| Date: |
2025 |
| Abstract: |
Els Hot Jupiters (HJs), una classe d'exoplanetes gegants gasosos que orbiten molt a prop de les seves estrelles, amb temperatures d'equilibri que superen els 1000 K, representen alguns dels entorns planetaris més extrems coneguts. Les seves propietats tèrmiques i químiques, modelades per la intensa irradiació estel·lar i la dinàmica atmosfèrica complexa, els converteixen en laboratoris ideals per estudiar la interacció entre radiació, dinàmica atmosfèrica i efectes magnètics. Tot i que els models hidrodinàmics han estat àmpliament desenvolupats, el paper dels camps magnètics en les atmosferes dels HJs ha rebut relativament menys atenció. Aquesta tesi aborda aquesta mancança mitjançant l'estudi de processos magnetohidrodinàmics (MHD) a través de simulacions locals, centrant-se en el règim no lineal on els camps induïts són comparables al camp magnètic intern. En la primera part de la tesi, presento simulacions MHD locals en 3D d'una columna atmosfèrica estreta representativa de les capes radiatives diürnes de HJs ultra-calents (T ≳ 3000 K). L'objectiu és avaluar els efectes de l'enrotllament del camp magnètic generat pels forts vents zonals i l'aparició de turbulència MHD. Amb perfils de velocitat parametritzats inspirats en models de circulació general (GCMs) i assumint un fons isòterm, les simulacions mostren que els fluxos zonals estiren el camp magnètic de manera eficient, generant components toroidals intensos concentrats en capes de cisalla al voltant d'∼1 bar. Aquests camps, amb intensitats de l'ordre de kilogauss, es mantenen mitjançant corrents meridionals i són en gran part independents d'un dínamo intern. Es introdueixen pertorbacions aleatòries per afavorir l'aparició de turbulència i una possible amplificació addicional del camp. Tot i que aquesta amplificació és secundària, podria tenir un paper en la dissipació energètica. Una estimació de la dissipació òhmica suggereix que aquest mecanisme podria contribuir a la inflació del radi observat en molts HJs. El segon estudi incorpora els efectes no ideals de la MHD (difusió òhmica, deriva Hall i difusió ambipolar) en models unidimensionals amb geometria pla-paral·lela. Superant l'escenari isòterm, utilitzo perfils de temperatura i vent derivats de GCMs per a cinc HJs representatius: WASP-76b, WASP-18b, WASP-121b, HD 209458b i HD 1189733b. Tot i que l'enrotllament no lineal del camp continua essent el mecanisme dominant, els termes Hall i ambipolar modifiquen significativament la geometria del camp a baixes pressions (p ≲ 1 bar), sobretot en els planetes més calents. Malgrat que la geometria pla-paral·lela limita l'acoblament dinàmic, els resultats mostren la complexitat de la inducció magnètica en condicions realistes i la necessitat de considerar aquests efectes més enllà del règim lineal habitual. En la tercera part de la tesi, amplio l'estudi a simulacions MHD no ideals tridimensionals. Partint d'un estat d'equilibri 1D entre enrotllament i dissipació òhmica, s'introdueixen pertorbacions tridimensionals a petita escala en el terme de forçament. Aquestes generen estructures magnètiques coherents superposades al camp azimutal dominant, amb escales de desenes a centenars de quilòmetres. A més, sorgeixen components meridionals del camp, que en alguns casos poden assolir intensitats comparables al camp planetari intrínsec. La distribució espacial i la intensitat del camp induït depenen fortament de l'amplitud de les pertorbacions i de l'alçada atmosfèrica. En conjunt, aquesta tesi ofereix el primer estudi local detallat dels processos MHD en atmosferes de HJs, des de models idealitzats fins a configuracions tridimensionals i no ideals. Les simulacions mostren que la generació i evolució del camp magnètic són altament no lineals, estructurades i sensibles a la dinàmica global i a les fluctuacions locals. També suggereixen que els efectes magnètics poden contribuir significativament a l'escalfament atmosfèric mitjançant dissipació òhmica i a la inflació dels radis planetaris. Aquests resultats reforcen la necessitat d'incloure tractaments MHD complets en futurs models de circulació global i evolució planetària. |
| Abstract: |
