Müssen Himmelskörper groß sein, um flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche zu haben?

Flüssiges Wasser kann im Vakuum nicht existieren. Wenn kein Druck vorhanden ist, sinkt der Siedepunkt auf den Gefrierpunkt und es entsteht entweder Eis oder Wasserdampf.

Und wenn die Welt "klein" ist, dann hält ihre Schwerkraft keinen Wasserdampf fest, und sie geht an den Weltraum verloren. Die Erde kann flüssiges Wasser haben, weil ihre Schwerkraft stark genug ist, um Wasserdampf festzuhalten und einen Dampfdruck bereitzustellen, um den Siedepunkt auf 100 Grad zu erhöhen, was heißer ist als die Temperatur aufgrund der Sonne.

Eine kleine Welt kann eine unterirdische Wasserschicht haben, da das Eis darüber das Wasser daran hindert, in den Weltraum zu verdampfen. Enceladus hat eine solche Schicht, aber wenn Enceladus ein Mond der Erde wäre, hätte die Sonne das Eis geschmolzen und das Wasser wäre längst abgekocht.

Müssen Himmelskörper groß sein, um flüssiges Wasser auf ihrer Oberfläche zu haben?

Ja.

Kurz gesagt: Flüssiges Oberflächenwasser braucht eine Atmosphäre. Um eine Atmosphäre aufrechtzuerhalten, muss ein Planet ausreichend massiv und daher ausreichend groß sein. Je wärmer ein Planet ist, desto mehr Masse braucht er, um eine Atmosphäre aufrechtzuerhalten. Ein Planet, der warm genug für flüssiges Wasser ist, muss daher auch groß genug sein, um die Atmosphäre zu erhalten, damit dieses flüssige Oberflächenwasser überleben kann.

Flüssiges Wasser kann nur existieren, wenn der Druck größer als 612 Pa ist. Der Siedepunkt hängt vom Druck ab. Bei einem Druck von 101 kPa, wie bei durchschnittlichen Bedingungen auf Meereshöhe der Erde, liegt der Siedepunkt bei 373 K (100 °C). Bei einem Druck von 34 kPa (Durchschnitt auf dem Gipfel des Sagarmatha/Mount Everest) liegt der Siedepunkt bei 71 °C:

Quelle: Cmglee, Wikimedia Commons

Damit flüssiges Wasser an der Oberfläche existieren kann, muss eine ausreichend dicke Atmosphäre vorhanden sein, um diesen Druck bereitzustellen. Es könnte etwas dünner sein als auf der Erde, aber wenn es zu dünn ist, könnte Wasser allzu leicht kochen.

Der Mars hat einen durchschnittlichen Oberflächendruck von durchschnittlich 636 Pa, was bedeutet, dass flüssiges Wasser theoretisch kaum existieren könnte, aber nur, wenn die Temperatur ziemlich genau 273 K (0 °C) beträgt. Ein Grad kälter und es gefriert, ein Grad wärmer und es kocht. In Wirklichkeit beträgt die Oberflächentemperatur auf dem Mars durchschnittlich 210 K. Der Druck auf dem Mars hängt vom Standort ab, aber für zukünftige Marskolonisten sollte es eine lustige Herausforderung sein, zu sehen, wie lange sie flüssiges Wasser überleben lassen können (erhitzt, aber ohne Druck). an einigen seiner tiefsten Punkte!

Um eine Atmosphäre zu erhalten, muss ein Planet eine ausreichende Schwerkraft haben. Wenn die Schwerkraft nicht ausreicht, wird der größte Teil der Atmosphäre aufgrund thermischer Effekte (thermische Molekulargeschwindigkeit größer als die Austrittsgeschwindigkeit, siehe unten), des Sonnenwindes (geladene Teilchen, die gegen die Atmosphäre drücken) und anderer (kleinerer ) Auswirkungen. Schlimmer noch, es geht nicht nur der größte Teil der Atmosphäre verloren, wenn ein Planet zu klein ist, sondern auch die leichteren Spezies wie Wasser gehen leichter verloren als beispielsweise Kohlendioxid. Die Schwerkraft muss also nicht nur ausreichen, um eine Atmosphäre festzuhalten, sie muss auch ausreichen, um speziell Wasser festzuhalten. Die einzige Möglichkeit, Verlusten an den Weltraum entgegenzuwirken oder zu verhindern, ist eine ausreichende Schwerkraft (Reduzierung des Verlusts) oder eine ständige Neuversorgung. Die Größe, die ein Planet haben muss, um eine Atmosphäre zu halten, hängt von der Temperatur ab:

Quelle: Cmglee, Wikimedia Commons

Um eine ausreichende Schwerkraft zu haben, muss ein Planet eine ausreichende Masse haben. Um eine ausreichende Masse zu haben, muss sie ausreichend groß sein. Wie groß ist „ausreichend groß“? Das hängt von der Temperatur ab. Titan ist ziemlich klein, aber auch sehr kalt. Bei Temperaturen, die warm genug sind, um Wasser zu halten, könnte ein Planet etwas kleiner als die Erde sein, aber nicht viel. Der Mars ist zu klein. Obwohl ein marsgroßer Planet mit einer erdähnlichen Temperatur theoretisch eine titanähnliche Atmosphäre aus hauptsächlich Stickstoff für eine Weile behalten könnte (es wäre nah, etwas größer wäre sicherer), würde er im Laufe der Zeit immer noch sein Wasser verlieren .

