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title: "行星透射光谱互动实验｜Sandbox Physics"
description: "一处光谱凸起，足以证明行星大气中有水吗？水会在多个相关波段留下吸收。"
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  en: "https://sandboxphysics.com/labs/exoplanet-transmission-spectrum/"
last_modified: "2026-11-03"
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穿过大气边缘的星光

# 行星透射光谱、云层与恒星斑

**一处光谱凸起，足以证明行星大气中有水吗？** 水会在多个相关波段留下吸收。把这些谱带的形状和强度一起比较，比只认一个凸起可靠。云顶、大气温度和恒星冷区也会改变同一条光谱，解释时要把这些可能性放在一起检验。

拖动云顶，或升高大气温度。看掠射星光怎样留下水吸收谱，再改变没有被行星遮住的恒星表面。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

模型假设

合成球对称等温静力大气，采用随距离平方衰减的引力和有限顶边界。氢氦背景中的水数目占比不随高度改变，平均分子质量随水占比计算。水吸收使用真实ExoMolOP POKAZATEL主同位素截面，保留声明的采样分辨率、温度与压力网格；低于源最低压力时冻结截面，并把相应敏感性与数值精度分开报告。参考半径定义在十巴处，灰云另给出一个不透明边界。省略碰撞诱导吸收、其他气体、随波长变化的气溶胶散射、折射、热辐射、逃逸与三维晨昏结构。先按原生波长求遮挡面积，再按光子数和恒星谱在实测分箱内积分。PHOENIX光球与冷区光谱描述均匀亮度恒星盘，行星只遮挡正常光球；冷区处于未掩食区域。NIRISS实测点来自上游已处理临边昏暗的半径比拟合，这里没有重新拟合原始光变。行星与大气保留径向比例；恒星、间距与光子标记速度为示意。公开教程比较受限模型的完整后验，并保留系统残差。

## 从掠射光路走到凌星光谱

金色为行星预测；珊瑚色为同一大气叠加所选恒星表面。白点为冻结的WASP-39 b NIRISS实测值及报告误差。

### 实测分箱中的光子加权深度

先计算水吸收导致的非线性透过率与大气环面积，再分箱。源文件的半宽定义近似矩形响应。这里比较拟合半径比光谱，原光变的临边昏暗处理位于上游。

### 每条掠射光线怎样恢复透明

四个单色波长取自同一气柱的原生采样。高度从十巴参考半径算起；金线表示不透明云顶，低于云顶的光路被云遮住。

真实数据的条件检索与源文件

公开练习用归一化先验拟合全部74个冻结分箱，比较灰云与恒星污染模型，并保存后验预测和残差。当前控件表示合成物理条件，不是自动检索结果。

[复算冻结的NIRISS分析](https://sandboxphysics.com/zh/stories/planet-atmospheres/retrieve-a-frozen-niriss-spectrum/)

物理教程

## 大气为什么会改变行星的表观大小

**背景** 凌星时，大部分被挡住的光撞上不透明天体，还有一小部分擦过周围气体。不同波长在气体里损失的光并不相同。

**为什么值得理解** 同一种水分子会留下多个谱带。谱带高低还取决于光线穿过多少气体，以及云层在哪个高度挡住了光。

先抓重点

- **核心问题**: 把云层抬高，能让仍然存在的水难以看见吗？
- **一句话直觉**: 云层先遮住较低的掠射光路。强谱带在更高处就已不透明，弱谱带变平时，它们还可能留在谱中。

### 核心数学模型

#### 参考半径附近的尺度高度

$$
H_0=\frac{k_B T}{\bar m g_0}
$$

温度升高，压力显著下降所需的竖直距离变长；分子更重或引力更强，则距离变短。完整计算还让引力随半径下降。

#### 掠射光线沿整条路径损失光子

$$
\tau_\lambda(b)=\int_{\mathrm{ray}}n(r)x_{\mathrm{H_2O}}\sigma_\lambda[T,P(r)]\,ds
$$

