Атмосфера Земли медленно улетучивается в космос. Станет ли наша планета похожей на Венеру?

  Дата публикации: 16 Июль 2012 l автор:

Одна из ярких особенностей Солнечной системы — разнообразие планетных атмосфер. Земля и Венера схожи по размеру и массе, однако поверхность Венеры раскалена до 460° C под океаном из диоксида углерода, который давит на поверхность как километровый слой воды. Каллисто и Титан — крупные спутники, соответственно, Юпитера и Сатурна; они почти одного размера, но Титан имеет обширную азотную атмосферу, гораздо большую, чем у Земли, а Каллисто практически лишена атмосферы. Откуда берутся такие крайности? Если бы мы это знали, то смогли бы объяснить, почему Земля полна жизни, тогда как другие планеты рядом с ней выглядят безжизненными. Поняв, как эволюционируют атмосферы, мы могли бы определить, какие планеты вне Солнечной системы могут быть обитаемы.

Планета приобретает газовый покров разными путями. Она может извергать пар из своих недр, может захватить летучие вещества у комет и астероидов при столкновении с ними, или же ее гравитация может притянуть газы из межпланетного пространства. К тому же планетологи приходят к выводу, что потеря газа играет столь же важную роль, как и его приобретение. Даже земная атмосфера, которая выглядит незыблемой, постепенно утекает в космическое пространство. Темп утечки в настоящее время очень мал: около 3 кг водорода и 50 г гелия (два легчайших газа) в секунду; но даже такая струйка может стать существенной за геологический период, а темп потери мог быть когда-то значительно выше. Как писал Бенджамин Франклин, «маленькая течь может потопить большой корабль». Нынешние атмосферы планет земной группы и спутников планет-гигантов напоминают руины средневековых замков — это остатки былой роскоши, ставшей жертвой грабежа и обветшания. Атмосферы же еще меньших тел похожи на разрушенные форты — беззащитные и легко ранимые.

Осознав важность утечки атмосфер, мы меняем свое представление о будущем Солнечной системы. Десятилетиями ученые пытались понять, почему у Марса столь тонкая атмосфера, но теперь мы удивлены, что у него вообще сохранилась хоть какая-то атмосфера. Не обусловлено ли различие между Титаном и Каллисто тем, что Каллисто потеряла свою атмосферу прежде,чем на Титане появился воздух? Была ли раньше атмосфера Титана более плотной, чем сегодня? Как Венера сохранила азот и диоксид углерода, но полностью потеряла воду? Способствовала ли утечка водорода зарождению жизни на Земле? Превратится ли когда-нибудь наша планета во вторую Венеру?

Когда становится жарко

Если ракета набрала вторую космическую скорость, то она движется так быстро, что способна преодолеть притяжение планеты. То же самое можно сказать об атомах и молекулах, хотя обычно они достигают скорости убегания, не имея определенной цели. При тепловом испарении газы становятся настолько горячими, что их невозможно удержать. В нетепловых процессах атомы и молекулы выбрасываются в результате химических реакций или взаимодействия заряженных частиц. Наконец, при столкновении с астероидами и кометами отрываются целые куски атмосферы.

Самый распространенный процесс из этих трех — тепловое испарение. Все тела в Солнечной системе нагреваются солнечным светом. Избавляются от этого тепла они двумя путями: испусканием инфракрасного излучения и испарением вещества. У долгоживущих объектов, таких как Земля, доминирует первый процесс, а, например, у комет — второй. Если нарушится баланс между нагревом и охлаждением, то даже крупное тело размером с Землю может довольно быстро нагреться, и при этом его атмосфера, обычно содержащая малую долю массы планеты, может весьма быстро испариться. Наша Солнечная система заполнена телами, лишенными воздуха, по-видимому, в основном по причине теплового испарения. Тело становится безвоздушным, если солнечный нагрев превосходит определенный порог, зависящий от силы гравитации тела.

Тепловое испарение происходит двумя путями. Первый называют испарением Джинса в честь английского астрофизика Джеймса Джинса (James Jeans), описавшего это явление в начале XX в. При этом воздух из верхнего слоя атмосферы испаряется буквально атом за атомом, молекула за молекулой. В более низких слоях взаимные соударения удерживают частицы, но выше уровня, называемого экзобазой (у Земли он лежит на высоте 500 км от поверхности), воздух настолько разрежен, что частицы газа почти никогда не сталкиваются. Выше экзобазы уже ничто не может остановить атом или молекулу, имеющие достаточную скорость для вылета в космос.

Водород как самый легкий газ проще других преодолевает притяжение планеты. Но сначала он должен добраться до экзобазы, а на Земле это долгий процесс. Молекулы с водородом обычно не поднимаются выше нижних слоев атмосферы: водяной пар (H2O) конденсируется и падает вниз в виде дождя, а метан (CH4) окисляется и превращается в диоксид углерода (CO2). Некоторые молекулы воды и метана добираются до стратосферы и разрушаются, выделяя водород, который медленно диффундирует вверх, пока не доберется до экзобазы. Некоторая часть водорода утекает, о чем свидетельствуют ультрафиолетовые снимки, демонстрирующие гало из атомов водорода вокруг нашей планеты.

Температура на высоте экзобазы Земли колеблется вблизи 1000 К, что соответствует средней скорости атомов водорода около 5 км/с. Это меньше второй космической скорости для Земли на этой высоте (10,8 км/с); но скорости атомов вокруг среднего значения распределены широко, поэтому некоторые атомы водорода имеют шанс преодолеть притяжение планеты. Утечка частиц из высокоскоростного «хвоста» в их распределении по скоростям объясняет от 10 до 40 % потерь Землей водорода. Испарением Джинса частично объясняется и отсутствие атмосферы у Луны: газы, выходящие из-под поверхности Луны, легко испаряются в космос.

Второй путь теплового испарения более эффектен. В то время как при испарении Джинса газ улетает молекула за молекулой, нагретый газ может улетать целиком. Верхние слои атмосферы могут поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, нагреваться и, расширяясь, выталкивать воздух вверх. Поднимаясь, воздух ускоряется, преодолевает скорость звука и достигает скорости убегания. Эта форма теплового испарения называется гидродинамическим оттоком, или планетным ветром (по аналогии с солнечным ветром — потоком заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем в космос).

Основные положения

Многие газы, составляющие атмосферу Земли и других планет, медленно утекают в космос. Горячие газы, в особенности легкие, испаряются, химические реакции и столкновения частиц приводят к выбросу атомов и молекул, а кометы и астероиды иногда отрывают большие куски атмосферы.
Утечкой объясняются многие загадки Солнечной системы. Например, Марс красный из-за того, что его водяной пар расщепился на водород и кислород; водород улетел в космос, а кислород окислил (покрыл ржавчиной) грунт. Подобный процесс на Венере привел к появлению плотной атмосферы из диоксида углерода. Удивительно, но могучая атмосфера Венеры — результат утечки газа.

http://planeta.moy.su/blog/atmosfera_zemli_medlenno_uletuchivaetsja_v_kosmos_stanet_li_nasha_planeta_pokhozhej_na_veneru/2012-07-16-24494

Рекламный блок

Прокомментировать

Вы должны быть авторизованы для комментирования.