Um ständig neuen Nachschub zu haben, bräuchte ein Planet oder Mond Vulkanismus. Um den Vulkanismus aufrechtzuerhalten, benötigt ein Planet eine innere Wärmeversorgung, für die er auch ausreichend Masse benötigt, um diese zumindest langfristig aufrechtzuerhalten. Ein Mond kann auch Energie von einem Planeten erhalten, um den Vulkanismus aufrechtzuerhalten. Vielleicht könnte ein wärmerer Hybrid zwischen stark vulkanischem Io und Enceladus mit Kryovulkanen um einen hypothetischen extrasolaren Planeten eine hochdynamische Atmosphäre aufrechterhalten, selbst wenn sie gemäß dem obigen Diagramm normalerweise zu klein wäre. Das könnte jedoch unwahrscheinlich sein; Im Fall von Io entfernt dieselbe Energiequelle, die den Vulkanismus antreibt, auch die Atmosphäre (und Io hat das wenigste Wasser im gesamten Sonnensystem). In jedem Fall ist Titan der einzige Mond mit einer nennenswerten Atmosphäre in unserem Sonnensystem, der auch der kleinste Körper im Sonnensystem mit Atmosphäre ist. Mit 94 K ist es sehr kalt; Wenn es warm genug wäre, um flüssiges Wasser aufzunehmen, würde es seine Atmosphäre verlieren.

Vielleicht könnte ein sehr junger Planet ziemlich klein sein, immer noch vulkanisch aktiv sein und immer noch genug Atmosphäre haben, um weit verbreitetes flüssiges Oberflächenwasser zu ermöglichen. Auch im Sonnensystem gibt es keine solchen Planeten, denkbar wäre es aber für einen extrasolaren Planeten. Für jeden Planeten von beträchtlichem Alter hilft jedoch nur die Masse, also nur die Größe.

Größe spielt eine Rolle.

Gerrits Antwort hat hervorragend gezeigt, dass (1) es eine enge Reihe von Temperaturen und Drücken gibt, bei denen flüssiges Wasser vorhanden ist, und (2) ein Planet ziemlich groß sein muss, um genügend Schwerkraft zu haben, um Wasser in der Atmosphäre zu halten. Das wollte ich aber erwähnen:

Die für flüssiges Wasser erforderlichen Bedingungen können jedoch erweitert werden, indem es mit anderen chemischen Spezies gemischt wird.

Salz wird im Winter oft auf Straßen geschüttet, um Eis zu schmelzen, was effektiv ist, weil Salzwasser einen niedrigeren Gefrierpunkt und einen höheren Siedepunkt hat (und thermodynamisch stabiler ist) als reines flüssiges Wasser. Zum Beispiel gefriert Meerwasser bei 271 K (28 ° F), was niedriger ist als der Gefrierpunkt von reinem Wasser, 273 K (32 ° F). Kühlmittel in Autos enthält normalerweise Wasser mit zugesetztem Ethylenglykol, um den Gefrierpunkt zu senken und den Siedepunkt zu erhöhen.

Diese Abbildung von Cynn et al. zeigt, dass eine Mischung aus 63 % Wasser plus 37 % Ammoniak flüssiges Wasser bis hinunter zu 180 K existieren lässt, obwohl es aus diesem Diagramm schwer zu sagen ist, wo die Druckunterbrechung bei dieser Temperatur liegen könnte. Die Druckabschaltung senkt die Temperatur, sodass sie mit Sicherheit unter 100 kPa liegt. Möglicherweise können Sie flüssige Wasser-Ammoniak-Mischungen bei niedrigen Temperaturen und Drücken auf der Oberfläche von Körpern von Marsgröße oder kleiner halten.

Es wird angenommen, dass Wasser-Ammoniak-Gemische unter der Oberfläche vieler Körper im äußeren Sonnensystem vorhanden sind, darunter Titan , Pluto , Charon und Ganymed . Kryovulkanismus, der auf Eruptionen flüssiger Ammoniak-Wasser-Gemische beruht, könnte unter den terrestrischen Satelliten jenseits des Mars häufiger vorkommen als nicht.