Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit ist aus der Intention entstanden, die Möglichkeiten des Strahlungstransport- Frameworks PHOENIX 3DRT auf die Spektrumssynthese extrasolarer Planeten anzuwenden. Wie fast immer im Kontext astronomischer Untersuchungen ist Licht der dominierende Informationslieferant und insofern ist es naheliegend, die Fingerabdrücke der Atmosphären von Planeten im Spektrum ihrer Wirtssterne zu untersuchen.
Während der Entwicklung der Arbeit hat sich jedoch ebenfalls gezeigt, dass die reine Strahlungstransport-Theorie, wie sie seit langer Zeit bei der Untersuchung von Sternatmosphären Anwendung findet, bei der Untersuchung von Exoplaneten an ihre Grenzen stößt. Hydrodynamische Prozesse in den Atmosphären, die bei der Spektrumssynthese von Sternen häufig als nachgelagerter Einflussfaktor ignoriert oder eingeschränkt behandelt werden, können im Zusammenhang mit der Modellierung von Planeten-Spektren nicht ausgeklammert werden. Dies ist nicht verwunderlich, da die Spektren vor allem thermodynamische Eigenschaften wiedergeben, die in den Atmosphären der Planeten in großem Maße von hydrodynamischen Prozessen bestimmt werden. Diese Tatsache ist lange bekannt und gut verstanden: Sie sind die Grundlage aller meteorologischer Modelle und kein Wetterbericht würde ohne ihre detaillierte Berücksichtigung sinnvolle Voraussagen treffen können.
In diesem Sinne versteht der Autor diese Arbeit vor allem als eine Brücke zwischen den zwei Disziplinen Astrophysik und Meteorologie und entsprechend liegt das Hauptaugenmerk darauf, die zugrundeliegenden theoretischen Grundlagen zu harmonisieren und miteinander kompatibel zu machen, sodass ein kombiniertes numerisches Modell entsteht, das beide Welten verbindet.
Im Ergebnis dieser Arbeit wird ein kombiniertes Modell aus 3D-Strahlungstransport und hydrodynamischem Atmosphärenberechnungen präsentiert. Beide Modelle werden auf ihre theoretischen Grundlagen hin untersucht um festzustellen, welche impliziten Annahmen in den jeweiligen Modellen enthalten sind und welche Beschränkungen in Bezug auf ihre Allgemeingültigkeit sich hieraus ergeben.
Da das Atmosphärenmodell bereits über einen sehr einfachen Strahlungstransport-Mechanismus verfügt, wird dieser Teil durch den sehr viel mächtigeren Strahlungstransport aus dem PHOENIX 3DRT-Modell ersetzt. Um den Umfang der Arbeit zu begrenzen und den Fokus auf die grundsätzliche Frage der Kombinierbarkeit beider Modelle zu legen, werden die Berechnungen iterativ durchgeführt und die jeweiligen Ergebnisse manuell zwischen beiden Modellen ausgetauscht.
Es kann dabei am Beispiel von Mars gezeigt werden, dass die Kombination beider Modelle die beobachtbaren Eigenschaften wie atmosphärische Temperaturverteilungen in Anbetracht der beschriebenen Limitierungen des Atmosphärenmodells mit einer erstaunlichen Genauigkeit reproduzieren kann.
The present work arose from the intention to apply the possibilities of the radiative transfer framework PHOENIX 3DRT to the spectrum synthesis of extrasolar planets. As almost always in the context of astronomical investigations, light is the dominant source of information and in this respect it makes sense to examine the fingerprints of the atmospheres of planets in the spectrum of their host stars. During the development of the work, however, it has also become apparent that the pure radiative transfer theory, which has long been used in the study of stellar atmospheres, reaches its limits when studying exoplanets. Hydrodynamic processes in the atmosphere, which are often ignored or limited as a downstream influencing factor in the spectrum synthesis of stars, cannot be excluded in connection with the modeling of planetary spectra. This is not surprising since the spectra primarily reflect thermodynamic properties that are largely determined by hydrodynamic processes in the planetary atmospheres. This fact has long been known and well understood: they are the basis of all meteorological models and no weather report would be able to make meaningful predictions without taking them into account in detail. In this sense, the author sees this work primarily as a bridge between the two disciplines of astrophysics and meteorology, and accordingly the main focus is on harmonizing the underlying theoretical principles and making them compatible with each other, so that a combined numerical model is created that connects both worlds . As a result of this work, a combined model of 3D radiative transport and hydrodynamic atmospheric calculations is presented. Both models are examined for their theoretical foundations in order to determine which implicit assumptions are contained in the respective models and which limitations arise in relation to their general validity. Since the atmosphere model already has a very simple radiative transport mechanism, this part is replaced by the much more powerful radiative transport from the PHOENIX 3DRT-model. In order to limit the scope of the work and to focus on the fundamental question of whether both models can be combined, the calculations are carried out iteratively and the respective results are exchanged manually between the two models. Using the example of Mars, it can be shown that the combination of both models can reproduce the observable properties such as atmospheric temperature distributions with astonishing accuracy in view of the described limitations of the atmospheric model.