Dlaczego ziemska atmosfera jest tak cienka?

Wenus jest nieco jaśniejsza od Ziemi, ale ma znacznie grubszą atmosferę. Można sobie wyobrazić, że powinny być spełnione następujące warunki:

1. Podczas fazy formacji wszystkie planety wewnętrzne przechwyciły tyle gazu, ile były w stanie utrzymać na równowagę grawitacyjną / termodynamiczną. W końcu nawet marny Mars zdołał uchwycić sporą atmosferę.
2. Szybkość ucieczki atmosferycznej powinna być znacznie wyższa dla Wenus:
   • Wenus otrzymuje więcej ciepła od słońca, a tym samym wyższy wskaźnik ucieczki dżinsów
   • Wenus ma znikome pole magnetyczne, więc część jej atmosfery musi zostać utracona w celu bezpośredniego „zdmuchnięcia” przez wiatr słoneczny

Jednak to Ziemia pozornie brakuje dużej objętości atmosferycznej. Pytanie zatem brzmi: jakie są obecne teorie dotyczące „przerzedzania” ziemskiej atmosfery? Kiedy i dlaczego gazy atmosferyczne opuściły planetę?

Krótka odpowiedź: gazy atmosferyczne nigdy nie opuściły Ziemi, są w niej!

Długa odpowiedź na to pytanie dotyczy nie tylko bieżących stanów planet, ale procesów, które je tam doprowadziły. Zacznijmy od samego początku (bardzo dobre miejsce na początek).

Bardzo wczesne lata

Kiedy nasz układ słoneczny zaczął formować się 4,6 miliarda lat temu, większość masy z zapadniętej części chmury molekularnej (patrz hipoteza Mgławicy ) zebrała się w centrum, tworząc Słońce. Masa, która nie zapadła się w Słońce, pozostawiła dysk protoplanetarny - chmurę pyłu i gazu - otaczającą nową gwiazdę. Stopniowo cząsteczki pyłu zaczęły się gromadzić poprzez akrecję, przyciągając coraz więcej cząstek do raczkujących planet.

Blisko Słońca, gdzie zarówno Wenus, jak i Ziemia, przebywało, było zbyt gorąco, aby wiele cząstek mogło się skroplić, więc planety w tym regionie uformowały się z metalami i krzemianami, które mają wysokie temperatury topnienia. Właśnie dlatego cztery planety w wewnętrznym Układzie Słonecznym nazywane są planetami „skalistymi” lub „ziemskimi”. Najwcześniejsze atmosfery na tych planetach zaczęły się formować wraz ze stopniowym gromadzeniem się gazów z mgławicy słonecznej, głównie wodoru.

Złotowłosa i dwie planety

W tym momencie ewolucji dwóch planet wyglądały dość podobnie, ale jest jedna główna różnica: odległość do Słońca. Wygląda na to, że Ziemia miała szczęście być w „strefie Złotowłosa”, gdzie temperatura jest odpowiednia do podtrzymywania życia. Przebywanie w tej strefie ma dwa główne implikacje: ciekłą wodę, aw konsekwencji aktywną płytową tektonikę. (Zobacz ten artykuł, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat tego, dlaczego oba są ze sobą powiązane).

Pochłaniacze węgla

Na Ziemi w płynnych oceanach znajduje się znaczna ilość wody. W przypadku Wenus tak nie jest. W pobliżu Słońca jest po prostu zbyt gorąco, więc cała woda wyparowała do atmosfery. (Wenus prawdopodobnie zawierała płynną wodę we wczesnych stadiach, ale wszystko wyparowało po około miliardie lat). Jest również prawdopodobne, że młoda Ziemia kiedyś miała gęstą, karającą atmosferę, taką jak dzisiejsza Wenus. Jednak zarówno oceany powierzchniowe, jak i tektonika płyt zapewniły szerokie ścieżki dla gazów, które mają być wchłaniane do powierzchni Ziemi. Oceany i tektoniki płyt oferują ogromne ilości składowania węglanów, umożliwiając przenoszenie i równowagę związków węgla do iz atmosfery.

