Sonnenwind, Erdwind und Planetenwinde?

Beim Durchgehen der Literatur ist die Arbeit von Wang et al. 2021 zitiert, bin ich mir fast sicher, dass der Begriff „Erdwind“ eine neuere Erfindung sein muss, vielleicht von diesen Autoren selbst.

Es ist jedoch richtig, den Sonnenwind als „Wind“ zu bezeichnen. Dies liegt daran, dass ein Wind eine druckgetriebene Massenbewegung eines kollektiv gekoppelten Gases ist. Der Sonnenwind an seiner Basis wird durch die enormen Druckgradienten über die 1 Million Kelvin heiße Sonnenkorona angetrieben.
Während die primäre, wasserstoffreiche Atmosphäre der Erde ein solches Phänomen erlebt haben könnte, ist es falsch, das derzeitige atmosphärische Entweichen als „Wind“ zu bezeichnen.

Aber abgesehen vom Vokabular werden die derzeitigen atmosphärischen Austrittsraten auf den terrestrischen Planeten von verschiedenen ionischen Austrittsprozessen bestimmt, von denen der wichtigste der polare Spitzenausbruch ist. Die Daten, nach denen Sie also tatsächlich suchen, sind Daten über das Entkommen der Polarspitzen von verschiedenen Orbitern. Glücklicherweise haben Gunell et al. (2018) ein aktuelles Kompendium dazu herausgegeben (siehe ihre Tabelle A.1) und eine einfache Modellierung der Daten versucht. Es sind keine Daten zur Polarflucht für Mars und Venus verfügbar, da dieses Konzept auf diese Planeten nicht zutrifft. Die anderen Fluchtvorgänge sind im Mittel kleiner für Wasserstoff, aber größer für Sauerstoffionen.

Ebenso denke ich, dass es keine Daten über das Entweichen von Gasen aus den Gasgiganten gibt. Die Magnetosphären von Jupiter und Saturn wurden untersucht und ihre Teilchenpopulationen charakterisiert, aber ich denke, es ist unklar, wie viel des magnetisphärischen Inhalts letztendlich verloren geht. Es gibt keine zuverlässigen Daten über die Polarflucht von Uranus und Neptun, da diese Planeten immer nur von einem einzigen Vorbeiflug (dem von Voyager 2) besucht wurden.

Alle Planeten verlieren eine kleine Menge atmosphärischer Gase, da einige Atome/Moleküle (sogar neutrale) eine Energie haben, die hoch genug ist, um dem Gravitationsfeld des Planeten zu entkommen. Dies wirkt sich tendenziell stärker auf leichtere Elemente aus, da sie bei gleicher Temperatur höhere Geschwindigkeiten aufweisen. Diese Art der thermischen „Ausgasung“ ist im Prinzip die gleiche wie die, die den „Sonnenwind“ erzeugt.

Der Ausstoß von Ionen in den in diesem Link erwähnten Polarregionen beruht auf einem etwas anderen Mechanismus. Sie werden durch elektrische Felder (Plasma-Polarisationsfelder) in der Ionosphäre verursacht. Diese wiederum sind darauf zurückzuführen, dass die Elektronen nicht gravitativ gebunden sind und daher aus der Erde entkommen können, wodurch ein elektrisches Nettofeld entsteht. Austreten können sie nur im Bereich offener Magnetfeldlinien, also in Polnähe. Auch dies wiederum ist letztlich darauf zurückzuführen, dass einige Teilchen dem Gravitationsfeld entkommen können.

