TL;DR

Sie sollten in der Lage sein, diese Art von Helium-dominierter Atmosphäre auf natürliche Weise zu bilden, indem Sie den Planeten der angemessenen UV-Strahlung seines Sterns aussetzen. Indem Sie die orbitalen und physikalischen Parameter optimieren, sollten Sie in der Lage sein, den Planeten von seinem Wasserstoff zu befreien, während Sie den größten Teil seines Heliums behalten. Ein Planet mit einer kalten, dichten Atmosphäre könnte die optimale Lösung sein.

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Gliese 436 b ist, wie Sie bereits erwähnt haben, eine interessante Fallstudie und möglicherweise das beste Beispiel für eine von Helium dominierte Atmosphäre, wie Sie sie suchen. Es wiegt etwa 21 Erdmassen, und die überwiegende Mehrheit davon ist wahrscheinlich fest, mit einem Verhältnis von Atmosphäre zu Planet von$M_{\text{atm}}/M_p\sim10^{-3}.$Dies ist weit außerhalb Ihres gewünschten Bereichs, aber es lohnt sich trotzdem, es sich anzusehen.

Huet al. 2015 argumentieren, dass Gliese 436 b, ein Exoplanet in Neptungröße, mit einer Hülle begann, die von Wasserstoff und Helium dominiert wurde, wie es für Planeten dieses Massenbereichs erwartet wird. Er umkreist einen Roten Zwerg und erhält daher eine gesunde Dosis extremer ultravioletter (EUV) Strahlung sowie Röntgenstrahlen (obwohl diese für unsere Zwecke relativ unwichtig sind). Dieses EUV-Licht regt Atome und Moleküle in der Atmosphäre an und erhöht ihre kinetische Energie, bis einige thermische Geschwindigkeiten haben, die größer sind als die Austrittsgeschwindigkeit. Diese bewegen sich dann in einem Prozess, der als hydrodynamisches Entweichen bezeichnet wird, aus der Atmosphäre heraus. Wasserstoff ist leichter als Helium und wird daher viel leichter abgebaut. Huet al. berechneten, dass durch diesen Prozess Gliese 436 b seine Wasserstoff- und Heliumatmosphäre in einer Zeitskala von etwa 10 Milliarden Jahren in eine heliumdominierte Atmosphäre umgewandelt haben könnte.

Leider ist es unwahrscheinlich, dass massearme Planeten solch hohe Helium/Wasserstoff-Verhältnisse aufrechterhalten! Abbildung 4 der Veröffentlichung zeigt ein Diagramm dessen, was Hu et al. Nennen Sie den Fraktionierungsfaktor ,$x_2$.$x_2$kann von 0 bis 1 reichen; ein Wert von$x_2=0$bedeutet, dass die Atmosphäre vollständig von Helium dominiert wird, während ein Wert von$x_2=1$bedeutet, dass die beiden Gase gut gemischt sind. Wir können sehen, dass Planeten mit geringer Masse große Schwierigkeiten haben, niedrige Fraktionierungsfaktoren zu erreichen; sogar bei$M_p=1M_{\oplus}$, das Beste, was wir tun können, ist$x_2\approx0.6$:

Für einen Planeten mit noch geringerer Masse, denke ich$x_2\approx0.8$ist leider vernünftig.

Mal sehen, ob wir die Dinge ein wenig optimieren können. Die energiebegrenzte$^{\dagger}$Fluchtrate ist

$$\Phi_{\text{EL}}=\frac{L_{\text{EUV}}\eta a^2R_p^3}{4Kd^2GM_p}$$ Wo$R_p$Und$M_p$sind der Radius und die Masse des Planeten,$L_{\text{EUV}}$ist die EUV-Leuchtkraft des Sterns und$d$ist die große Halbachse des Planeten. Wir sehen das für unseren Planeten,$M_p=0.11M_{\oplus}$- ziemlich niedrig. Dies sollte bedeuten, dass der Planet leicht sowohl Wasserstoff als auch Helium verlieren wird. Wir können dies abmildern, indem wir beispielsweise die EUV-Leuchtkraft verringern (vielleicht indem wir den Stern zu einem K- oder G-Stern machen) oder die große Halbachse erhöhen, was zu einer niedrigeren führt$\Phi_{\text{EL}}$.

Wir wollen diese niedriger$\Phi_{\text{EL}}$denn dann ist der Heliumverlust energiebegrenzt, aber der Wasserstoffverlust ist diffusionsbegrenzt und hängt daher von einer anderen Gruppe atmosphärischer Physik ab. Wir können dann möglicherweise das Entweichen des Wasserstoffs finden und einstellen. Das Papier gibt an, dass der skalierte Heliumfluss um die Menge größer sein wird als der skalierte Wasserstofffluss

$$\phi_{\text{DL}}=\frac{GM_p(m_{\text{He}}-m_{\text{H}})b'}{R_p^2kT}$$ mit$T$Temperatur und$b'$der binäre Diffusionskoeffizient. Wir sehen, dass wir im Vergleich zu Wasserstoff noch mehr Helium zurückhalten können, wenn wir 1) die anfängliche Heliummasse irgendwie erhöhen oder 2) die Temperatur verringern, wie$\phi_{\text{DL}}\propto T^{-1}$. Das sollte Sinn machen; Eine kältere Atmosphäre erschwert das Entweichen von Gasen.