Los Hot Jupiters (HJs), una clase de exoplanetas gigantes gaseosos que orbitan muy cerca de sus estrellas, con temperaturas de equilibrio superiores a 1000 K, representan algunos de los entornos planetarios más extremos. Su estructura térmica y química, modelada por la intensa irradiación estelar y por dinámicas atmosféricas complejas, los convierte en laboratorios ideales para estudiar la interacción entre radiación, dinámica atmosférica y efectos magnéticos. Mientras que los modelos hidrodinámicos han sido ampliamente desarrollados, el papel de los campos magnéticos en sus atmósferas ha recibido menos atención. Esta tesis aborda ese vacío mediante el estudio de procesos magnetohidrodinámicos (MHD) locales, centrándose en el régimen no lineal, donde los campos inducidos son comparables o superiores al campo interno. En la primera parte de la tesis, presento simulaciones locales en 3D de una columna atmosférica representativa de la región diurna radiativa de HJs ultra-calientes (T ≳ 3000 K). El objetivo es estudiar el arrollamiento del campo magnético generado por los fuertes vientos zonales y la posible aparición de turbulencia MHD. Mediante perfiles de velocidad parametrizados, inspirados en modelos de circulación general (GCMs), y bajo un escenario isotermo, las simulaciones muestran que los flujos zonales estiran de forma eficiente el campo, generando componentes toroidales intensos en capas de cizalla cercanas a 1 bar. Estos campos, del orden de kilogauss, se sostienen mediante corrientes meridionales y son independientes de un dínamo interno. Se introducen perturbaciones aleatorias para favorecer la aparición de turbulencia y una posible amplificación adicional del campo. Aunque secundaria, esta puede contribuir a la disipación de energía. La estimación de la disipación óhmica asociada sugiere que este mecanismo puede tener un papel en la inflación observada en muchos de estos planetas. El segundo estudio incluye efectos MHD no ideales (difusión óhmica, deriva Hall y difusión ambipolar), en modelos unidimensionales con geometría plano-paralela. Utilizo perfiles realistas de viento y temperatura derivados de modelos GCM para cinco HJs representativos: WASP-76b, WASP-18b, WASP-121b, HD 209458b y HD 1189733b. Aunque el arrollamiento sigue siendo dominante, los efectos Hall y ambipolar modifican significativamente la estructura del campo a bajas presiones (p ≲ 1 bar), especialmente en los casos más calientes. A pesar de las limitaciones geométricas, estos resultados confirman la complejidad de la inducción magnética bajo condiciones realistas, y refuerzan la necesidad de considerar estos efectos más allá del régimen lineal habitual. En la tercera parte, amplío el estudi a simulaciones tridimensionales MHD no ideales. A partir de un estado de equilibrio entre arrollamiento y disipación óhmica, introduzco perturbaciones tridimensionales de pequeña escala. Estas generan estructuras magnéticas coherentes superpuestas al campo azimutal dominante, con escalas que van de decenas a centenas de kilómetros. También aparecen componentes meridionales, que en algunos casos alcanzan intensidades comparables al campo intrínseco planetario. La amplitud del campo inducido y su distribución espacial dependen de la intensidad de las perturbaciones y del espesor de la atmósfera. En conjunto, esta tesis ofrece el primer estudio local detallado de los procesos MHD en atmósferas de HJs, desde escenarios idealizados hasta configuraciones no ideales y tridimensionales. Las simulaciones muestran que la generación y evolución del campo magnético son altamente no lineales y sensibles tanto a la dinámica global como a las fluctuaciones locales. Estos efectos magnéticos pueden contribuir al calentamiento atmosférico mediante disipación óhmica y tener un papel en la inflación del radio planetario. Los resultados refuerzan la necesidad de incluir tratamientos MHD completos en los modelos de circulación global y evolución planetaria, ya que podrían ser clave para entender muchas de las propiedades más enigmáticas de estos exoplanetas. |
| Abstract: |
