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Effect of mantle oxidation state and escape upon the evolution of Earth’s magma ocean atmosphere

Katyal, N und Ortenzi, Gianluigi und Grenfell, John Lee und Noack, L und Sohl, Frank und Godolt, Mareike und Garcia Munoz, A. und Schreier, Franz und Wunderlich, F. und Rauer, H (2020) Effect of mantle oxidation state and escape upon the evolution of Earth’s magma ocean atmosphere. Astronomy & Astrophysics, 643 (A81), Seiten 1-24. EDP Sciences. doi: 10.1051/0004-6361/202038779. ISSN 0004-6361.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Kurzfassung

Context. The magma ocean period was a critical phase determining how Earth’s atmosphere developed into habitability. However, there are major uncertainties in the role of key processes such as outgassing from the planetary interior and escape of species to space that play a major role in determining the atmosphere of early Earth. Aims. We investigate the effect of outgassing of various species and escape of H2 for different mantle redox states upon the composition and evolution of the atmosphere for the magma ocean period. Methods. We included an important new atmosphere-interior coupling mechanism: the redox evolution of the mantle, which strongly affects the outgassing of species. We simulated the volatile outgassing and chemical speciation at the surface for various redox states of the mantle by employing a C-H-O based chemical speciation model combined with an interior outgassing model. We then applied a line-by-line radiative transfer model to study the remote appearance of the planet in terms of the infrared emission and transmission. Finally, we used a parameterized diffusion-limited and XUV energy-driven atmospheric escape model to calculate the loss of H2 to space. Results. We have simulated the thermal emission and transmission spectra for reduced and oxidized atmospheres present during the magma ocean period of Earth. Reduced/thin atmospheres consisting of H2 in abundance emit more radiation to space and have a larger effective height than oxidized/thick atmospheres, which are abundant in H2O and CO2. We obtain that the outgassing rates of H2 from the mantle into the atmosphere are a factor of ten times higher than the rates of diffusion-limited escape to space. We estimate the timescale of total mass loss of outgassed H2 via escape to be few tens of million years, which is comparable to other studies. Conclusions. Our work presents useful insight into the development of the terrestrial atmosphere during the magma ocean period and provides input to guide future studies that discuss exoplanetary interior compositions and their possible links with atmospheric compositions that might be estimated from observed infrared spectra by future missions.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/137309/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Effect of mantle oxidation state and escape upon the evolution of Earth’s magma ocean atmosphere
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Katyal, Nnisha.katyal (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ortenzi, GianluigiGianluigi.Ortenzi (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Grenfell, John LeeLee.Grenfell (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Noack, LDepartment of Earth Sciences / Institute of Geological Sciences, Free University BerlinNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sohl, FrankFrank.Sohl (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0355-1556NICHT SPEZIFIZIERT
Godolt, MareikeMareike.Godolt (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Garcia Munoz, A.Zentrum fuer Astronomie und Astrophysik, Technische Universitaet Berlin, Germanyhttps://orcid.org/0000-0003-1756-4825NICHT SPEZIFIZIERT
Schreier, FranzFranz.Schreier (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7196-6599NICHT SPEZIFIZIERT
Wunderlich, F.ZAA, Berlin Inst. Tech. (TUB), GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rauer, Hheike.rauer (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:6 November 2020
Erschienen in:Astronomy & Astrophysics
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:643
DOI:10.1051/0004-6361/202038779
Seitenbereich:Seiten 1-24
Verlag:EDP Sciences
ISSN:0004-6361
Status:veröffentlicht
Stichwörter:radiative transfer; planets and satellites; atmospheres; interiors
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erforschung des Weltraums
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EW - Erforschung des Weltraums
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Vorhaben Planetary Evolution and Life (alt)
Standort: Berlin-Adlershof , Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Planetenforschung > Extrasolare Planeten und Atmosphären
Institut für Planetenforschung > Leitungsbereich PF
Institut für Methodik der Fernerkundung > Atmosphärenprozessoren
Institut für Planetenforschung > Planetenphysik
Hinterlegt von: Grenfell, John Lee
Hinterlegt am:09 Nov 2020 15:35
Letzte Änderung:28 Mär 2023 23:57

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