Andererseits bedeutet eine kalte Atmosphäre dank des idealen Gasgesetzes, dass wir wahrscheinlich niedrigere Drücke sehen würden, es sei denn, wir würden die atmosphärische Dichte drastisch erhöhen. Wir könnten versuchen, uns eine kalte, aber extrem dichte Atmosphäre zu schaffen, wobei die hohe Dichte vielleicht durch eine hohe Oberflächengravitation und eine Methode zum Nachfüllen von Helium aufrechterhalten wird. Ein massiver Felskern würde sicherlich helfen.

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$^{\dagger}$ Energiebegrenzt bedeutet, dass die Fluchtrate durch den EUV-Fluss vom Stern begrenzt ist; Diffusionsbegrenzt bedeutet, dass das Flussmittel$\Phi_{\text{EL}}$ist so gering, dass die Diffusion plötzlich zum limitierenden Faktor wird.

Ich glaube, Sie vermischen hier zwei Aspekte: die Bildung der Atmosphäre und ihre Anreicherung mit Sauerstoff.

Um freien Sauerstoff zu haben, muss ein Prozess ihn kontinuierlich produzieren, sonst wird er durch die Reaktion mit anderen Spezies aufgebraucht. Und da Sie Wasserstoff haben, brauchen Sie nicht viel, um viel Wasser zu haben. Auf der Erde heißt dieser Prozess Photosynthese und wird von Pflanzen und Algen durchgeführt. Davor wird angenommen, dass unsere Atmosphäre nicht so oxidierend war.

Auch hier kann man einen ähnlichen Weg gehen: Dieser Planet, zunächst mit einer reduzierenden Atmosphäre (Edelgase, Wasserstoff, Methan und Wasser), entwickelte Leben, das schließlich die Atmosphäre mit Sauerstoff anreicherte.

Hier ist eine weitere Alternative: Der feste Kern des Planeten enthält viele Reservoirs mit gefrorenem/kondensiertem Wasserstoff, Helium, Stickstoff usw. Vielleicht hatte der Planet anfangs keine Atmosphäre und war bis zu einer Änderung seiner Umlaufbahn nur eine Kugel aus gefrorenem Gestein (wie Sie erwähnt haben). oder eine Veränderung in der Größe seines Sterns bewirkte, dass er aufgeheizt wurde. An diesem Punkt beginnen gefrorene und kondensierte Substanzen an seiner Oberfläche zu schmelzen und zu verdampfen, wodurch eine Atmosphäre entsteht (die gleichzeitig allmählich in den Weltraum diffundiert).

Sie müssten nur sicherstellen, dass der Planet genug Wärme erhält, damit diese Reservoirs schneller verdunsten können, als die Atmosphäre vom Planeten entweichen kann.

Gute Nachrichten: Die Verdampfungswärme von Helium ist$21.125$Joule/Gramm, was sehr niedrig ist (vergleichen Sie dies mit Wasser$2257$Joule/Gramm). Das heißt, es sollte ziemlich schnell schmelzen und verdampfen können und möglicherweise sogar das Verschwinden der Atmosphäre übertreffen.

Schlechte Nachrichten: Dies ist immer noch nicht das, was man als „geologisch stabil“ bezeichnen würde. Irgendwann werden die Stauseen leer sein und die Atmosphäre wird verschwinden. Schlimmer noch, wenn sich die Reservoirs leeren, nimmt die Masse des Planeten ab, wodurch die Schwerkraft abnimmt und die Atmosphäre noch schneller verschwindet. Es sollte jedoch viel länger dauern (und glaubwürdiger sein) als ein Planet mit nichts als einer bereits bestehenden Atmosphäre.

Lassen Sie uns in die Physik eintauchen und sehen, wo uns das hinführt. Von vornherein bestätige ich, dass ich keinen Versuch unternehmen werde, eine Zutat besser einzuschätzen als$\pm 10\%$und das Ergebnis kann deswegen um einen kleinen Faktor abweichen. Ich verwende den tiefgestellten Index "Coel", um auf den Planeten zu verweisen, den Sie beschreiben.

Sie geben nicht den Radius Ihres Planeten oder seine Dichte an, aber Sie sagen uns die Masse und die Erdbeschleunigung aufgrund der Schwerkraft an der Oberfläche. Das Gravitationspotential einer Punktmasse (oder einer Ansammlung konzentrischer kugelförmiger Masseschalen),$m$, auf Distanz$r$aus dem Zentrum (und außerhalb der Masse) ist

$$V(r) = \frac{-m G}{r} \text{,}$$ Wo$G$ist die Gravitationskonstante ($6.674 {\dots} \times 10^{-11} \frac{\mathrm{m}^3}{\mathrm{kg}\,\mathrm{s}^2}$) und die Größe der Beschleunigung ist die Größe des Gradienten des Potentials, $$|a| = \frac{m G}{r^2} \text{.}$$

Sie geben$|a_{\text{Coel}}| = 0.48 |a_{\text{Earth}}|$, also mit$r$die Entfernung vom Zentrum deines Planeten zu seiner Oberfläche,

$$\frac{m_{\text{Coel}} G}{r^2} = 4.713{\dots} \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2} \text{.}$$ Auflösen für$r$, stellen wir fest, dass der Radius eures Planeten ist$r_{\text{Coel}} = 3.049{\dots} \times 10^{3} \,\mathrm{km}$. (Und als Plausibilitätsprüfung macht dies die durchschnittliche Dichte Ihres Planeten und der Erde bis auf ein paar Promille gleich.)