Hot Jupiters (HJs), a class of gas giant exoplanets orbiting very close to their host stars, with equilibrium temperatures exceeding 1000 K, represent some of the most extreme planetary environments. Their thermal and chemical properties, shaped by strong stellar irradiation and dynamic atmospheric flows, make them ideal laboratories to study the interaction between radiation, atmospheric dynamics, and magnetic effects. While hydrodynamic models have been extensively developed, the role of magnetic fields in HJ atmospheres has received comparatively less attention. This thesis addresses that gap by exploring magnetohydrodynamic (MHD) processes through local simulations, focusing on the nonlinear regime where induced magnetic fields become comparable to the background field. In the first part of the thesis, I present local 3D MHD simulations of a narrow atmospheric column representative of the dayside radiative layers of ultra-hot Jupiters (T ≳ 3000 K). The aim is to assess the effects of magnetic field winding driven by strong zonal winds and the onset of MHD turbulence. Using parametrized velocity profiles inspired by global circulation models and assuming an isothermal background, the simulations show that zonal flows efficiently stretch the magnetic field, generating intense toroidal components concentrated in shear layers near ∼1 bar. These kilogauss-strength fields are maintained by meridional currents and are largely independent of any internal dynamo. Random perturbations are introduced to favor turbulence and further magnetic amplification. Although secondary compared to the dominant toroidal field, this turbulent activity contributes additional complexity and potentially influences energy dissipation. An estimation of associated Ohmic dissipation suggests a role in explaining the inflated radii observed in many HJs. The second study incorporates non-ideal MHD effects (Ohmic diffusion, Hall drift, and ambipolar diffusion), within 1D plane-parallel models. Moving beyond the isothermal approximation, I use thermodynamic and wind profiles derived from GCMs for five representative HJs: WASP-76b, WASP-18b, WASP-121b, HD 209458b, and HD 1189733b. While nonlinear winding remains the dominant mechanism, Hall and ambipolar effects significantly reshape the magnetic field geometry at low pressures (p ≲ 1 bar), especially in the hottest cases. Although the plane-parallel setup limits some dynamical feedbacks (e. g. , magnetic drag), the results highlight the complexity and nonlinearity of magnetic induction in realistic atmospheric conditions. They also show that even secondary non-ideal effects can affect the magnitude and orientation of induced fields, reinforcing the need to go beyond simplified or perturbative MHD treatments. In the final part of the thesis, I extend the study to fully three-dimensional, non-ideal MHD simulations. Starting from a 1D equilibrium between winding and Ohmic dissipation, I introduce small-scale 3D perturbations in the forcing. These perturbations trigger the formation of coherent magnetic structures superimposed on the dominant azimuthal field, with length scales ranging from tens to hundreds of kilometers. Additionally, new meridional field components emerge, in some cases reaching strengths comparable to the planetary intrinsic field. The results also show that the spatial distribution and amplitude of induced magnetic fields depend strongly on both the perturbation intensity and the atmospheric vertical extent. Altogether, this thesis provides the first comprehensive local study of MHD processes in HJ atmospheres, from idealized to non-ideal and 3D configurations. The simulations reveal that magnetic field generation and evolution are highly nonlinear, spatially structured, and sensitive to both large-scale dynamics and small-scale fluctuations. They also suggest that magnetic effects can substantially contribute to atmospheric heating via Ohmic dissipation and may play a role in explaining inflated planetary radii. These findings underscore the need to include full MHD treatments in future global circulation and evolutionary models of Hot Jupiters, as magnetic induction and turbulence may be key to understanding some of their most puzzling features. |
| Abstract: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Física. |
| Rights: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Language: |
Anglès |
| Series: |
Programa de Doctorat en Física |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Subject: |
Exoplanetes ;
Exoplanets ;
Exoplanetas ;
MHD ;
Júpiter calent ;
Hot Jupiter ;
Jupiter caliente ;
Ciències Experimentals |
guest ::
dir.
