Чому атмосфера Землі така тонка?

Венера дещо легша від Землі, але має набагато більш товсту атмосферу. Можна було б уявити, що має бути правдою наступне:

1. Під час фази формування всі внутрішні планети захопили стільки газу, скільки могли утримувати за гравітаційну / термодинамічну рівновагу. Зрештою, навіть настирливому Марсу вдалося вловити неабияку атмосферу.
2. Швидкість виходу з атмосфери повинна бути значно вищою для Венери:
   • Венера отримує більше тепла від сонця, таким чином, швидкість втечі Джинсів
   • Венера має незначне магнітне поле, тому частина її атмосфери повинна бути втрачена для прямого «здуття» сонячним вітром

І все-таки саме Земля, здавалося б, втрачає велику кількість атмосферного об’єму. Тож питання: які існують сучасні теорії щодо «стоншення» земної атмосфери? Коли і чому атмосферні гази покинули планету?

Коротка відповідь: Атмосферні гази ніколи не залишали Землю, вони в ній!

Довга відповідь на це питання стосується не лише сучасних станів планет, а, скоріше, процесів, які їх туди привели. Почнемо з самого початку (дуже гарне місце для початку).

Найперші роки

Коли наша Сонячна система почала формуватися 4,6 мільярда років тому, більша частина маси зі зруйнованої частини молекулярної хмари (див. Гіпотезу Небуляр ) збиралася в центрі для формування Сонця. Маса, що не впала на Сонце, залишила протопланетний диск - хмару пилу та газу - навколо нової зірки. Поступово пилові частинки почали згуртовуватися шляхом нарощування, залучаючи все більше і більше частинок на планети, що розвиваються.

Близько до Сонця, де обидва Венера та Земля мешкають, було занадто жарко конденсуватися багато частинок, тому планети в цьому регіоні утворилися з металами та силікатами, які мають високу температуру плавлення. Ось чому чотири планети у внутрішній Сонячній системі називають «скелястими» або «земними» планетами. Найдавніші атмосфери на цих планетах почали формуватися з поступовим збором газів із сонячної туманності, переважно водню.

Золотинки та дві планети

У цей момент еволюції двох планет вони виглядали досить схоже, але є одна основна різниця: відстань до Сонця. Землі, здається, пощастило опинитися в «зоні Золотоверхів», де температура як раз підходить для підтримки життя. Перебування в цій зоні має два основні наслідки: рідка вода і, як наслідок, активна тектоніка плит. (Дивіться цю статтю для поглибленого перегляду того, чому вони пов'язані між собою.)

Карбонові мийки

На Землі є значна вода, що міститься в рідких океанах. На Венері це не так. Просто занадто жарко, що близько до Сонця, тому вся вода випарувалася в атмосферу. (Венера, швидше за все, містила рідку воду на своїх ранніх стадіях, але все випаровувалося через мільярд років або близько того.) Можливо також, що колись у молодої Землі була щільна каральна атмосфера, як сьогодні у Венери. Однак поверхневі океани та тектоніка плит забезпечували достатньо шляхів для поглинання газів у поверхню Землі. Океани і тектоніка плит пропонують величезну кількість карбонатних накопичувачів, що дозволяє переносити і балансувати вуглецеві сполуки в атмосферу і з неї.

Отже, тепер у нас є дві речі, що підсилюють різницю між атмосферою Землі та Венери:

• Випаровування рідкої води : На Венері занадто жарко, щоб рідка вода існувала. Вся вода випарувалася, що призводить до більш щільної атмосфери. На Землі вода може перебувати на поверхні, зменшуючи її кількість в атмосфері.
• Поглиначі вуглецю : рідка вода та тектоніка плит дозволяють Землі поглинати значну кількість газу, дозволяючи атмосфері розріджувати певні сполуки, такі як вуглекислий газ. На Венері немає такого шляху, що змушує весь газ залишатися в атмосфері.

Не маючи головних механізмів поглинання газами планети, Венера відчуває викид парникового ефекту.

Атмосферні втечі

Ви згадуєте про втечу Джинсів. Це правда, що цей ефект є більшим при більш високих температурах; однак меншим молекулам набагато простіше втекти, ніж великим. Найбільш сильно впливає це явище водень та гелій, будучи двома найменшими елементами. Для порівняння, вуглекислий газ, який становить більшість атмосфери Венери, не сильно впливає на втечу Джинсів.

