Helium in Atmosphären terrestrischer Planeten?

Haben Sie seriöse Schätzungen darüber, wie viel Helium in den letzten 4 Milliarden Jahren ausgegast wurde?

Seriöse Schätzungen - nein. Vielleicht schlechte Vermutungen.

Kurze Antwort: nur Spurenmengen. Es ist unmöglich, genug seltenes radioaktives Material zu haben, um eine echte Heliumatmosphäre zu erzeugen. Selbst wenn der Planet sein gesamtes Helium aus radioaktivem Zerfall behält, sollte es in Teilen pro Million messbar sein, keine echte Atmosphäre.

Lange Antwort unten:

Die Anzahl der Alphateilchen, die ein radioaktives Element erzeugt, ist ziemlich einfach, subtrahieren Sie einfach die Baryonen im Endzustand vom Anfangszustand. Der Beta-Zerfall ändert die Art des Hadrons, aber nicht die Anzahl, also von Uran 238 zu Blei 206 - Verlust von 32 Baryonen, und alle durch Alpha-Zerfall - Alpha-Teilchen werden zu Heliumatomen, also zerfällt jedes U-238 in 8 Helium .

Thorium 232 in Blei 208 - 6 Helium.

Uran 235 in Blei 207 - 7 Helium.

Kalium 40 , das andere übliche radioaktive Element, unterliegt nur einem Beta-Zerfall in CA40 (89,3 %) und AR40 (10,7 %), daher ist es für die Heliumberechnung irrelevant. Es gibt kleinere Mengen anderer Elemente, die Alpha-Partikel emittieren, wie PT-190 , aber sie sind selten genug, um ignoriert zu werden. Die größere Unbekannte ist, wie viele Elemente mit kürzerer Halbwertszeit häufig waren, als die Erde jung war, aber nicht mehr vorhanden sind. Ich habe keine Ahnung, wie ich das berechnen soll, also wird das ein bisschen unbekannt sein. Ein möglicher Ansatz wäre zu sagen, dass der sich bildende Planet heiß genug wäre, um viel von seinem Helium zu verlieren, aber das ist ein bisschen ein Betrug. Ich denke, dass Vorhersagen zu Beginn aufgrund unbekannter Mengen von Elementen mit kürzerer Halbwertszeit grob sind.

U-238 ist am einfachsten mit einer Halbwertszeit zu berechnen, die ungefähr dem Alter der Erde entspricht, also hat etwa die Hälfte des U-238 der Erde seine Zerfallsänderung abgeschlossen und 8 Helium pro U-238 produziert.

Thorium-232 mit einer Halbwertszeit von etwa 14 Milliarden Jahren, also sind im Laufe des Erdalters nur etwa 20 % des ursprünglichen Thorium-232 zerfallen.

und U-235 mit einer Halbwertszeit von etwa 700 Millionen Jahren bedeutet, dass fast 99 % davon im Laufe des Erdalters zerfallen sind. Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, dass etwa 0,72 % des Urans U-235 sind

Ich habe das oben angesprochen, aber die große Unbekannte für dieses Szenario liegt im Bereich der Halbwertszeit von 100 Millionen Jahren. Das heißt, Elemente, die langlebig genug sind, um die Entstehung der Erde zu überleben, aber heute nicht in hohen Konzentrationen verbleiben würden. Das ist in diesem Bereich , unten in den 10^12 Sekunden, oben in den 10^15 Sekunden.

Curium-247 hat eine Halbwertszeit von etwa 15 Millionen Jahren und zerfällt in Blei-207, wobei 10 Alpha-Partikel freigesetzt werden. Wenn die Planetenbildung relativ schnell erfolgt, könnte dies einen Planeten mit etwas Helium versorgen, aber ich werde es ignorieren, da es eine etwas zu kurze Halbwertszeit hat.

