Warum gibt es noch Gas in der Atmosphäre?

Es gibt zwei Hauptgruppen von Prozessen, die zum Austritt aus der Atmosphäre führen: thermische und nicht-thermische Prozesse.

Zur ersten Gruppe gehört die Jeans-Flucht, bei der es Partikeln mit hohen thermischen Energien (und damit hohen kinetischen Energien) gelingt, in der oberen Atmosphäre Geschwindigkeiten zu erreichen, die größer sind als die Fluchtgeschwindigkeit. Die Gleichung für den Jeans-Fluss für Masseteilchen$m$Ist

$$\phi_J(m)\propto n_c\sqrt{\frac{2kT}{m}}\left(1+\frac{GMm}{kTr}\right)\exp\left(-\frac{GMm}{kTr}\right)$$ bis in eine Größenordnung oder so. Dies zeigt, dass das Flussmittel Moleküle mit geringerer Masse, einschließlich Wasserstoff und Helium (möglicherweise in molekularer Form), stark bevorzugt.

Zu den nichtthermischen Prozessen gehören Kollisionen und Wechselwirkungen mit geladenen Teilchen, möglicherweise vom Sonnenwind. Auch hier werden Teilchen mit geringerer Masse bevorzugt, um an diesen Wechselwirkungen teilzunehmen. Dies kann durch das Vorhandensein einer Magnetosphäre gemildert werden, die Partikel abschirmen kann. Einschlagerosion ist eine weitere Möglichkeit und könnte früh im Sonnensystem wichtig gewesen sein, als es häufig zu großen Einschlägen kam.

All dies bedeutet, dass die Erde und die anderen terrestrischen Planeten jetzt tatsächlich einen Teil ihrer Atmosphäre verloren haben sollten. . . sondern hauptsächlich die Wasserstoff- und Heliumkomponenten der ursprünglichen Hülle.

Ist der Prozess so langsam, dass die Auswirkungen vernachlässigbar sind?

Für massivere Moleküle, ja. Die Proportionalitätskonstante für Jeansfluss ist$\frac{B}{2\sqrt{\pi}}$für etwas Effizienz$B$, was wir annehmen können$1$, für ein Worst-Case-Szenario. Wir gehen auch von einer mittleren Temperatur von aus$\sim1000\text{ K}$. Wir finden daher

$$\sqrt{\frac{2kT}{m}}\sim770\text{ m/s},\quad\text{N}_2$$ $$\sqrt{\frac{2kT}{m}}\sim720\text{ m/s},\quad\text{O}_2$$ Platzieren Sie den unteren Rand der Exosphäre bei etwa$500$Kilometer über der Erdoberfläche ($r=R_e+500,000\text{ m}$) bedeutet, dass $$\frac{GMm}{kTr}\sim196,\quad\text{N}_2$$ $$\frac{GMm}{kTr}\sim225,\quad\text{O}_2$$ Durch Einsetzen erhalten wir $$\phi_J\sim3.23\times10^{-81}\times n_{\text{N}_2}\text{ m}^{-2}\text{ s}^{-1},\quad\text{ N}_2$$ $$\phi_J\sim8.82\times10^{-94}\times n_{\text{O}_2}\text{ m}^{-2}\text{ s}^{-1},\quad\text{ O}_2$$ Auch multipliziert mit der Fläche einer Kugel mit Radius$r$, das ist um viele Größenordnungen zu niedrig. Jeansflucht ist überhaupt nicht wichtig.

Bei schwereren Molekülen sind Dissoziation und nicht-thermisches Entweichen eine wichtigere Ursache für den Verlust der Atmosphäre. Es scheint, als ob der Konsens für den Sauerstoffverlust darin besteht$\sim10^{24}$Moleküle von$\text{O}+$gehen jede Sekunde von der Erde verloren, am meisten in den Polarregionen, obwohl ein Teil des Sauerstoffs wieder in die Erdatmosphäre zurückkehrt (es gibt einen Nettoabfluss). Das mag viel erscheinen, und das ist es im Vergleich zu den Ergebnissen von Jeans Escape, aber es stellt sich heraus, dass dies ungefähr die Menge an Molekülen in einem Kubikmeter Luft ist.

Die Hauptquelle dieses atomaren Sauerstoffs ist die dissoziative Rekombination:

$$\text{O}_2^++e^-\to\text{O}+\text{O}+\text{energy}$$ die "heißen" Sauerstoff erzeugen können. Mir sind derzeit keine ähnlichen Prozesse bekannt$\text{N}_2$die auf der Erde mit einer signifikanten Rate auftreten, obwohl die gleiche Reaktion für Stickstoff anscheinend auf dem Mars stattfindet.

Verweise

• Gaidos & Yung (2003)
• Melosh & Vickery (1989)
• Sekiet al. (2001)
• Shizgal & Arkos (1996)

Die leichteren Gase in der Atmosphäre (Wasserstoff, Helium) entweichen und sind weit weniger häufig als im Universum im Allgemeinen. Um der Schwerkraft zu entkommen, muss ein Objekt eine Geschwindigkeit von 11 km/s erreichen. Die in der Atmosphäre verbleibenden schwereren Moleküle ($O_2, N_2, H_2O, CO_2$) haben aufgrund der durchschnittlichen Lufttemperatur nur eine sehr geringe Chance, zufällig Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen. (Siehe typische Geschwindigkeiten verschiedener Atome in der Maxwell-Botzmann-Verteilung bei 298K.)

Weitere Faktoren sind das Magnetfeld der Erde, das die Atmosphäre vor dem kosmischen Wind abschirmt, und die stabilisierende Wirkung des Lebens auf der Erdoberfläche, die mit der Atmosphäre wechselwirkt. Es gibt auch eine kontinuierliche Zufuhr von Gasen aus vulkanischer Aktivität und Radioaktivität in Gesteinen im Inneren der Erde. All diese Effekte haben ein dynamisches Gleichgewicht erreicht, das sich über Jahrtausende kaum verändert.