Ви також згадуєте сонячні вітри. Хоча вони грають ефект, особливо на планетах без магнітного поля, це явище не настільки потужне, як можна подумати. Ультрафіолетове світло (тобто фотоіонізуюче випромінювання) викликає іонізацію у верхній області атмосфери. Ці заряджені частинки тепер утворюють оболонку (яку називають іоносферою), яка відхиляє сонячні вітри, як би магнітне поле. На Венері густа атмосфера забезпечує більше частинок для іонізації, що призводить до більш потужного відхилення. (Порівняйте це з Марсом, де сонячний вітер є основним нетермічним механізмом втечі через тонку атмосферу з малою кількістю іонізованих частинок.)

Первинний механізм втечі атмосфери для Венери насправді трохи складніший. За відсутності магнітного поля зарядженим частинкам легше вийти. Зокрема, електрони найбільш чутливі через їх малу масу. По мірі виходу електронів чистий заряд іоносфери схиляється до позитивного, викликаючи викидання позитивних іонів, переважно Н ⁺ .

Висновок

Поки Земля і Венера формувалися аналогічно, Землі пощастило. У нього є шляхи для виведення газів з атмосфери, а Венера - ні. Крім того, дві планети не відчувають суттєво різної швидкості втечі в атмосферу. Це призводить до атмосферних густин, з яких сьогодні відомо: 66 кг / м ³ для Венери і всього 1,2 кг / м ³ для Землі.

Я думаю, що відповідь dpwilson чудова, і я проголосував за нього, але я хотів, щоб опублікувати цю діаграму зі старою картиною варто з точки зору тисячі слів.

Венера дещо легша від Землі, але має набагато більш товсту атмосферу. Можна було б уявити, що має бути правдою наступне:

Під час фази формування всі внутрішні планети захопили стільки газу, скільки могли утримувати за гравітаційну / термодинамічну рівновагу. Зрештою, навіть настирливому Марсу вдалося вловити неабияку атмосферу.

Можливо. Але під час ранньої Сонячної системи, як тільки сонце сформувалося і починає викачувати світло і сонячні спалахи, (а раннє сонце, швидше за все, було набагато активніше в стрільбі сонячними спалахами, частково завдяки більш швидкому обертанню), ключовий фактор, який слід враховувати є лінія Морозу - яка вже минула земля.

Отже, 1 з 2 речей може статися при ранньому формуванні Сонячної системи. По-перше, планети утворюють і збирають наявні льоди і газ, які вони можуть до того, як сонце почне танути / відштовхувати будь-який лід і газ всередині лінії морозу, або 2, сонце утворює перше, а внутрішні планети мають дуже мало газу і води, як утворюються. . Вони бомбардуються воднем, викинутим від сонця, але, здебільшого, внутрішні планети не дуже добре тримаються за цей водень. За другим сценарієм будь-яка атмосфера та вода, які вони отримують, повинні мати наслідки впливу комети.

Рання атмосфера внутрішніх планет була переважно CO2, CH4, NH3, можливо, деяким N2. Якби Венера була вражена парою додаткових комет, це одне лише пояснило б це, і це статистично нерозумно. Зараз я не кажу, що це сталося, тільки що це можливо. Венера зберігає більшу частину свого СО2, але вона може з часом втратити більшу частину свого H20, CH3, NH3, можливо, N2, якби вона була присутня, що призводить до атмосфери, в основному СО2, яку вона має сьогодні.

Теоретично також можливо, що гігантський вплив, який утворив Місяць, також вибухнув багато ранньої атмосфери Землі. (не певне в цьому, але величезне додавання тепла та обертання, можливо).

На графіку вище випливає, що Венера не втратить багато H20, але в інших діаграмах Венера ближче до лінії Н20. (Планети швидкості виходу з газу в Google для отримання більше діаграм)

Швидкість виходу з атмосфери повинна бути набагато вищою для Венери: Венера отримує більше тепла від сонця, таким чином, більша швидкість втечі Джинсу Венера має незначне магнітне поле, тому частина її атмосфери повинна бути втрачена для прямого "здуття" сонячним вітром

Це правда. Це цілком може пояснити, чому у Венери так мало води, що є загальним у Сонячній системі. Але у вашій останній точці у Венери є індуковане магнітне поле - дивіться тут . dpwilson пояснив це детальніше.

І все-таки саме Земля, здавалося б, втрачає велику кількість атмосферного об’єму. Тож питання: які існують сучасні теорії щодо «стоншення» земної атмосфери? Коли і чому атмосферні гази покинули планету?