Uran-236 hat eine Halbwertszeit von etwa 23 Millionen Jahren und zerfällt zu Thorium, wobei nur 1 Alpha-Teilchen emittiert wird. Vermutlich würde ein Großteil davon zum Zeitpunkt der Planetenbildung zu Thorium werden, also werde ich es auch ignorieren.

Plutonium-244 , meist synthetisch, aber es ist das seltenste Urelement der Erde. Aus dem Wikipedia-Artikel:

Genaue Messungen, die in den frühen 1970er Jahren begannen, haben primordiales Plutonium-244 nachgewiesen, was es nach 146Sm zum zweitkürzestlebigen primordialen Nuklid macht. Die Menge von 244 Pu im präsolaren Nebel (vor 4,57 × 109 Jahren) wurde auf 0,008 der Menge von 238 U geschätzt.

Wenn Schätzungen davon ausgehen, dass es etwas weniger als 1 % so häufig ist wie U-238, werde ich es ebenfalls ignorieren, da 1 % keinen großen Unterschied machen wird.

Schließlich ist Samarium-146 mit einer Halbwertszeit von etwa 100 Millionen Jahren (oder 68 Millionen, je nachdem, welche Quelle Sie verwenden) eine Überlegung wert. Es zerfällt in Neodym-142 und setzt ein einzelnes Alpha-Teilchen frei. Samarium 147 und 148 unterliegen ebenfalls einem Alpha-Zerfall, jedoch sehr langsam, mit einer Halbwertszeit von 100 Milliarden bzw. 7 Billiarden.

Das sind also die 4 primären Helium-„ausgasenden“ Isotope, die nach der Planetenbildung relevant sind. U-238 (8 Helium), U-235 (7), Th-232 (6) und SM-146 (1). Und wie viel, müssen Sie fragen, wie lange es den Planeten schon gibt.

SM-146 zerfällt ziemlich schnell, Halbwertszeit 100 Millionen Jahre. U-235 - 700 Millionen Jahre U-238 - 4,5 Milliarden Jahre T-232 - 14 Milliarden Jahre.

Wenn wir einen Planeten nehmen, der ungefähr so ​​alt ist wie die Erde

SM-146 – im Wesentlichen alles U-235 – 99 % U-238 – 50 % T-232 – 20 %

Der Trick ist nun, wie viel von diesen Elementen ein terrestrischer Planet wahrscheinlich bei der Entstehung haben wird.

Wenn wir nach Schätzungen von radioaktivem Zerfall und radiogener Wärme gehen, erzeugen TH-232 und U-238 zusammen 20 Billionen Watt (erster Artikel). Das sind 6 x 10^20 Joule pro Jahr oder etwa 3,75 x 10^33 mEV pro Jahr, durch radioaktiven Zerfall dieser 2 Elemente.

Die Thorium-Zerfallskette emittiert etwa 42,6 MeV pro Zerfall für 7 Alphateilchen. (etwa 7 MeV pro Helium) und die U-238-Zerfallskette , etwa 51,7 MeV für 8 Alphateilchen. (Richtwert 6,5 MeV). Das schließt jedoch Neutrinos ein, und diese Energie muss herausgerechnet werden. Ich konnte keine genauen Zahlen finden, aber etwa 10 MeV (oder 20%) gehen durch diese Website in Neutrinos (technisch Anti-Neutrinos) verloren . Also, sehr grob gesagt, sagen wir, 5 MeV Wärme erzeugen ein Alpha-Teilchen.

Die derzeitigen Zerfallsraten von Thorium und U-238 sollten etwa 7,5 x 10^32 Alpha-Partikel produzieren, was etwa 1,2-1,3 Milliarden Mol Helium oder etwa 5 Millionen KG entspricht, zwischen 5 und 6 Tonnen Helium, die in der Erdkruste produziert werden und Mantel jedes Jahr - basierend auf radioaktiven Messungen, die wahrscheinlich ziemlich genau sind.

