A bolygó légköreinek disszipációja

A bolygók légkörének disszipációja (bolygószél) - a bolygók légköre által  okozott gázok elvesztése a világűrben való szétszóródásuk miatt. A légkör elvesztésének fő mechanizmusa a termikus - a molekulák hőmozgása , amelynek köszönhetően a légkör rendkívül ritka külső rétegeiben található gázmolekulák a kritikus szökési sebességet meghaladó sebességet érnek el, és így túlléphetnek a bolygó gravitációs sebességén. mező . Egy légkör akkor tekinthető stabilnak, ha molekuláinak átlagos sebessége nem haladja meg a 0,2 kritikus értéket [1] . Ha az átlagos hősebesség küszöbértéke 0,25, akkor a légkör 50 000 év alatt, a kritikushoz képest 0,33-as sebességgel néhány héten belül eloszlik [1] .

A légkör térben való szétszóródásának folyamata következtében bolygószél képződik. A légkör disszipációja nagy jelentőséggel bír a bolygó számára, mivel a felszíni légkör elvesztésével az éghajlat megváltozik , beleértve az üvegházhatás mérséklődését  - a napi és szezonális hőmérséklet-ingadozások fokozódnak. A Földnél kisebb vonzási erővel rendelkező Mars a légkör disszipációja miatt elvesztette légkörének és vizének nagy részét . A Vénusz - mágneses tér nélkül, de erőteljes, szinte földi gravitációval - jól tartja a légkört, de szinte az összes víz az ionizáló sugárzás hatására lebomlott és elveszett. A Föld légkörében gyakorlatilag nincs könnyű hélium , ezt a gázt a Nap sugárzási spektrumában fedezték fel .

Hőelvezetési mechanizmus

A gázmolekulák átlagos sebessége közvetlenül függ a hőmérséklettől, de az egyes molekulák sebessége folyamatosan változik, ahogy egymással ütköznek, és mozgási energiát adnak át . A kinetikus energia molekulák közötti eloszlását a Maxwell-eloszlás írja le . Egy molekula mozgási energiájának sebességtől és tömegtől való függését a következő képlet határozza meg: .

A Maxwell-eloszlás jobb végébe eső, nagy kinetikus energiájú molekulák sebessége meghaladja a szökési sebességet, és olyan magasságban, ahol az átlagos szabad út összehasonlítható a magassági skálával , elhagyhatják a légkört.

Azonos gázhőmérsékleten és ennek megfelelően az átlagos kinetikus energiával megegyező tömegű gázmolekulák átlagsebessége kisebb, ezért kevésbé valószínű, hogy elhagyják a légkört.

Éppen ezért a hidrogén disszipációja a légkörből gyorsabban megy végbe, mint a szén-dioxid disszipációja. Ezenkívül minél nagyobb a bolygó tömege, annál nagyobb a szökési sebesség, és annál kisebb a légköri disszipáció valószínűsége. Éppen ellenkezőleg, nő a gázmolekulák bolygóközi térből való befogásának valószínűsége. Ezért van az olyan gázóriások, mint a Jupiter és a Szaturnusz, légkörében hatalmas mennyiségű hidrogén és hélium, beleértve azokat is, amelyek a Föld vagy a Mars légköréből kikerültek. A csillagtól való távolság is fontos: minél közelebb van a bolygó, annál magasabb a légkör hőmérséklete és a molekula sebességi tartománya, így nagyobb valószínűséggel oszlanak el a nagyobb tömegű molekulák a légkörből. A Naptól távolabb eső bolygók légköre hideg, a molekulák sebessége kisebb, és kisebb az esélye a szökésre. Ez az, ami lehetővé teszi a Titánnak , amely kisebb, mint a Föld, és távolabb van a Naptól, hogy megtartsa légkörét .

A napszél jelentősége

A légkör disszipációjának folyamatában szerepet játszik a bolygó tömege, a légkör összetétele, a Nap távolsága és a naptevékenység szintje [2] . Elterjedt téves vélemény, hogy a disszipáció fő nem termikus mechanizmusa a napszél által a légkör magnetoszféra hiányában történő fújása . A napszél mozgási energiáját átadhatja a légkörben lévő részecskéknek, amelyek elegendő sebességre képesek eloszlatni a légkörből. Az ionokból álló napszelet a magnetoszféra eltéríti, miközben a töltött részecskék a mágneses tér mentén mozognak. Így a magnetoszféra megakadályozza a bolygó légkörének szétszóródását. Például a Földön a magnetoszféra körülbelül 10 földsugár effektív sugárral téríti el a napszelet a bolygóról [3] . A visszaverődés tartományát fej lökéshullámnak nevezzük.

A bolygó méretétől és a légkör összetételétől függően azonban előfordulhat, hogy a magnetoszféra nem határozza meg a légkör disszipációját. Például a Vénusznak nincs erős magnetoszférája. A Naphoz való relatív közelsége egyenesen sűrűbb és erősebb napszelet von maga után, amely teljesen elfújhatja a bolygó légkörét, mint például a Merkúron, amelyet még a meglehetősen jelentős mágneses tér jelenléte sem mentett meg. Ennek ellenére a Vénusz légköre 2 nagyságrenddel sűrűbb, mint a Föld légköre [4] . A legújabb modellek azt mutatják, hogy a napszél a légkör teljes nem termikus disszipációjának legfeljebb 1/3-áért felelős [4] .