Як я вважаю, все ще виникає невпевненість у тому, якою була атмосфера Землі мільярди років тому. Це могло б початися з ще щільнішої атмосфери, ніж зараз у Венери, але важко з певністю дізнатися (принаймні, ніщо, що я читав, не підказує визначеність з цього приводу).

Варто зазначити, що вугілля, нафта та природний газ не утворюються природним шляхом, але вони є продуктом мертвих рослин та морського життя, похованого протягом сотень мільйонів років. Крім того, у багатьох скелях, які ми бачимо навколо нас, є в них кисень. Наприклад, у граніту є кисень. (На Венері немає або, принаймні, дуже мало граніту). Поглинання атмосфери життям на Землі та зв'язуванням кисню з поверхневими та розчиненими океанськими мінералами, ймовірно, зіграли величезну роль у вирідженні земної атмосфери. Життя на землі, саме по собі, може бути достатньою для пояснення різниці атмосфери Землі від Венери.

Комети:

1) Раніше комети були більшими. Кожного проходу біля сонця комети стискаються. Крім того, це не просто комети, це крижаний місяць, як предмети та астероїди, які, коли Юпітер мігрував і відбувалися пізні важкі обстріли, деякі з них могли бути досить великими.

Дивіться: Тут і тут і тут .

Крім того, я не сказав це як остаточне, я сказав, що можливо, значна частина атмосфери Венери походить від великого удару комети.

Як видно, існує напрочуд мало твердих теорій, чому Земля та Марс зуміли втратити більшість атмосферних газів, а Венері вдалося зберегти найвеличнішу атмосферу.

Одну правдоподібну теорію висунув видатний хімік Октав Левенспієль та ін., Заснований на старих радянських дослідженнях складу земної кори, проведених у 50-х роках (я не зміг знайти суттєвих оновлень моделі композиції кори, розробленої з того часу).

На перший погляд, теорія працює так:

1. Земля утворилася з атмосферою, подібною або щільнішою, ніж венеціанська. Найпоширенішим його інгредієнтом повинен був бути СО2 (аналогічно Венері та Марсу).
2. Земляній атмосфері вдалося досить охолонути, щоб вода почала конденсуватися в рідку фазу. Точний механізм цього для мене не зовсім зрозумілий (незважаючи на зону Золоділокса), оскільки гаряча та щільна атмосфера CO2 / H2O повинна була спричинити помітний ефект "зеленого будинку", не дозволяючи планетарній поверхні остигати (якщо тільки моделі з ефектом "зеленого будинку") занадто перебільшені).
3. Атмосферний СО2 почав розчинятися у рідкій воді (лише це спричинило б приблизно 50% зниження часткового тиску CO2). Сильнокисла вода почала вимивати кальцій із кори, що запускає процес утворення вапняку.
4. Нове життя прискорило цей процес, відстежуючи атмосферний CO2, що залишився, у гігантський вапняк та дещо менші поклади вугілля.

Детальний виклад теорії можна побачити тут: http://pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

Я сподівався, що деякі відповіді тут можуть запропонувати правдоподібні альтернативні теорії. Зокрема:

1. "Тектоніка плит", мабуть, не має нічого спільного із складом та параметрами атмосфери сьогодення. Наскільки я знаю, ніхто ніколи не припускав, що мантія може повторно поглинати гази з атмосфери - навпаки, гази, що виділяються з охолоджуючої мантії через вулканічну активність, повинні сприяти більш щільній атмосфері (очевидно, що цей процес ніколи не допомагав Марсу і теж не дуже допомагає Землі). Вулканічні гази складаються здебільшого з СО2 та водяної пари (до 90% по масі), тоді як ці дві речовини майже не присутні в атмосфері сучасного часу (CO2 - ~ 350 ppm, пара - 0,4%, в основному від випаровування, не пов'язаного з вулканічною переробкою) .
2. Комети - відносно легкі об’єкти (гідна комета важить в 10000-100000 разів менше, ніж навіть поменшана, нинішня земна атмосфера) з низькою щільністю. Високий вплив кінетичної енергії комети на планету, швидше за все, призведе до втечі більшості газів, що містяться в кометі, назад у космос (а нагрівання ударів також додасть частину планетарних газів до суміші, що витікає - процес, відомий як "ударна ерозія" "). Вважається, що між кометами та планетами неможлива істотна передача речовини ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. "Рання тонка атмосфера" - атмосфера, яка розмивається або втрачається незабаром після утворення Землі (Місяця), не є правдоподібною з очевидних причин: звідки береться вапняк / вугілля? Якщо земна атмосфера була втрачена і поповнена завдяки тектонічній активності, це повертає нас до початкового питання.