The Influence of Strong Stellar Particle Events and Galactic Cosmic Rays on Exoplanetary Atmospheres

Seit jeher sind Menschen fasziniert vom Universum und haben den Drang das Wissen darüber kontinuierlich zu erweitern. Seit der ersten Entdeckung eines Planeten außerhalb des Sonnensystems, erlaubt es die verbesserte Technologie auch potentielle Atmosphären um diese Planeten zu untersuchen. Diese Atmosphären werden durch den Heimatstern des Planeten beeinflusst. Von der Erde ist bekannt, dass energiereiche Teilchen die Zusammensetzung der Erdatmosphäre verändern können, insbesondere auch Einfluss auf sogenannte Biosignaturen wie Ozon (O$_3$) oder Lachgas (N$_2$O) nehmen. Dies sind Spurengase, die auf eine biogene Aktivität hinweisen könnten und für Beobachtungen von Exoplaneten von größerer Relevanz sind. Rote Zwergsterne sind im Universum der am häufigsten vorkommende Sterntyp und besitzen oft eine größere stellare Aktivität im Vergleich zur Sonne. Die Untersuchung der Auswirkungen dieser energiereichen Teilchen auf die Atmosphäre von Planeten um rote Zwerge ist entscheidend, um die Interpretation von gegenwärtigen und zukünftigen Messungen zu verbessern. Die vorliegende Arbeit befasst sich in diesem Kontext mit dem Einfluss von starken stellaren Teilchenereignissen (SEP) auf Exoplanetare Atmosphären. Hierzu wurden verschiedene Simulationen mit dem Ionenchemiemodell ExoTIC ($\textbf {Exo}$planetary $\textbf{T}$errestrial $\textbf{I}$on $\textbf{C}$hemistry model) durchgeführt. Nach einer Validierung von neu hinzugefügten Reaktionen am Beispiel der heutigen Erdatmosphäre während des Halloween Ereignisses im Oktober 2003, wurden die Modellsimulationen auf zwei Exoplaneten mit unterschiedlichen Atmosphären ausgedehnt. Diese beiden Planeten umkreisen dabei einerseits einen aktiven und andererseits einen inaktiven roten Zwergstern. Für die Modellierung des dortigen Teilchenflusses, wurde das auf der Erde beobachtete Carringtonereignis von 1859 auf die Position der Exoplaneten um deren Stern skaliert. Der Vergleich zwischen den Simulationen und Beobachtungen auf der Erde während des Halloween Ereignisses von 2003 ergab eine gute Übereinstimmung. Demnach konnte das Modell Setup für die weiteren Simulationen verwendet werden. Die Ergebnisse für die verschiedenen exoplanetaren Atmosphären variierten deutlich. Für N$_2$-dominierte Atmosphären zeigten sich während des Teilchenereignisses Veränderungen in den N$_2$O, H$_2$O sowie O$_3$ Konzentrationen, wohingegen bei H$_2$-dominierten Atmosphären vor allem Wasserdampf beeinflusst wird. Die Veränderungen in der atmosphärischen Zusammensetzung zeigen sich folglich auch in den simulierten Transmissionsspektren und können die Interpretation der Messdaten erschweren. Insbesondere in N$_2$-dominierten Atmosphären ohne biogene Flüsse ist die abiotische Produktion von N$_2$O mit deutlicheren Signalen im Transmissionsspektrum zu sehen und deutet darauf hin, dass N$_2$O eher ein Marker für stellare Aktivität ist, als eine robuste Biosignatur. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, aktuelle und zukünftige Messungen besser interpretieren zu können und zeigt auf, dass dabei der Einfluss von energiereichen Teilchen berücksichtigt werden muss. Insbesonders, da exoplanetare Atmosphären sehr unterschiedlich sein können, sind die Auswirkungen auf die Zusammensetzung sehr verschieden.