Mivel a Vénusz és a Mars nem rendelkezik magnetoszférával, amely megvédené a légkört a napszéltől, a napfény és a napszél kölcsönhatása a bolygó légkörével a felső légkör ionizációját okozza. Az atmoszféra ionizált rétegei pedig olyan mágneses momentumot indukálnak, amely a magnetoszférához hasonlóan visszaveri a napszelet, ezáltal korlátozza a napszél hatását a légkör felső rétegeire a sugár 1,2-1,5 sugarával. a bolygó, vagyis a Föld magnetoszférájához képest egy nagyságrenddel közelebb van a felszínhez. Ezen a tartományon áthaladva, amelyet orrlökésnek neveznek, a napszél hangsebességekre lassul [3] . A felszín közelében a napszél nyomását az ionoszféra nyomása kompenzálja, amelyet ionopauza régiónak nevezünk. Ez a kölcsönhatás általában megakadályozza, hogy a napszél legyen a fő tényező a légkör disszipációjában.

A disszipáció nemtermikus mechanizmusa

A fő nem termikus disszipációs mechanizmusok a vizsgált bolygók méretétől függenek. A disszipációt befolyásoló fő tényezők minden esetben a bolygó tömege, a légkör összetétele és a Nap távolsága. A magnetoszféra nélküli földi bolygó, a Vénusz és a Mars fő nem termikus disszipációs folyamatai jelentősen eltérnek egymástól. A Mars fő disszipációs folyamata a napszél befogása, mivel légköre nem elég sűrű ahhoz, hogy megvédje magát. [4] A Vénuszt sűrű atmoszférája jobban védi a napszéltől, és a napszél befogása nem a légköri disszipáció fő nem termikus folyamata. A mágneses tér nélküli kis kozmikus testek jobban szenvednek a napszéltől, mivel nem képesek megfelelően sűrű légkört tartani.

A Vénusz légkörének disszipációjának fő nem termikus folyamata a  légköri részecskék gyorsulása elektromos térben. Mivel az elektronok mozgékonyabbak, mint más részecskék, nagyobb valószínűséggel hagyják el a Vénusz felső ionoszféráját. [4] Ennek eredményeként egy kis nettó pozitív töltés felhalmozódhat, ami viszont elektromos mezőt hoz létre, amely felgyorsíthat más pozitív részecskéket, és kiszoríthatja őket a légkörből. Ennek eredményeként pozitív hidrogénionok hagyják el a bolygó légkörét. A Vénusz légkörének egy másik fontos disszipációs folyamata a Nap közelsége miatti fotokémiai reakciók eredményeként megy végbe. A fotokémiai reakciók a molekulák nagy kinetikus energiájú gyökökké bomlásához vezetnek, amelyek egy kisebb tömegű részecskében koncentrálódnak. Az ilyen részecskék elég nagy sebességgel rendelkeznek ahhoz, hogy eloszlanak a bolygó légköréből. Az oxigén a hidrogénhez képest nagyobb tömeggel oszlik el a légkörből ezen a mechanizmuson keresztül.

A bolygók légkörének disszipációja a Naprendszerben

Bolygó Menekülési sebesség , km/s [1] [5]
Hold 2.4
Higany 3.8
Mars 5.1
Vénusz 10.4
föld 11.2
Szaturnusz 36.7
Jupiter 61,0

A Föld légkörének disszipációja

Mivel a Föld atmoszférájának felső rétegeiben kisebb molekulatömegű gázok vannak túlsúlyban, ebből elsősorban az atomos hidrogén , hidrogén és hélium távozik . [6] Ezt a folyamatot elősegíti, hogy a Nap ultraibolya és röntgensugárzása miatt magas hőmérsékletet tart fenn a Föld exoszférája , amely a vízmolekulák disszociációja során folyamatosan atomi hidrogént termel .

A számítások azt mutatják, hogy a hidrogén teljes elpárolgása a föld légköréből 2000 K (1726,85 °C) hőmérsékleten a disszipáció miatt mindössze néhány ezer év, a hélium több millió év. [7] De a hidrogén és a hélium folyamatosan megújul a víz disszociációja és ezeknek a gázoknak a föld belsejéből való kiáramlása miatt. Ugyanakkor az oxigén gyakorlatilag nem párolog el, és a disszipáció szerepe a Föld oxigénatmoszférájának kialakításában a fotoszintézis megjelenése óta jelentős lehetett .

