علم الأرصاد الجوية الخارجية

استُخدمت نماذج المناخ لدراسة مناخ الأرض منذ ستينيات القرن الماضي، ومناخ الكواكب الأخرى في المجموعة الشمسية منذ تسعينياته. ^{[ 3 ]} وبمجرد اكتشاف الكواكب الخارجية، استُخدمت النماذج نفسها لدراسة مناخات كواكب مثل بروكسيما سنتوري ب، وكوكب غليس 581 ج الذي تم دحض فرضيته لاحقًا . وقد حاكت هذه الدراسات الضغوط الجوية والتركيبات اللازمة للحفاظ على الماء السائل على سطح كل كوكب خارجي أرضي، مع الأخذ في الاعتبار مسافات مداراته وفترات دورانه . ^{[ 3 ]} كما استُخدمت نماذج المناخ لدراسة الأغلفة الجوية المحتملة لكوكب المشتري الحار HD 209458b ، وكوكب نبتون الحار GJ 1214b ، وكوكب كيبلر-1649b ، وهو نظير نظري لكوكب الزهرة . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

تفترض هذه النماذج أن الكوكب الخارجي المعني يمتلك غلافًا جويًا لتحديد مناخه . فبدون غلاف جوي، ستكون التغيرات الوحيدة في درجة حرارة سطح الكوكب ناتجة عن الإشعاع الشمسي الصادر من نجمه. ^{[ 7 ]} إضافةً إلى ذلك، فإن الأسباب الرئيسية للطقس - وهي فروق ضغط الهواء ودرجة حرارته التي تُحرك الرياح وحركة الكتل الهوائية - لا يمكن أن توجد إلا في بيئة ذات غلاف جوي كثيف، على عكس الغلاف الجوي الرقيق، وبالتالي، الساكن نسبيًا، مثل غلاف عطارد. ^{[ 8 ]} لذا، فإن وجود الطقس الخارجي (على عكس الطقس الفضائي ) على كوكب خارجي يعتمد على ما إذا كان يمتلك غلافًا جويًا من الأساس.

كان أول غلاف جوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية يُرصد على الإطلاق هو غلاف HD 209458b ، وهو كوكب مشتري حار يدور حول نجم من النوع G مشابه في الحجم والكتلة للشمس. اكتُشف غلافه الجوي بواسطة التحليل الطيفي ؛ فعندما كان الكوكب يعبر أمام نجمه، امتص غلافه الجوي جزءًا من ضوء النجم وفقًا لطيف امتصاص الصوديوم القابل للكشف في غلافه الجوي. ^{[ 9 ]} ورغم نفي وجود الصوديوم لاحقًا، ^{[ 10 ]} إلا أن هذا الاكتشاف مهد الطريق لرصد وقياس العديد من أغلفة الكواكب الخارجية الأخرى. ومؤخرًا، رُصدت أغلفة الكواكب الخارجية الأرضية ؛ ففي عام 2017، اكتشف علماء الفلك، باستخدام تلسكوب في المرصد الأوروبي الجنوبي (ESO) في تشيلي، غلافًا جويًا لكوكب خارجي بحجم الأرض يُدعى Gliese 1132 b . ^{[ 11 ]}

