Warum wird die Luft nicht von der Erde abgesaugt?

Vakuum saugt keine Luft. Im Vakuum ist es die andere Luft, die es in den leeren Raum drückt. Luft dehnt sich wie jedes andere Gas aus, um das Volumen zu füllen.

Sie würden also erwarten, dass sich die Atmosphäre ausbreitet, um den Rest des Universums zu füllen – und ohne die Schwerkraft, die sie auf der Erde hält, würde dies ausreichen.

Edit: Ja, es geht ständig etwas Luft verloren. Die Moleküle in der Atmosphäre bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, einige der allerschnellsten bewegen sich schnell genug, um genug Energie zu haben, um die Schwerkraft zu überwinden und zu entkommen. Dies gilt insbesondere für die leichtesten Elemente, z. Helium, die sich schnell bewegen und die Wirkung der Schwerkraft am wenigsten spüren.

"Manche sagten X, manche sagten Y" - in Ihrem Fall sind X und Y gleich. Die Schwerkraft gibt Ihnen die Fluchtgeschwindigkeit - ohne Schwerkraft wären alle Geschwindigkeiten Fluchtgeschwindigkeiten. Die Atmosphäre verlässt die Atmosphäre , da ein bestimmter Anteil der Luftmoleküle die ganze Zeit über genügend Geschwindigkeit erhält. Die durchschnittliche Geschwindigkeit von Luftmolekülen ist jedoch viel geringer als die Austrittsgeschwindigkeit, daher ist dies ein relativ seltenes Ereignis – wir verlieren etwa 3 kg Atmosphäre pro Sekunde. Das klingt nach viel, aber in der Atmosphäre ist viel Luft, also würde es etwa eine Milliarde Jahre dauern, wenn die Verlustrate konstant bliebe.

In Wirklichkeit dauerte die Atmosphäre viel länger und wird noch eine ganze Weile anhalten, weil sie im Laufe der Zeit tatsächlich wieder aufgefüllt wird. Der stabilste Teil unserer Atmosphäre ist der Stickstoff, weil er nicht leicht verloren geht (er hat viel Masse und das Molekül ist sehr stabil); Der größte Verlust entsteht durch Wasserstoff, der ständig hauptsächlich aus Wasserdampf nachgefüllt wird. Erosion und vulkanische Aktivität setzen riesige Mengen an Kohlendioxid frei, das durch photosynthetisches Leben verarbeitet wird, um Sauerstoff zu produzieren, und größtenteils eingefangen und für eine weitere Runde als verschiedene Kalksteine ​​und Silikate zurückgeführt wird.

Im Moment ist der atmosphärische Verlust ziemlich nah an einem Gleichgewicht – die Menge der neu geschaffenen Atmosphäre ist ziemlich nah am atmosphärischen Verlust. Das Gleichgewicht ist ziemlich stabil - Sie erhalten keine positive Rückkopplungsschleife, bei der mehr atmosphärischer Verlust zu noch mehr atmosphärischem Verlust führt, es ist eigentlich das Gegenteil.

Schließlich gibt es kein Saugen. Sie können kein Luftvolumen anziehen - was tatsächlich passiert, ist, dass die Umgebungsluft einen höheren Druck hat, also bewegt sie sich in das Niederdruckvolumen. Es gibt keine wirkliche Kraft, nur Statistiken - für ein Volumen sich zufällig bewegender Teilchen ("ideales Gas") ist es wahrscheinlicher, dass sich ein Molekül vom Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich bewegt als umgekehrt. Das gleicht mit der Zeit den Druck in den beiden Volumina ungefähr aus – das ist der Punkt, an dem der Wechsel von A nach B genauso wahrscheinlich ist wie der Wechsel von B nach A.

Aber selbst dann sieht man, dass sich die Luft einfach ausbreiten würde, um das ganze Universum gleichmäßig zu füllen, ohne dass ein Saugen erforderlich wäre. Hier kommt die Schwerkraft ins Spiel – die Bewegung einzelner Luftmoleküle ist nicht mehr ganz zufällig, da sie zum Zentrum des Planeten gezogen werden. Wenn ein Luftmolekül auf einer Flugbahn weg von der Erde landet, wird es umgedreht, bis es zurück zur Erde zeigt (genauso wie ein Ball auf die Erde zurückkommt, wenn man ihn hochwirft). Und hier kommt die Fluchtgeschwindigkeit ins Spiel – das ist die Geschwindigkeit, bei der die Anziehungskraft der Erde nicht stark genug ist, um das Objekt umzudrehen. Das Molekül wird immer noch kontinuierlich zurück zur Erde beschleunigt, aber die Schwerkraft (und damit die Beschleunigung) fällt schneller ab als die Geschwindigkeit des Moleküls - das Molekül ist der Schwerkraft gut "entkommen".