A Föld túl nagy ahhoz, hogy légkörének nagy részét elveszítse a disszipáció következtében. A jelenlegi veszteség mértéke körülbelül három kilogramm hidrogén és 50 gramm hélium másodpercenként [8] . Az exoszféra egy magas zóna, ahol a légkör sűrűsége rendkívül alacsony, és ahol disszipáció történik. Az exoszféra 1800 K (1526,85 °C) hőmérsékletén bekövetkező disszipáció számításai [9] azt mutatják, hogy körülbelül egymilliárd évbe telik az O + ionok kimerítése. 1800 K magasabb, mint az exoszféra ténylegesen megfigyelt hőmérséklete; az exoszférának ezen a hőmérsékletén az O + ionok kimerülése még billió év múlva sem következik be. Ezenkívül a Földön lévő oxigén nagy része egy O 2 molekulához kötődik , amely túl nagy ahhoz, hogy elhagyja a Földet.

A Föld mágneses tere megvédi a napszéltől, és megakadályozza az ionok kiszabadulását, kivéve a mágneses pólusoknál lévő nyílt térvonalak mentén. A Föld tömegének gravitációs vonzása megakadályozza a nem termikus disszipációs folyamatokat. A Föld légköre azonban két nagyságrenddel kisebb sűrűségű, mint a Vénusz légköre. A Föld hőmérsékleti rendszere hozzájárul a CO 2 és H 2 O hidroszféra és litoszféra általi elnyeléséhez. A víz nagy részét az óceánok folyadékként tartják vissza, ami nagymértékben csökkenti a légkör sűrűségét. A felszíni vizek által megkötött szén-dioxid pedig kiszabadulhat a légkörből és átjuthat üledékes kőzetekbe; egyes becslések szerint a Föld széntartalmának szinte teljes részét tartalmazzák, míg légköri frakciója csak 1/250 000 része. Ha az összes megkötött víz és az összes megkötött szén-dioxid a légkörbe kerülne, az még a Vénusz légkörénél is sűrűbbé válna. Így a gázok fő vesztesége a Föld légkörében nem a világűrbe való elpárolgásuk miatt következik be, hanem a folyékony és szilárd halmazállapotba való átmenet miatt.

A disszipációt megakadályozó mechanizmusok egyike a kémiai kötés: például a Föld eredeti légköréből származó szén-dioxid nagy része kémiailag elnyelődött a karbonátos kőzetek kialakulása során. Nagyon valószínű, hogy hasonló folyamat ment végbe a Marson. Az oxigén a kőzetek oxidációja során abszorbeálható, például a vas oxidációs fokának Fe + 2 -ről Fe + 3 -ra történő növelésével . A gázok az adszorpciós mechanizmuson keresztül is felszívódnak, például a Holdon lévő hélium nagyon finom regolit részecskék felületén adszorbeálódik. A víznek a Földön és feltehetően a Holdon történő megfagyása, vagy a Mars sarki sapkáiban a szén-dioxid jéggé fagyása a gázok bolygón való visszatartásának egy másik mechanizmusa.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 3 Florensky, 1972 , p. 314.
  2. ↑ A napszél-impulzusok lerombolják a Mars légkörét Archiválva : 2021. január 22. a Wayback Machine -nél , 2010.03.15 ., Emily Baldwin 
  3. ↑ 1 2  Shizgal BD, Arkos GG Nem termikus szökés a Vénusz, a Föld és a Mars légköréből  // Geophysics Reviews : folyóirat. - 1996. - 1. évf. 34 , sz. 4 . - P. 483-505 . - doi : 10.1029/96RG02213 . - .
  4. ↑ 1 2 3 4 Lammer H. et al. Hidrogén és oxigén elvesztése a Vénusz felső légköréből  // Planetary and Space Science  : folyóirat  . - 2006. - Vol. 54 , sz. 13-14 . - P. 1445-1456 . - doi : 10.1016/j.pss.2006.04.022 . - Iránykód .
  5. ↑ Discovery – A Popular Journal of Knowledge, New Series, Vol. II., január -... - Google Könyvek . Letöltve: 2013. április 26. Az eredetiből archiválva : 2018. január 2..
  6. ↑ David C. Catling és Kevin J. Zahnle, The Planetary Air Leak. Ahogy a Föld légköre lassan kiszivárog az űrbe, bolygónk úgy fog kinézni, mint a Vénusz? Archivált : 2014. február 2. a Wayback Machine -nél //SCIENTIFIC AMERICAN, 2009. május
  7. ↑ https://books.google.ru/books?id=7cBTwb9PETsC&pg=PA296 Archiválva : 2017. október 13., a Wayback Machine ISBN 9027724180 , 1987, 296. oldal, 8. fejezet, VII. táblázat „A gázok eltűnésének ideje (években) A Föld légköre különböző hőmérsékleteken"
  8. ↑ Kevin J. Zahnle és David C. Catling. Bolygónk szivárgó légköre . Scientific American (2009. május 11.). Hozzáférés dátuma: 2014. január 28. Az eredetiből archiválva : 2014. január 2..
  9. ↑ Űrkutatási Tanács, Műszaki és Fizikai Tudományok Osztálya. A Mars és a Vénusz légköre . National Academies Press (1961. január 15.). Letöltve: 2017. október 2. Az eredetiből archiválva : 2014. július 6..

Irodalom

Linkek