Teraz mamy dwie rzeczy wzmacniające różnice między atmosferą ziemską i Wenus:

• Odparowanie ciekłej wody : Na Wenus jest zbyt gorąco, aby istniała ciekła woda. Cała woda odparowała, co spowodowało gęstszą atmosferę. Na Ziemi woda może znajdować się na powierzchni, zmniejszając ilość w atmosferze.
• Pochłaniacze węgla : Płynna woda i tektonika płyt pozwalają Ziemi wchłonąć znaczne ilości gazu, co pozwala na rozrzedzenie atmosfery niektórych związków, takich jak dwutlenek węgla. Na Wenus nie ma takiej ścieżki, zmuszającej cały gaz do pozostania w atmosferze.

Bez głównych mechanizmów wchłaniania gazów przez planetę Wenus doświadcza niekontrolowanego efektu cieplarnianego.

Ucieczka atmosferyczna

Wspominasz o ucieczce od Jeans. Prawdą jest, że efekt ten jest większy w wyższych temperaturach; jednak mniejsze cząsteczki są znacznie łatwiejsze do ucieczki niż większe. Wodór i hel, będące dwoma najmniejszymi pierwiastkami, najbardziej wpływają na to zjawisko. Dla porównania, na ucieczkę dżinsów nie ma większego wpływu na dwutlenek węgla, który stanowi większość atmosfery Wenus.

Wspominasz także o wiatrach słonecznych. Chociaż wpływają na to, szczególnie na planetach bez pola magnetycznego, zjawisko to nie jest tak silne, jak mogłoby się wydawać. Światło ultrafioletowe (tj. Promieniowanie fotoionizujące) powoduje jonizację w najwyższym obszarze atmosfery. Te naładowane cząstki tworzą teraz powłokę (zwaną jonosferą), która odchyla wiatry słoneczne, podobnie jak pole magnetyczne. Na Wenus gęsta atmosfera zapewnia więcej cząstek do jonizacji, co powoduje silniejsze ugięcie. (Porównaj to do Marsa, gdzie wiatr słoneczny jest głównym nietermicznym mechanizmem ucieczki z powodu cienkiej atmosfery z niewielką ilością zjonizowanych cząstek).

Podstawowy mechanizm ucieczki atmosfery dla Wenus jest w rzeczywistości nieco bardziej skomplikowany. Przy braku pola magnetycznego łatwiej jest uciec naładowanym cząsteczkom. W szczególności elektrony są najbardziej podatne ze względu na małą masę. Gdy elektrony uciekają, ładunek netto jonosfery jest dodatni, powodując wyrzucanie jonów dodatnich, głównie H ⁺ .

Wniosek

Podczas gdy Ziemia i Wenus uformowały się podobnie, Ziemia miała szczęście. Ma ścieżki usuwania gazów z atmosfery, podczas gdy Wenus nie. Dodatkowo, obie planety nie doświadczają znacząco różnych szybkości ucieczki atmosferycznej. Powoduje to gęstość atmosferyczną, o której wiemy dzisiaj: 66 kg / m ³ dla Wenus i zaledwie 1,2 kg / m ³ dla Ziemi.

Myślę, że odpowiedź dpwilsona jest doskonała i głosowałem na niego, ale chciałem zamieścić tę tabelę ze starym obrazem wartym tysiąca słów.

Wenus jest nieco jaśniejsza od Ziemi, ale ma znacznie grubszą atmosferę. Można sobie wyobrazić, że powinny być spełnione następujące warunki:

Podczas fazy formacji wszystkie planety wewnętrzne przechwyciły tyle gazu, ile były w stanie utrzymać na równowagę grawitacyjną / termodynamiczną. W końcu nawet marny Mars zdołał uchwycić sporą atmosferę.

Może. Ale we wczesnym Układzie Słonecznym, gdy Słońce już powstało i zaczęło wypompowywać światło i rozbłyski słoneczne (i wczesne słońce było prawdopodobnie znacznie bardziej aktywne w wystrzeliwaniu rozbłysków słonecznych częściowo ze względu na szybszy obrót), kluczowy czynnik do rozważenia jest Linia Mrozu - która jest już daleko od Ziemi.