Versuchen Sie, das Wort „saugen“ hier nicht zu verwenden, da es keinen Sinn ergibt. Luft bewegt sich immer von einem Bereich mit hohem Druck zu einem Bereich mit niedrigem Druck. Genau wie alles andere in der Natur; es versucht, sich auszugleichen.

Die Leute sagten, außerhalb der Erde sei ein Vakuum

Nun, sie liegen alle falsch, es gibt kein perfektes Vakuum. Vielleicht ist das ein bisschen pedantisch, aber ich denke, es ist am besten zu sagen, dass der Druck außerhalb der Erde sehr , sehr niedrig ist (oder "fast ein Vakuum").

Aber die Luft wird nicht von der Erdoberfläche abgesaugt.

Ja, aber nur ganz wenige , sich sehr schnell bewegende Moleküle sind in der Lage, die von der Erde auf sie einwirkende Schwerkraft zu überwinden und in den Weltraum zu entkommen. Forscher haben entdeckt, dass Sauerstoff (sehr) langsam aus der Erdatmosphäre abfließt.

Hier sind einige nützliche Bilder aus dem von mir bereitgestellten Link:

Einige sagten, es liege an der Schwerkraft und andere sagten, die Geschwindigkeit der Luftmoleküle sei nicht hoch genug, um zu entkommen.

Diejenigen, die sagten, es liege an der Schwerkraft, haben Recht. Die anderen sind aus Gründen falsch, die ich oben erwähnt habe.

BEARBEITEN:

Kommentare unter dieser Antwort haben einen guten Punkt darin identifiziert, dass im letzten Zitat beide Argumente gleich sind. Nun erkenne ich an, dass diese Aussagen sehr ähnlich sind und als dasselbe interpretiert werden könnten. Aber ich stehe immer noch zu dem, was ich ursprünglich geschrieben habe.

Wenn der zweite Teil des Zitats gesagt hätte: "Die Geschwindigkeit aller Luftmoleküle ist nicht hoch genug, um zu entkommen". Dann würde ich den Kommentaren zustimmen und meine Antwort revidieren.

Die Atmosphäre diffundiert sanft in den Weltraum, es gibt keine strenge Grenze. Das Beispiel, das Sie mit einem Staubsauger gegeben haben, ist nicht dasselbe wie ein Staubsauger im Weltraum. Betrachten Sie die Erde und ihre Atmosphäre als System$S$. Der Staubsauger saugt keine Luft aus$S$sondern verteilt sie lediglich neu. Das Gravitationsfeld der Erde bindet die Moleküle in einem bestimmten mittleren Abstand von ihrer Oberfläche. Um Partikel von dieser Oberfläche zu entfernen, muss Arbeit geleistet werden, um den Molekülen genügend kinetische Energie zuzuführen, um der Anziehungskraft der Erde zu entkommen. Bloßes Vakuum ist keine Energiequelle. Andererseits trifft kosmische Strahlung auf die äußeren Schichten unserer Atmosphäre und lässt einige gasförmige Ionen oft weiter als bis zur geschätzten atmosphärischen Höhe diffundieren.

Es gibt noch einen weiteren Aspekt in dieser Berechnung, den ich noch nicht gesehen habe, also werde ich ihn hier posten: die Wiedergewinnung interstellarer Materie durch die Wirkung der Erde, die durch den Weltraum fegt und dabei Material sammelt. Eine Zahl für die Dichte interstellarer Materie ist 1 Atom (Wasserstoff) pro cm^3. Multiplizieren Sie dies mit der Umlaufgeschwindigkeit der Erde (30 km / s) und der Querschnittsfläche des Planeten. Ich erhalte eine Masse von sehr nahe an denselben 3 kg / s, die Luann in seiner sehr gründlichen Antwort als Menge anführte von atmosphärischen Gasen, die normalerweise durch einfache Diffusion in das Vakuum entweichen. So viel von dem, was wir verlieren, kann wiederhergestellt werden, indem wir es einfach aus dem "leeren" Raum zurückfegen.

Staubsauger

Genau genommen saugen Staubsauger nicht, sie blasen. Mit anderen Worten drückt der Lüfter Luft stromabwärts durch das Gerät und schließlich aus dem Gerät heraus. Die verdrängte Luft führt zu einem Bereich mit niedrigerem Druck stromaufwärts des Lüfters (niedriger als der Umgebungsdruck). Dadurch entsteht ein Kräfteungleichgewicht in der Luft vor dem Ventilator; Dieses Ungleichgewicht bewirkt, dass die Luft durch den Einlass in die Maschine strömt. Für das, was es wert ist, ist der Niederdruckbereich in einem funktionierenden Staubsauger weit entfernt von dem, was vernünftigerweise als Vakuum bezeichnet werden könnte (vielleicht ein oder zwei PSI unter der Umgebung).