Thorium ist derzeit etwa (ballpark) viermal so häufig wie U-238, aber weil es dreimal langsamer zerfällt, ist die Heliumproduktion und Wärmeerzeugung im Erdkern ähnlich ( dieses Diagramm deutet darauf hin , dass die Wärmeabgabe von Thorium höher ist, aber sie sind nah dran) .

Die Heliumproduktion von Thorium war ziemlich konstant, da 80 % des Thoriums bei der Entstehung des Planeten immer noch hier sind. Die Produktion von U-238 war bei der Entstehung der Erde etwa doppelt so hoch. Die Produktion von U-235 ist derzeit im Vergleich zu den anderen beiden vernachlässigbar, war aber viel höher, als die Erde jung war. ausgehend von U-235, das etwa 0,7 % des gesamten Urans ausmacht und zwischen 6 und 7 Halbwertszeiten seit der Entstehung der Erde durchlaufen hat (und dafür verantwortlich ist, dass U-238 doppelt so häufig vorkam, als die Erde entstand), das bedeutet zwischen 32 und 64 (sagen wir 50) x 0,7, also gab es etwa 30-40 % so viel U-235 wie U-238, als sich die Erde bildete.

Wieder schlechte Mathematik:

Thorium, jetzt 2,5-3 Tonnen pro Jahr, 25 % mehr als bei der Entstehung der Erde. Sagen wir durchschnittlich 3 Tonnen pro Jahr

U-238, jetzt 2,5 Tonnen pro Jahr, doppelt so viel wie bei der Entstehung der Erde. Lassen Sie uns das im Durchschnitt auf 3,5 bis 4 Tonnen pro Jahr rechnen.

Ich werde U-235 nicht mitteln, weil es zu hoch anfängt und zu schnell zerfällt, aber wenn es etwa 30-40% so viel U-235 wie U-238 gab, als sich die Erde bildete, kann ich einfach U-238 multiplizieren Zahlen um 35 % und um 7/8, was einem Durchschnitt von etwa 1 Tonne pro Jahr entspricht.

Ich mache pro Jahr / im Durchschnitt nur für schnelle schlechte Mathematik, also 3 + 3-4 + 1 = etwa 7,5 Tonnen pro Jahr x 4,5 Milliarden Jahre - schnelle Schätzung, wie viel Helium von diesen 3 Elementen produziert wurde - sehr schlechte Schätzung , 33 Milliarden Tonnen. Der größte Teil dieses Heliums wird produziert und würde im Erdinneren eingeschlossen, bis die Plattentektonik es zulässt, dass es entweicht. Die Fluchtrate liegt über meiner Gehaltsstufe.

Samarium-146 ist am schwierigsten abzuschätzen. Es ist im Wesentlichen alles in Neodym-142 zerfallen, aber sowohl Samarium (es hat mehrere stabile Isotope) als auch Neodym sind reichlich vorhanden, und diese Kette produziert ein einziges Helium. In der Summe macht es wahrscheinlich keinen großen Unterschied. Tabelle der Elementhäufigkeit in der Erdkruste .

33 Milliarden Tonnen sind atmosphärisch nichts. Selbst wenn wir uns auf 40 oder 60 oder 300 Milliarden Tonnen einstellen, ist das immer noch zu wenig, um eine Atmosphäre zu sein. Helium ist derzeit etwa 5,2 ppm in der Atmosphäre und gibt der Erdatmosphäre eine Masse von etwa 5.600 Billionen Tonnen, 5,2 % pro Molekül, bereinigt um das Massenverhältnis von Helium (4) zu Stickstoff/Sauerstoff (29), gibt es etwa 4 Milliarden Tonnen von Helium in der heutigen Erdatmosphäre. Wenn wir sagen würden, dass 400 Milliarden Tonnen Helium auf der Erde durch radioaktiven Zerfall entstanden sind (ungefähr das 10-fache meiner Schätzung), ist das immer noch eine Spurenmenge, nur das 100-fache der aktuellen Menge oder 520 PPM, was weniger ist als die Menge an Argon ( derzeit 9.300 ppm ). Argon-40, das aus dem radioaktiven Zerfall von Kalium-40 stammt(etwa 10 % der Zeit), ist häufiger, weil Kalium-40 viel häufiger vorkommt als Uran, Thorium und Samarium-146, die Alpha-Teilchen zerfallen.