Tak więc 1 z 2 rzeczy może się zdarzyć we wczesnej formacji Układu Słonecznego. Po pierwsze, planety formują i zbierają dostępne lody i gaz, które mogą, zanim słońce zacznie topić / wypychać lód i gaz w linii mrozu, lub 2, słońce powstaje pierwsze, a wewnętrzne planety mają bardzo mało gazu i wody podczas formowania . Są bombardowani wodorem wyrzucanym ze słońca, ale głównie wewnętrzne planety nie są dobre w utrzymywaniu tego wodoru. W drugim scenariuszu każda atmosfera i woda, którą otrzymają, musiałyby pochodzić z uderzeń komety.

Wczesna atmosfera planet wewnętrznych składała się głównie z CO2, CH4, NH3, może trochę N2. Gdyby Wenus uderzyło kilka dodatkowych komet, samo to by to wyjaśniło i nie jest to statystycznie nieracjonalne. Nie mówię, że tak się stało, tylko że jest to możliwe. Wenus zatrzymuje większość CO2, ale z czasem może stracić większość H20, CH3, NH3, może N2, jeśli byłaby obecna, co prowadzi do atmosfery głównie CO2, jaką ma dzisiaj.

Teoretycznie możliwe jest również, że gigantyczne uderzenie, które uformowało księżyc, zdmuchnęło wiele wczesnej atmosfery ziemskiej. (nie jestem tego pewien, ale ogromny dodatek ciepła i rotacji, to możliwe).

Na powyższym wykresie sugeruje, że Wenus nie straci dużo H20, ale inne mapy pokazują Wenus bliżej linii H20. (Google planety prędkości ucieczki gazu, aby uzyskać więcej wykresów)

Szybkość ucieczki atmosferycznej powinna być znacznie wyższa dla Wenus: Wenus otrzymuje więcej ciepła od Słońca, dlatego wyższa szybkość ucieczki Dżinsów Wenus ma znikome pole magnetyczne, więc część jego atmosfery musi zostać utracona w celu bezpośredniego „zdmuchnięcia” przez wiatr słoneczny

To prawda. Może to wyjaśniać, dlaczego Wenus ma tak mało wody, która jest powszechna w układzie słonecznym. Ale w ostatnim punkcie Wenus ma indukowane pole magnetyczne - patrz tutaj . dpwilson wyjaśnił to bardziej szczegółowo.

Jednak to Ziemia pozornie brakuje dużej objętości atmosferycznej. Pytanie zatem brzmi: jakie są obecne teorie dotyczące „przerzedzania” ziemskiej atmosfery? Kiedy i dlaczego gazy atmosferyczne opuściły planetę?

Rozumiem, że wciąż jest niepewna, jaka dokładnie jest atmosfera Ziemi miliardy lat temu. Mogłoby się zacząć od jeszcze bardziej gęstej atmosfery niż obecnie Wenus, ale trudno jest o tym wiedzieć z całą pewnością (przynajmniej nic, co przeczytałem, nie sugeruje pewności na ten temat).

Warto zauważyć, że węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny nie tworzą się naturalnie, ale są produktem martwych roślin i życia morskiego zakopanych przez setki milionów lat. Ponadto wiele skał, które widzimy wokół nas, zawiera tlen. Granit ma na przykład tlen. (Na Wenus nie ma, a przynajmniej bardzo mało granitu). Absorpcja atmosfery przez życie na Ziemi oraz wiązanie tlenu z powierzchniowymi i rozpuszczonymi minerałami oceanicznymi prawdopodobnie odegrało ogromną rolę w rozrzedzaniu ziemskiej atmosfery. Życie na ziemi samo w sobie może być wystarczającym wyjaśnieniem różnicy między ziemską atmosferą a Wenus.

Komety:

1) Komety były większe. Każde przejście w pobliżu słońca powoduje zmniejszenie komet. Poza tym to nie tylko komety, to lodowy księżyc jak obiekty i asteroidy, które wraz z migracją Jowisza i późnym ciężkim bombardowaniem, niektóre z nich mogły być całkiem duże.

