مع تزايد القدرة على توصيف أغلفة الكواكب الخارجية الجويّة على نطاق واسع، سيتسنّى لنا مستقبلاً استخراج خصائصها الإحصائية. في هذا الإطار، وباستخدام نموذج مُطبق ضمن نظامنا الشمسي، نُجري محاكاة ثلاثية الأبعاد لديناميكا المغناطيسية الهيدروديناميكية لحساب معدلات هروب الأيونات الجوية غير الحرارية للكواكب الصخرية غير الممغنطة كدالة لنصف قطرها تحت ظروف إشعاع ورياح نجمية ثابتة. وأظهرت النتائج أن معدل الهروب الجوي، بشكلٍ غير متوقع ولافت للنظر، يتّبع دالةً غير أحادية القيمة لنصف قطر الكوكب \(R\) وأنّه يُظهر أقصى قيمة عند \(R \sim 0.7\,R_\oplus\). قد ينشأ هذا التوجه من توازنٍ معقّد بين مساحة المقطع العرضي للكوكب (التي تزداد مع الحجم، مما يعزّز معدلات الهروب) وسرعة الهروب المرتبطة به (التي تزداد أيضاً مع الحجم، ولكنها تقلل معدلات الهروب). وقد توجه نتائجنا ملاحظات المستقبل، حيث إن العوالم ذات قيمة محددة من \(R\) (مثل \(R \sim 0.7\,R_\oplus\)) قد تظهر معدلات هروب أعلى نسبياً عند ثبات بقية العوامل.
لقد نما عدد الكواكب الخارجية المؤكدة بشكل متسارع في العقد الماضي (WF15, MP18, ZD21)، وبلغ عددها الإجمالي حالياً أكثر من 5000.1 ومن المتوقع أن تسهم الدراسات الجارية والمستقبلية في زيادة عدد الكواكب الخارجية المكتشفة والموصوفة. وبفعل ذلك، أصبح بالإمكان حالياً استخراج إحصائيات واتجاهات لهذه العوالم بفضل اتساع حجم العينة.
من بين أبرز هذه الاكتشافات ندرة الكواكب ذات الفترات المدارية القصيرة التي تقترب أقطارها من \(\sim 2\,R_\oplus\)، والتي غالباً ما يُشار إليها بفجوة "الأقطار" أو وادٍ أو صحراء (LF14, FPH17, VAL18, MCG19, MKL19, BHG, CM20, BRO21). وتُعرف العوالم الأصغر عادةً باسم الكواكب الأرضية الفائقة، بينما تُسمّى الأكبر نيبتونات فرعية. وتشمل الآليات المقترحة لتفسير هذا التوزيع الثنائي التبخر الناتج عن الإشعاع فوق البنفسجي وأشعة أكس القوية (CR16, OW17, FP18, M20)، وفقدان الكتلة المدعوم بالقشرة الصخرية (GSS, GS19, GS20)، والتآزر بينهما (OS23)، إلى جانب مرشحين آخرين. وقد يتطلب التمييز بين هذه العمليات دراسات واسعة النطاق تشمل عينات تتجاوز 5000 نظام نجمي (RGO21).
وبالمثل، يُتوقع أن تكون الإحصائيات الخاصة بالكواكب الأرضية — التي يُعرَف عنها عادةً أن أقطارها أقل من \(2\,R_\oplus\) — الواقعة ضمن أو قرب المنطقة الصالحة للسكن (HZ) ذات أهمية متزايدة في العقود القادمة. وقد حُدّدت حدود هذه المنطقة في الدراسات (KWR93; KRK13, KRS14). ويمكن للكواكب الصخرية ضمن هذه المنطقة أن تحتفظ بالماء السائل على سطحها، ويترقب المجتمع الفلكي إمكانية اكتشاف وتوصيف هذه العوالم بواسطة التلسكوبات المستقبلية (FAD18, NM19, WK22). ويمكن أن يوفر الغلاف الجوي لهذه الكواكب معلومات ثرية عن خصائصها الفيزيائية والكيميائية والجيولوجية (SD10, NM19, XZ20, TJCI2023)، وحتى عن الدلالات البيولوجية المحتملة (FAD18).
