{s}^{-1} $
    $ {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{O}\rightarrow {\mathrm{O}}^{+}+\mathrm{H} $ $ 3.75 \times 10^{-10} \mathrm{cm}^{-3} \cdot \mathrm{s}^{-1} $
    $ \mathrm{O}_{2}^{+}+\mathrm{e}\rightarrow \mathrm{O}+\mathrm{O} $ $ 7.38 \times 10^{-8}\left(1200 / T_{{\mathrm{e}}}\right)^{0.56} \mathrm{cm}^{-3} \cdot \mathrm{s}^{-1} $
    $ \text{CO}_{2}^{+}+\mathrm{e}\rightarrow \mathrm{CO}+\mathrm{O} $ $ 3.50 \times 10^{-7}\left(300 / T_{{\mathrm{e}}}\right)^{0.5} \mathrm{cm}^{-3} \cdot \mathrm{s}^{-1} $
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    表  2  恒星风参数、行星际磁场和光电离率

    Table  2.   Stellar wind parameters, the interplanetary magnetic field and the photoionization rate

    年龄/Ga 太阳风密度/
    cm–3
    太阳风温度
    (×106) / K
    太阳风速度/
    (km·s–1)
    行星际磁场/nT 二氧化碳光电离率
    (×10–5) / s–1
    氧原子光电离率
    (×10–5) / s–1
    0.7 964 2.01 (–684, 0, 0) (–144.732, –0.230,0) 3.75 1.41
    1.0 583 1.59 (–580, 0, 0) (–123.843, –0.169,0) 3.75 1.41
    1.5 328 1.22 (–484, 0, 0) (–104.446, –0.118,0) 3.75 1.41
    2.0 218 1.01 (–425, 0, 0) (–92.509, –0.091,0) 2.78 1.04
    2.5 159 0.869 (–384, 0, 0) (–83.557, –0.074,0) 1.99 0.747
    3.0 123 0.771 (–353, 0, 0) (–77.588, –0.063,0) 1.51 0.5.68
    3.5 99 0.697 (–328, 0, 0) (–74.604, –0.056,0) 1.20 0.451
    4.0 82 0.639 (–308, 0, 0) (–70.128, –0.049,0) 0.982 0.369
    4.5 69 0.591 (–292, 0, 0) (–67.144, –0.044,0) 0.8.23 0.309
    4.8 63 0.567 (–283, 0, 0) (–64.160, –0.041,0) 0.7.47 0.281
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    表  3  行星半径以及相应的质量

    Table  3.   Radii of planets and their corresponding masses

    半径/$ {R}_{\text{p}} $ 半径值/km 质量 (×1024)/kg
    0.50 3392 0.564
    0.75 5088 2.528
    1.00 6784 7.330
    1.25 8480 16.74
    1.50 10176 32.86
    1.75 11972 58.12
    2.00 13568 95.26
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-06-06
  • 修回日期:  2025-07-28
  • 网络出版日期:  2025-07-28

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