Das ist eine sehr lange Antwort, die im Grunde besagt, dass es nicht genug Alpha-Teilchen emittierende Elemente gibt, die lange genug halten, um die Planetenbildung zu überleben, die mehr als eine Spur Helium produzieren.

Die Erde enthält auch etwas terrestrisches Helium, etwa 7 % des Heliums der Erde sind terrestrisch, 93 % werden durch radioaktiven Zerfall gebildet. Das meiste terrestrische Helium der Erde befindet sich in ihrem Mantel, sehr wenig in ihrer Kruste.

Einige interessante und lose verwandte Lektüre. Yellowstone ist in der Lage, mehr Helium freizusetzen , als das radioaktive Material produziert, weil seine Kruste einzigartig und sehr alt ist und Helium seit über 2 Milliarden Jahren eingeschlossen ist und erst vor kurzem damit begonnen hat, es freizusetzen.

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Zu deiner ursprünglichen Frage. So wie ich es verstehe, muss ein Planet sehr groß sein, um signifikante Mengen an Helium aufzunehmen. Nach Teilchen besteht das Universum zu etwa 92 % aus Wasserstoff und zu 8 % aus Helium (oder 75 % bis 25 % der Masse).

Jupiters äußere Atmosphäre ist etwas reicher an Helium, etwa 10 % Helium.

Die oberste Atmosphäre von Uranus besteht zu etwa 15 % aus Helium , aber nur am äußeren Rand. Uranus ist im Gegensatz zu Jupiter und Saturn nicht in erster Linie ein Wasserstoff-Helium-Planet, sondern eher ein Wasser-/Eisplanet, der manchmal auch als Eisriese bezeichnet wird.

Es scheint, dass Planeten sehr massiv sein müssen, um signifikante Mengen der häufigsten Elemente, Wasserstoff und Helium, zu erhalten, dann müssen sie, wie der Wikipedia-Artikel andeutet, heiß werden, um ihren Wasserstoff zu verlieren, also müssen Planeten mit Heliumatmosphäre wahrscheinlich ruhig sein groß, vielleicht massiver als Neptun. Für einen typischen terrestrischen Planeten könnte dies etwas schwieriger sein, es sei denn, er wäre sehr massiv und ein terrestrischer Planet, der aufgrund einer sehr dichten Atmosphäre ohnehin einem Gasriesen ähnelt.

Es fällt mir schwer, mir eine andere Möglichkeit vorzustellen, wie eine Heliumatmosphäre wahrscheinlich auftritt, es sei denn, Sie haben den Planeten unter 20 Grad K gebracht und alle anderen Gase werden zu Flüssigkeit oder Eis, aber ich vermute, das ist nicht die Antwort, nach der Sie suchen . Ein Planet muss wahrscheinlich ziemlich groß sein, um signifikante Mengen an Helium zu speichern, würde ich denken. Abgesehen von sehr seltsamen Umständen wie einem weißen Helium-Zwerg, der mit einem anderen großen Objekt in einer Sternenkinderstube kollidiert, verklumpt Heliumgas nicht wie Eis und felsiges Material, aber vielleicht könnte ein solches Szenario genug Helium in die Planetenformation bringen. (etwas verrücktes Was-wäre-wenn), und ich bin mir nicht sicher, ob ich es kaufe.

Ich habe versucht, dies zu begründen, Korrekturen sind willkommen und erwünscht. Ich werde versuchen, die Grammatik ein wenig später zu bereinigen.