مع ذلك، يُعدّ قياس التغيرات المناخية التقليدية في غلاف كوكب خارج المجموعة الشمسية - كالهطول المطري أو الغطاء السحابي - أكثر صعوبة من مجرد رصد الغلاف الجوي، وذلك بسبب محدودية دقة التلسكوبات الحالية. ومع ذلك، فقد أظهرت بعض الكواكب الخارجية تغيرات في غلافها الجوي عند رصدها في أوقات مختلفة، بالإضافة إلى أدلة أخرى على نشاط جوي. فعلى سبيل المثال، رصد فريق دولي من علماء الفلك في عام 2012 تغيرات في سرعات هروب الهيدروجين من غلاف الكوكب HD 189733 b باستخدام تلسكوب هابل الفضائي . ^{[ 12 ]} علاوة على ذلك، فإن أعلى درجات حرارة سطح الكوكبين HD 189733 b و Tau Boötis Ab تقع شرقًا من نقاطهما تحت الشمس ، وهو أمر لا يمكن تفسيره إلا بوجود رياح قوية تدفع الهواء الساخن شرقًا، أي رياح غربية ، في حال كان هذان الكوكبان مقيدين مدّيًا . ^{[ 13 ]} وأخيرًا، تتوقع عمليات المحاكاة الحاسوبية للكوكب HD 80606b أن الزيادة المفاجئة في الإشعاع الشمسي الذي يتلقاه عند أقرب نقطة له من الأرض تُولّد عواصف هوائية شبيهة بالموجات الصدمية تتردد أصداؤها حول الكوكب وتوزع التدفق الحراري المفاجئ. ^{[ 14 ]}

كما ذُكر سابقاً، يتطلب علم الأرصاد الجوية للكواكب الخارجية وجود غلاف جوي. بعض الكواكب الخارجية التي لا تمتلك حالياً أغلفة جوية كانت تمتلك غلافاً جوياً في الأصل؛ إلا أنها على الأرجح فقدت أغلفةها الجوية البدائية نتيجة هروب الغلاف الجوي ^{[ 17 ]} بفعل الإشعاع الشمسي والتوهجات النجمية ، أو نتيجة اصطدامات هائلة ^{[ 18 ]} أدت إلى تجريد الغلاف الجوي للكوكب الخارجي.

قد تمتلك بعض الكواكب الخارجية، وتحديدًا الكواكب البركانية ، أغلفة جوية جزئية ذات أنماط مناخية فريدة. تتلقى عوالم الحمم البركانية المقيدة مدّيًا كميات هائلة من الإشعاع الشمسي النجمي، ما يؤدي إلى تبخر جزء من القشرة المنصهرة وتكوين غلاف جوي على الجانب المواجه للشمس من الكوكب. تحاول الرياح القوية نقل هذا الغلاف الجوي الجديد إلى الجانب المظلم من الكوكب؛ إلا أن الغلاف الجوي المتبخر يبرد كلما اقترب من الجانب المظلم للكوكب، ويتساقط عائدًا إلى السطح، لينهار فعليًا بمجرد وصوله إلى خط الفصل بين الليل والنهار. تم نمذجة هذه الظاهرة استنادًا إلى بيانات من عبور الكواكب K2-141b ^{[ 19 ]} ، بالإضافة إلى CoRoT-7b و Kepler-10b و 55 Cancri e ^{[ 20 ]} . قد يكون من الممكن إثبات هذا النمط غير المألوف من تبخر القشرة، والرياح التي تصل سرعتها إلى كيلومترات في الثانية، وانهيار الغلاف الجوي من خلال الهطول، من خلال عمليات رصد بواسطة تلسكوبات متطورة مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي . ^{[ 19 ]}

تتمتع الكواكب الخارجية ذات الأغلفة الجوية الكاملة بتنوع كبير في الظروف الجوية، على غرار الطقس على الكواكب الأرضية والعمالقة الغازية في نظامنا الشمسي . ^{[ 13 ]} تسمح الأغلفة الجوية الشاملة للكواكب بدوران الهواء على مستوى العالم، وتوزيع الطاقة الحرارية النجمية، ^{[ 13 ]} ودورات كيميائية سريعة نسبيًا ، كما يتضح في نقل المواد القشرية بواسطة الأغلفة الجوية الجزئية لعوالم الحمم البركانية، ودورات الماء والكربون على الأرض . هذه القدرة على تدوير وتوزيع المادة والطاقة عالميًا يمكن أن تؤدي إلى هطول أمطار حديدية على كواكب المشتري الحارة، ^{[ 13 ]} ورياح فائقة الدوران بسرعة 2 كم/ث (4500 ميل/ساعة) على كوكب HD 189733b ، ^{[ 16 ]} وهطول الأمطار وانهيار الغلاف الجوي على العوالم المقيدة مدّيًا. ^{[ 21 ]}  