把数密度、分子占比、吸收截面和每小段路程相乘，再沿路径相加，得到无量纲光学厚度。同一个数值决定光线衰减和大气环吸收。

#### 部分透明的圆环贡献有效面积

$$
A_\lambda=\pi R_c^2+2\pi\int_{R_c}^{r_{\mathrm{top}}}(1-e^{-\tau_\lambda})b\,db
$$

不透明云顶贡献一个圆盘；外侧每个细圆环的面积，乘上它吸收掉的光的比例，再逐个相加。

### 常见难点

#### 吸收为什么会让凌星光谱向上凸

**容易误解** 只要是吸收，曲线就该向下凹。

**正确理解** 这里画的是被挡住的光，不是穿过去的光强。分子吸收越强，行星看起来越大，凌星深度就越高。

#### 恒星冷区改变了比较基准

**容易误解** 没有被行星遮住的区域，会在归一化时完全消掉。

**正确理解** 行星遮住的是正常光球，凌星前的总光里却混有冷区光谱。两种光谱的波长依赖不同，作比后会改变凌星深度。

### 动手实验

1. 01

   #### 抬高云顶

   先选择“清晰水谱带”。预测哪些谱带会留下，再把金色云环向外拖，比较各谱带的形状。

   **你会看到：** 弱吸收区先被云顶垫高，强水吸收带还能在不透明边界上方保留一段高度。

2. 02

   #### 保持成分，改变温度

   重置后升高“大气温度”。等待原生气柱计算完成，同时比较完整光谱和光路透过率。

   **你会看到：** 大气的高度尺度和真实分子截面的温度依赖同时改变。

3. 03

   #### 改变恒星光的比较基准

   载入“带斑恒星”，再把“未掩食冷区占比”降到零。保持行星气体条件，比较珊瑚色与金色曲线。

   **你会看到：** 气柱没有改变，恒星修正却消失了。3500开尔文预设表示合成的高活跃表面，用来检查极端条件。

物理结论

解释一个谱带前，先比较多个谱带和恒星污染模型。参考半径、温度、云顶压力与分子丰度可以彼此补偿。

## 相关实验与文章

星光穿过行星大气 · 阅读路径

### 星光穿过行星大气

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **认出行星大气中的水，需要几个谱带一起作答**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/planet-atmospheres/why-water-needs-more-than-one-spectral-bump/)
2. [文章 **温度和引力怎样决定大气的高度**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/planet-atmospheres/scale-height-and-an-absorbing-annulus/)
3. [文章 **沿掠射光路算吸收，再把少掉的光加起来**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/planet-atmospheres/derive-a-pressure-dependent-transmission-spectrum/)
4. [文章 **一个大气后验究竟能告诉我们什么**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/planet-atmospheres/probability-radius-and-atmospheric-degeneracy/)
5. [文章 **用真实NIRISS光谱复算一次有条件的大气检索**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/planet-atmospheres/retrieve-a-frozen-niriss-spectrum/)
6. [文章 **从原文读晨昏差异与分辨谱线证据**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/planet-atmospheres/read-limb-asymmetry-and-high-resolution-evidence/)

波与光学 · 入门路径

## 从一条光线到干涉测量

从折射出发，找到光线模型失效的地方，再用干涉测量极小的距离。

[从这里开始 → **光学界面探索器** 转动入射角，观察反射与透射功率此消彼长；再切换到“临界角与全反射”场景。 观察 · 11 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)

1. [1 光学界面探索器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)
2. [2 彩虹焦散观测站](https://sandboxphysics.com/zh/labs/rainbow-laboratory/)
3. [3 针孔相机](https://sandboxphysics.com/zh/labs/camera-obscura/)
4. [4 相干波合成器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/coherent-wave-composer/)
5. [5 Young 双缝实验台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/young-double-slit-bench/)
6. [6 Michelson 精密测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/michelson-precision-lab/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/waves-and-optics/#starter-path)