Fluchtgeschwindigkeit von der Oberfläche eures Planeten ist

$$\begin{align*} v_{\text{escape}} &= \sqrt{ \frac{2 m_{\text{Coel}} G}{r_{\text{Coel}} }} \\ &= 3.79{\dots} \,\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}} \text{,} \end{align*}$$ worauf rundet$3.8$Kilometer pro Sekunde.

Überprüfen Sie die Wikipedia- Tabelle auf atmosphärische Flucht , at$300 \,\mathrm{K}$(ungefähr bei Raumtemperatur) wird Xenon nicht von Ihrem Planeten strömen, aber Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff, Wasser (Dampf), Ammoniak, Methan, Helium und Wasserstoff werden alle entweichen (in grober Reihenfolge zunehmender Geschwindigkeit). Aus dem Diagramm geht hervor, dass zum Zurückhalten von Helium eine Temperatur unter ungefähr erforderlich ist$150 \,\mathrm{K}$, was ein bisschen kälter ist, als ich atmen möchte.

Eine der Quellen für dieses Diagramm schreibt

Es ist auch wichtig zu bedenken, dass der größte Teil eines Gases entweicht, selbst wenn nur ein kleiner Teil (z. B. 5 %) eine Geschwindigkeit hat, die höher ist als die Austrittsgeschwindigkeit – dies setzt voraus, dass es keine neuen Quellen des Gases aus dem Inneren gibt Planeten und dass Sie sich für Zeiten interessieren, lange nachdem der Planet entstanden ist.

[Nachdem ich eine Reihe von Modellen erstellt habe, ist klar, dass es sehr schwierig ist, eine stabile Atmosphäre mit diesem hohen Druck und der geringen Schwerkraft zu haben. Es ist viel zu einfach für die (fest) komprimierte Quelle der Atmosphäre, große Teile der Atmosphäre in der Zeit abzuwerfen, die die Kompressionswelle benötigt, um sich zum Planeten auszubreiten, von der Oberfläche zu reflektieren und zu den äußeren Schichten zurückzukehren und sie anzuheben Geschwindigkeiten größer als Fluchtgeschwindigkeit. Eine stabile Gassäule zu haben, die 50-mal schwerer ist als die auf der Erde, mit der Hälfte der Oberflächengravitation bei einigermaßen nah an erträglichen Temperaturen, ist … schwer .]

Ein Zauberer hat es getan

Clarkes drittes Gesetz: Jede ausreichend fortgeschrittene Technologie ist von Magie nicht zu unterscheiden.

Es könnte sein, dass eine sehr fortgeschrittene Zivilisation den Planeten auf diese Weise terraformiert hat, vielleicht weil sie ursprünglich von einem Ort mit einer sehr dichten Atmosphäre stammen. Die geringe Schwerkraft könnte daran liegen, dass der Ort ein Spa, ein Altersheim oder ein Kindergarten war (weniger Schwerkraft bedeutet weniger Belastung für das Herz/die Herzen, weniger Schaden durch Umstoßen von Gegenständen und Menschen), oder vielleicht, weil eine zu starke Änderung der Schwerkraft teurer ist als nur die Atmosphäre verändern. Dies gibt Ihnen den Planeten, den Sie wollen, während Ihr Occam-Rasiermesser scharf bleibt.

Diese Zivilisation ist dann möglicherweise verschwunden (sie starb aus, zog an einen anderen Ort oder versteckte sich in einem Eisberg, als die Feuernation angriff).

Ich glaube, dass bestimmte Käfer unter Wasser atmen können, indem sie die Oberflächenspannung nutzen, um eine Sauerstoffblase um sie herum zu wickeln. Die Blase tauscht dann Kohlenmonoxid und Sauerstoff mit dem umgebenden Wasser aus, um ihnen eine praktisch unbegrenzte Atmungsfähigkeit zu geben (ich gebe nicht vor, dies gut zu verstehen, siehe https://phys.org/news/2008-07-insects-oxygen-underwater .html für mehr).

Ihre Atmosphäre könnte etwas Ähnliches tun, vielleicht würde eine bestimmte Kombination der Elemente an einem Menschen "haften" (vielleicht aufgrund einer statischen Aufladung? Ich bin mir nicht sicher, ob die Oberflächenspannung in dieser Größenordnung anwendbar ist) und einige Zentimeter Atmung verursachen Zone um sie herum, die sich ständig erneuert?