يُعدّ متوسط ​​المسافة بين الكوكب ونجمه، أو الفترة المدارية، من أهم العوامل التي تحدد خصائص الكوكب الخارجي . وهذا وحده يُحدد درجة حرارته الفعّالة (درجة الحرارة الأساسية دون تأثير الغلاف الجوي) ^{[ 7 ]} ، ومدى احتمالية كونه مقيدًا مدّيًا ^{[ 22 ]} . وهذه بدورها تؤثر على التركيب الكيميائي للسحب الموجودة في غلافه الجوي ^{[ 13 ]} ، وعلى حركة انتقال الحرارة ودوران الغلاف الجوي ^{[ 23 ]} ، وعلى المواقع التي قد تحدث فيها الظواهر الجوية (كما هو الحال في عوالم الحمم البركانية المقيدة مدّيًا ذات الأغلفة الجوية الجزئية).

على سبيل المثال، يمكن لفترة دوران كوكب غازي عملاق أن تحدد ما إذا كانت أنماط رياحه في الأساس رياحًا انتقالية (حيث يتدفق الهواء والحرارة من أعلى الغلاف الجوي المُسخَّن بالنجم إلى أسفله) أو رياحًا حملية (حيث يتدفق الهواء والحرارة من أسفل بالقرب من لب الكوكب الذي ينكمش تدريجيًا إلى أعلى عبر الغلاف الجوي). إذا تلقى الغلاف الجوي لكوكب غازي عملاق حرارة من الإشعاع الشمسي أكثر مما يتلقاه من انكماش الكوكب المستمر بفعل الجاذبية، فسيكون لديه أنماط دوران انتقالية؛ أما إذا كان مصدر الحرارة المعاكس أقوى، فسيكون لديه أنماط دوران حملية، كما هو الحال مع كوكب المشتري . ^{[ 13 ]}

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يُحدد متوسط ​​الإشعاع النجمي الساقط على الكوكب الخارجي، والذي يتحدد بدوره المداري، أنواع الدورات الكيميائية التي قد يمتلكها. تحدث دورة الماء على الأرض لأن متوسط ​​درجة حرارة كوكبنا قريب بما يكفي من النقطة الثلاثية للماء (عند الضغوط الجوية العادية) بحيث يمكن لسطح الكوكب أن يدعم ثلاث مراحل من المادة الكيميائية؛ ويُفترض وجود دورة مماثلة لكوكب تيتان ، حيث أن درجة حرارة سطحه وضغطه قريبان من النقطة الثلاثية للميثان . ^{[ 24 ]}

وبالمثل، يمكن أن يؤثر انحراف مدار الكوكب الخارجي - أي مدى بيضاوية مداره - على الإشعاع النجمي الساقط عليه في نقاط مختلفة من مداره، وبالتالي، على أحواله الجوية. ومن الأمثلة المتطرفة على ذلك العواصف الشبيهة بالموجات الصدمية التي تحدث على كوكب HD 80606b كلما وصل إلى أقرب نقطة في مداره شديد الانحراف. ويُعدّ الفرق في المسافة بين نقطة الأوج (المماثلة لنقطة الأوج عند الأرض ) ونقطة الحضيض ( الحضيض الشمسي ) كبيرًا جدًا لدرجة أن درجة حرارة الكوكب الفعلية تختلف اختلافًا كبيرًا على امتداد مداره. ^{[ 14 ]} ومن الأمثلة الأقل تطرفًا انحراف مدار كوكب خارجي أرضي. فإذا كان الكوكب الصخري يدور حول نجم قزم أحمر خافت ، فإن الانحرافات الطفيفة في المدار يمكن أن تؤدي إلى اختلافات في درجة الحرارة الفعلية كبيرة بما يكفي لانهيار غلافه الجوي، في ظل التركيبات ودرجات الحرارة والضغوط المناسبة للغلاف الجوي. ^{[ 21 ]}