Es ist nicht allzu schwierig, die Menge an Gas zu berechnen, die dem Schwerefeld des Planeten entkommen kann. Betrachten wir atomaren Wasserstoff (Masse m=1,6*10 ^-24 g} im Falle der Erde. Die Dichte in der Höhe von etwa 400:km (oberhalb dessen die Atmosphäre als kollisionsfrei angesehen werden kann) beträgt ungefähr$n=10^5/cm^3$

Die Temperatur kann ziemlich variabel sein zwischen ca$600K$Und$2000K$abhängig von Tageszeit und Sonnenaktivität. Nehmen wir einen mittleren Wert von$T=1200K$Hier. Die Höhe von 400 km würde dann den Radius auf dieser Ebene ergeben$R=6778 km$und damit die Gesamtfläche der Kugel$A=4\pi R^2$. Der Fluchtfluss von einem Quadratzentimeter dieser Kugel ist (unter der Annahme einer Maxwell-Geschwindigkeitsverteilung und unter Berücksichtigung, dass nur die Hälfte der Atome (nach oben gehen) entkommen kann)

Wo$v_0$ist die thermische Geschwindigkeit

mit$k$die Boltmann-Konstante und

die Fluchtgeschwindigkeit vom Planeten mit Masse$M$(=6*10 ²⁷ g für Erde) mit Radius R und G die Gravitationskonstante.

Bei den angegebenen Werten ergibt sich daraus ein Fluchtfluss von H-Atomen von$F_{esc}=4*10^7/cm^2/sec$und damit einen gesamten Wasserstoffmassenverlust von$F_{esc}*A*m=0.4 kg/sec$. Wenn Sie sich die Wikipedia-Seite https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_escape#Earth ansehen , geben sie 3 kg/s für den Wasserstoffverlust der Erde an, was etwas mehr ist, aber dann könnte diese Zahl auf unterschiedlichen physikalischen Gründen beruhen Parameter, zumal diese sehr stark von der Temperatur abhängt. Bei T=2000 K ergäben sich nach obiger Rechnung bereits 4,4 kg/sec. Für andere Elemente als Wasserstoff ist die Verlustrate jedoch aufgrund geringerer thermischer Geschwindigkeiten viel geringer. Selbst bei 2000 K geht beispielsweise Helium nur mit einer Rate von 4*10 -3 ^kg /s und atomarer Sauerstoff sogar mit etwa 10 ^{-18 verloren}kg/Sek. Dies alles setzt in erster Linie eine Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung voraus, die eine genaue Annäherung im Hochgeschwindigkeitsende der Verteilung sein kann oder nicht.

Beim Sonnenplasma kommt hinzu, dass die Elektronen aufgrund ihrer geringen Masse gravitativ praktisch ungebunden sind. Dies bedeutet, dass sie ungehindert entweichen können, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, in dem die Sonne so positiv geladen wird, dass ihre Fluchtgeschwindigkeit gleich der der (viel schwereren) Ionen ist (dh sowohl die Elektronen als auch die Ionen müssen die gleiche haben). potenzielle Nettoenergie). Wenn man also die Gravitationspotentialenergie der Elektronen ignoriert, muss im Gleichgewicht die Gleichung gelten ($U_G$= potentielle Gravitationsenergie,$U_E$=elektrische potentielle Energie)

wobei die linke Seite die potenzielle Nettoenergie für ein Elektron und die rechte Seite für das Ion ist ($U_E$ist auf der rechten Seite negativ, da die positiv geladene Sonne die Ionen eher abstößt als anzieht).

Diese Gleichung gibt uns offensichtlich

Das heißt, das durch die Elektronenflucht induzierte elektrische Feld (Plasmapolarisationsfeld) reduziert die Schwerkraft effektiv um 1/2 für die Ionen. In den obigen Gleichungen zur Berechnung des Fluchtflusses müssen wir also die Sonnenmasse M effektiv um den Faktor 1/2 reduzieren (was die Fluchtgeschwindigkeit um einen Faktor reduziert$1/\sqrt{2}$). Dabei und unter der Annahme einer Ionendichte von$n=10^8/cm^3$bei$R=740000 km$, kann man den beobachteten Fluss/die Dichte des Sonnenwindes auf der Erde mit einer Temperatur von abgleichen$T=2.5*10^6 K$, was wiederum ein vernünftiger Wert zu sein scheint. Der Gesamtmassenverlust folgt in diesem Fall aus dem Obigen als$8*10^8 kg/sec$was auch mit dem an anderer Stelle zitierten Wert übereinstimmt.