Почему атмосфера не рассеивается в космосе

Почему земная атмосфера не рассеивается в окружающем пространстве?

Как и любое вещество, воздух испытывает действие земного тяготения.

Для того чтобы покинуть нашу планету, молекулы атмосферных газов должны двигаться со скоростью, достаточной для преодоления земного притяжения. Скорость молекул зависит от температуры, и подавляющее большинство молекул в земной атмосфере движутся значительно медленнее так называемой скорости убегания — минимальной скорости, необходимой для того, чтобы тело смогло покинуть сферу притяжения Земли и улететь в космическое пространство. Следовательно, Земля в состоянии удержать свою атмосферу. Однако это под силу не всем планетам и спутникам.

Сила тяготения зависит от размера и массы тела, и поэтому небольшие и маломассивные тела вроде Меркурия или Луны лишены атмосферы.

И наоборот, большие и массивные небесные тела — даже некоторые спутники, вроде спутника Сатурна Титана, — смогли удержать довольно плотную атмосферу.

Почему атмосфера Земли не испаряется в космос

Все дело в гравитации. Молекулы газа, составляющие атмосферу, имеют массу. А значит гравитация Земли притягивает эти газы вниз. Проще говоря, гравитации Земли достаточно, чтобы удержать атмосферу и не позволить ей испариться в космическое пространство. Кроме этого, защита обеспечивает мощное магнитное поле планеты, которое не дает атмосфере «выветриться» под действием солнечного ветра.

Атмосфера давит на каждый квадратный сантиметр человеческого тела с силой, почти эквивалентной 1 килограмму. Мы этого не ощущаем, ведь это давление уравновешивается внутренним давлением тела человека.

Тонкий слой атмосферы Земли / Фото NASA Goddard Space Flight Center

Однако все же планета постепенно теряет атмосферу. Это происходит вследствие процесса, который называется «планетарный ветер».

Что такое «планетарный ветер»?

Это процесс потери атмосферой газов. На Земле это происходит в верхних слоях атмосферы, где у большинства газов молекулярная масса меньше. При нагревании Солнцем, молекулы начинают двигаться быстрее. Когда скорость достигает 11,2 километра в секунду, молекулы покидают гравитационное поле Земли. В основном это водород и гелий.

Диссипация атмосфер планет

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 июня 2022 года; проверки требуют 2 правки.

Диссипа́ция атмосфер планет (Планетарный ветер) — потеря газов атмосферой планет вследствие их рассеяния в космическом пространстве. Основным механизмом потери атмосферы является термальный — тепловое движение молекул, из-за которого молекулы газов, находящиеся в сильно разреженных внешних слоях атмосферы, приобретают скорость, превышающую критическую скорость ускользания, и поэтому могут уйти за пределы поля тяготения планеты. Устойчивой считается атмосфера, средняя скорость молекул которой не превышает 0,2 критической [1] . Если порог средней тепловой скорости составляет 0,25, то атмосфера рассеивается за 50 000 лет, а при скорости 0,33 от критической — в течение нескольких недель [1] .

В результате процесса рассеивания атмосферы в космосе, формируется планетарный ветер. Диссипация атмосферы имеет большое значение для планеты, так как при потере атмосферы на поверхности изменяется климат, в том числе снижается парниковый эффект — увеличиваются суточные и сезонные колебания температуры. Марс, имея меньшую, чем Земля, силу притяжения, из-за диссипации атмосферы потерял бо́льшую часть своей атмосферы и воды. Венера — без магнитного поля, но обладающая мощной, почти земной гравитацией, — хорошо держит атмосферу, но почти вся вода была разложена ионизирующим излучением и потеряна. Земля же практически не имеет в своей атмосфере лёгкого гелия, этот газ был открыт в спектре излучения Солнца.