Flucht von der Erde

Damit irgendetwas die Erde verlassen und nie wieder zurückkehren kann, sei es ein Raumschiff, ein Staubpartikel oder ein Molekül, muss es sich mit oder über der Fluchtgeschwindigkeit bewegen – etwa 11 km/s an der Erdoberfläche, nur ein kleines bisschen weniger an der Karman-Linie (die Höhe, die als Rand des Weltraums gilt). Wenn es langsamer wird, folgt das Objekt einer Umlaufbahn um die Erde herum oder zurück zur Erde.

Gas

Gas ist eine Ansammlung von Molekülen, die sich im Raum bewegen und mit Objekten oder anderen Molekülen kollidieren. Einzelne Moleküle in einer Gasprobe haben gemäß einer statistischen Verteilung unterschiedliche Geschwindigkeiten; die durchschnittliche Geschwindigkeit (eigentlich kinetische Energie) wird durch den Parameter beschrieben, den wir Temperatur nennen.

Es passiert die ganze Zeit

Es ist möglich, dass ein Gasmolekül, sagen wir durch eine Kollision, Fluchtgeschwindigkeit erhält, und wenn dieses Molekül hoch genug in der Atmosphäre ist, um nicht auf etwas anderes zu stoßen, die Erde dauerhaft verlassen kann. Es passiert die ganze Zeit, nur nicht mit einer ausreichend hohen Rate, um signifikant zu sein. Es sei denn, die Moleküle sind sehr leicht wie Wasserstoff oder Helium. Weil sie leicht sind, können sie unter Bedingungen, unter denen andere Moleküle wie Stickstoff und Sauerstoff dies nicht können, leichter auf Fluchtgeschwindigkeit beschleunigt werden.

Es besteht ein Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft und der Fluchtgeschwindigkeit. Wenn die Fluchtgeschwindigkeit sehr hoch ist, kann die Schwerkraft das Partikel nicht halten und wir werden dieses Partikel verlieren. Die Gravitation hängt von der Masse des Planeten ab, aber die Fluchtgeschwindigkeit hängt von der Temperatur ab. Wenn es auf der Venus Gas gibt (früher?), ist die Temperatur so hoch, dass das Gas eine hohe Austrittsgeschwindigkeit hat und so lange Gas verliert, bis kein Gas mehr vorhanden ist. Für Planeten, die weit von der Sonne entfernt sind (Mars?), kann die Schwerkraft den Kampf gewinnen, dass die Luft sehr nahe an der Erdoberfläche sein kann. Wenn es lebende Tiere gäbe, sollten sie auf dem Boden kriechen, weil die Temperatur nicht ausreicht, um die Luft höher zu bewegen.

Sie vermissen die Schwerkraft. Es hält das gesamte atmosphärische Ensemble an die Erde gebunden, da es auf jedes Molekül einwirkt. Es ist interessant festzustellen, dass oberhalb der Höhe, in der Moleküle nicht in Abständen interagieren, die größer sind als die sogenannte "atmosphärische Skalenhöhe" , eine theoretische Schätzung der aus der Atmosphäre entweichenden neutralen Teilchen existiert, indem der Anteil einer bestimmten Spezies berechnet wird mit Geschwindigkeiten größer als Fluchtgeschwindigkeit. Diese Distribution ist als "Jeans Escape" bekannt .

Es wird angenommen, dass einige Gesteinskörper aus unserem Sonnensystem den größten Teil ihrer Atmosphäre aufgrund des Austritts der Atmosphäre verloren haben, wie beim Mars, der eine mildere Anziehungskraft hat. Nichtsdestotrotz hängt die Theorie darüber stark von Wechselwirkungen mit der inneren Struktur des Planeten ab und ist nicht so einfach.

Es tut. Der Sonnenwind, der aus geladenen energetischen Teilchen besteht, stößt auf Sauerstoff-/Stickstoffmoleküle und beschleunigt sie in einigen Fällen auf Fluchtgeschwindigkeit. Glücklicherweise lenkt das Magnetfeld der Erde die meisten dieser geladenen Teilchen aus dem dicken Teil unserer Atmosphäre ab. Ohne Sonnenwind haben Stickstoff und Sauerstoff bei normalen Temperaturen nicht genügend Energie, um die Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen. Wasserstoff und Helium entweichen jedoch schnell und einfach aus unserer Atmosphäre. Als Nebenprodukt der Radioaktivität gelangt ständig neues Helium in die Atmosphäre (Alphastrahlung aus Radioaktivität ist ein Heliumkern, der nur ein leicht verfügbares Elektron aufnehmen muss, um Heliumgas zu bilden).