ونظراً لأهمية دراسة الغلاف الجوي للكواكب الخارجية الصخرية القريبة من المنطقة الصالحة للسكن، بات ضرورياً فهم أي اتجاهات إحصائية قد تظهر في الدراسات المستقبلية. وقد بدأت هذه المرحلة بالفعل، حيث حصل تلسكوب جيمس ويب الفضائي على أطياف انتقال أو اكتشف الإشعاع الحراري لبعض الكواكب الصخرية الدافئة (LFM23, GBD23, ZKD23). ومن منظور فقدان الغلاف الجوي — الذي يمكن أن يشكل تحدياً لكواكبٍ أرضية (FT15, JO19) — فإن عمليات هروب الأيونات الجوية غير الحرارية المدفوعة بالرياح الشمسية معروفة جيداً في نظامنا الشمسي (LKC08, HL13, BBM, DLM18, PFR20, RB21, LDS) ومن المحتمل أن تلعب دوراً مهماً في الكواكب الخارجية (ZC17, LL19, ML21, ABC20, GAB20).
في هذا العمل، نُجري تحقيقاً منهجياً لهروب الأيونات الجوية "غير الحرارية" — حيث تكون سرعات الجسيمات الهاربة منفصلة أساساً عن درجة حرارة القاعدة الخارجية وعادةً ما تتضمن أيوناتاً ضمن حقول كهرومغناطيسية (FT15, LDO20) — باعتبارها دالة لقطر الكواكب الصخرية غير الممغنطة ذات تركيب جوي مشابه لكوكب الزهرة. ويُعتبر الزهرة مرجعاً أساسياً في علم الكواكب الخارجية (KAC19, SRK22)، لا سيما للكواكب القريبة من الحافة الداخلية للمنطقة الصالحة للسكن (OKL23). يُقدم هيكل هذه الرسالة على النحو التالي: نصفّصف نموذج الديناميكا المغناطيسية الهيدروديناميكية متعدد الأنواع وإعداده في القسم [SecMod]. بعد ذلك، نعرض النتائج ونحلل آثارها في القسم [SecRes]. وأخيراً، نختتم بتلخيص استنتاجاتنا في القسم [SecConc].
نَسْتَخْدِم نَمُوذَج الديناميكا المَغْناطِيسِيَّة الهيدروديناميكيَّة مُتَعَدِّد الأَنْواع ثُلاثِي الأَبْعاد بِنِظام الشَجَرَة المتكيفة الكتلية مع مُخَطَّط رو الاندفاعي الشَمْسِي (BATS-R-US) الذي تَمَّ تَطْبِيقُه بنجاح لنمذجة الكَواكِب الخارِجِيَّة الشَبِيهَة بالزَهْرَة (DLMC,DJL18,DHL19,DJL20) لِمُحاكاة هُرُوب الأُيُونات الجَوِّيَّة من الكَواكِب الخارِجِيَّة التي تَغْطِي مَجْمُوعَة من الأَقْطار. يَتَضَمَّن نَمُوذَج MS-MHD أَرْبَعَة أَنْواع من الأُيُونات H\(^{+}\)، O\(^{+}\)، O\(_2^{+}\)، CO\(_2^{+}\)، والكِيمِياء الأيونية الجَوِّيَّة المُرْتَبِطَة مثل الأُيُونات الضَوْئِيَّة، تَبادُل الشَحْن، وإِعادَة التَرْكِيب الإِلِكْتروني. بالنسبة للكَواكِب غَيْر المُمَغْنَطَة، يَدْرُس نَمُوذَج BATS-R-US MS-MHD التَفاعُلات بين الرِياح النَجْمِيَّة المُمَغْنَطَة والغِلاف الجَوِّي العَلَوِي للكَوْكَب، ويَأْخُذ بِعَيْن الاِعْتِبار آليات هُرُوب الغِلاف الجَوِّي التي تَتَوَسَّط فيها الرِياح النَجْمِيَّة عبر تَحْمِيل الكُتْلَة.
ومع ذلك، قد تَتَغَيَّر القِيمَة الدَقِيقَة لهذه الذُرْوَة بناءً على المُعَلِّمات النَجْمِيَّة (مثل الأَشِعَّة فَوْق البَنَفْسَجِيَّة والرِياح النَجْمِيَّة)، وسَيَحْتاج إلى تَقْيِيم على أَساس كُل حالَة على حِدَة. ↩