Zobacz: tutaj i tutaj i tutaj .

Poza tym nie powiedziałem tego jako ostatecznego, powiedziałem, że możliwe jest, że duża część atmosfery Wenus pochodzi z dużego strajku komet.

Wygląda na to, że istnieją zaskakująco mało solidnych teorii, dlaczego Ziemi i Marsowi udało się utracić większość gazów atmosferycznych, podczas gdy Wenus zachowała najwspanialszą atmosferę.

Jedna wiarygodna teoria została wysunięta przez wybitnego chemika Octave'a Levenspiela i wsp., Na podstawie starych sowieckich badań nad składem skorupy ziemskiej przeprowadzonych w latach 50. XX wieku (nie mogłem znaleźć żadnych istotnych aktualizacji opracowanego od tego czasu modelu składu skorupy).

Na pierwszy rzut oka teoria wygląda następująco:

1. Ziemia uformowała się w atmosferze podobnej lub gęstszej niż Wenus. Najbardziej powszechnym składnikiem powinien być CO2 (analogicznie do Wenus i Marsa).
2. Atmosferze ziemskiej udało się wystarczająco ostygnąć, aby woda zaczęła kondensować w fazę ciekłą. Dokładny mechanizm tego nie jest dla mnie całkiem jasny (pomimo strefy Goldilocks), ponieważ gorąca i gęsta atmosfera CO2 / H2O powinna była wywołać wyraźny efekt „szklarni”, zapobiegając ochłodzeniu powierzchni planety (chyba że modele z „szklarnią”) są zbyt przesadzone).
3. CO2 w atmosferze zaczął rozpuszczać się w ciekłej wodzie (samo to spowodowałoby około 50% zmniejszenie ciśnienia cząstkowego CO2). Silnie kwaśna woda zaczęła erodować wapń ze skorupy, rozpoczynając proces tworzenia się wapienia.
4. Powstające życie przyspieszyło proces, sekwestrując pozostały CO2 z atmosfery w gigantyczny wapień i nieco mniejsze złoża węgla.

Szczegółowy zarys teorii można znaleźć tutaj: http://pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

Miałem nadzieję, że niektóre odpowiedzi tutaj mogą sugerować wiarygodne alternatywne teorie. W szczególności:

1. „Tektonika płyt” prawdopodobnie nie ma nic wspólnego z kompozycją i parametrami współczesnej atmosfery. O ile wiem, nikt nigdy nie sugerował, że płaszcz może ponownie wchłonąć gazy z atmosfery - wręcz przeciwnie, gazy uwalniane z płaszcza chłodzącego przez aktywność wulkaniczną powinny przyczyniać się do gęstszej atmosfery (najwyraźniej proces ten nigdy nie pomógł Mars i też tak bardzo nie pomaga Ziemi). Gazy wulkaniczne składają się głównie z CO2 i pary wodnej (do 90% masowych), podczas gdy te dwie substancje prawie nie występują w nowoczesnej atmosferze (CO2 - ~ 350 ppm, para - 0,4%, głównie z parowania niezwiązanego z recyklingiem wulkanicznym) .
2. Komety to stosunkowo lite obiekty (przyzwoita kometa waży 10000-100000 razy mniej niż nawet cieńka, współczesna ziemska atmosfera) o niskiej gęstości. Wysoki wpływ energii kinetycznej komety z planetą najprawdopodobniej spowoduje ucieczkę większości gazów zawartych w komecie z powrotem w przestrzeń kosmiczną (a ogrzewanie udarowe doda również część gazów planetarnych do uciekającej mieszanki - proces znany jako „erozja uderzeniowa” „). Od dawna uważa się, że nie jest możliwy żaden istotny transfer materii między kometami i planetami ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. „Wczesna cienka atmosfera” - erozja lub zanik atmosfery wkrótce po uformowaniu Ziemi (Księżyca) nie jest prawdopodobny z oczywistego powodu: skąd pochodzi wapień / węgiel? Jeśli atmosfera ziemska została utracona, a następnie uzupełniona poprzez aktywność tektoniczną, to sprowadza nas do pierwotnego pytania.