Термальный механизм диссипации [ править | править код ]

Средняя скорость молекул газа напрямую зависит от температуры, но скорость отдельных молекул постоянно меняется, поскольку они сталкиваются друг с другом, передавая кинетическую энергию. Распределение кинетической энергии между молекулами описывается распределением Максвелла. Зависимость кинетической энергии молекулы от скорости и массы определяется формулой: E k i n = 1 2 m v 2 >=>mv^> .

Отдельные молекулы с высокой кинетической энергией, которые попадают в правый хвост распределения Максвелла, могут иметь скорости, превышающие скорость ускользания, и на высоте, где длина свободного пробега сравнима со шкалой высот, могут покидать атмосферу.

Более массивные молекулы газа при равной температуре газа и, соответственно, равной средней кинетической энергии имеют меньшую среднюю скорость, и поэтому они имеют меньшую вероятность покинуть атмосферу.

Именно поэтому диссипация водорода из атмосферы происходит быстрее диссипации углекислого газа. Кроме того, чем больше масса планеты, тем выше скорость ускользания и меньше вероятность диссипации атмосферы. Вероятность же захвата молекул газов из межпланетного пространства, наоборот, возрастает. Вот почему такие газовые гиганты как Юпитер и Сатурн имеют огромное количество водорода и гелия в своей атмосфере, в том числе покинувших атмосферу Земли или Марса. Расстояние до звезды также имеет важное значение: чем ближе планета, тем выше температура атмосферы и выше диапазон скоростей молекул, поэтому большую вероятность диссипации из атмосферы имеют и более массивные молекулы. Отдалённые от Солнца планеты имеют холодные атмосферы, а молекулы имеют меньший диапазон скоростей и меньшую вероятность ускользания. Именно это позволяет Титану, который меньше Земли и дальше от Солнца, удерживать свою атмосферу.

Значение солнечного ветра [ править | править код ]

Роль в процессе диссипации атмосферы играют масса планеты, состав атмосферы, расстояние до Солнца и уровень солнечной активности [2] . Общее ошибочное мнение состоит в том, что главный нетермический механизм диссипации — сдувание атмосферы солнечным ветром в отсутствие магнитосферы. Солнечный ветер может передавать свою кинетическую энергию частицам атмосферы, которые могут приобретать скорость, достаточную для диссипации из атмосферы. Солнечный ветер, состоящий из ионов, отклоняется магнитосферой, так как заряженные частицы движутся вдоль магнитного поля. Таким образом, магнитосфера препятствует диссипации атмосферы планеты. Например, на Земле магнитосфера отклоняет солнечный ветер от планеты с эффективным радиусом порядка 10 радиусов Земли [3] . Область отражения называется головной ударной волной.

Однако, в зависимости от размера планеты и состава атмосферы магнитосфера может и не определять диссипацию атмосферы. Например, Венера не имеет мощной магнитосферы. Её относительная близость к Солнцу напрямую влечёт более плотный и мощный солнечный ветер, который мог бы сдуть атмосферу планеты полностью, как, например, на Меркурии, который не спасло даже наличие довольно существенного магнитного поля. Несмотря на это, атмосфера Венеры на 2 порядка плотнее атмосферы Земли [4] . Последние модели показывают, что солнечный ветер отвечает не более чем за 1/3 общей нетермической диссипации атмосферы [4] .

Поскольку Венера и Марс не имеют магнитосферы для защиты атмосферы от солнечного ветра, солнечный свет и взаимодействие солнечного ветра с атмосферой планет вызывают ионизацию верхних слоёв атмосферы. Ионизированные слои атмосферы, в свою очередь, индуцируют магнитный момент, который отражает солнечный ветер аналогично магнитосфере, ограничивая тем самым эффект солнечного ветра на верхние слои атмосферы радиусом 1,2—1,5 от радиуса планеты, то есть на порядок ближе к поверхности по сравнению с магнитосферой Земли. Проходя эту область, которая называется головной ударной волной, солнечный ветер замедляется до звуковых скоростей [3] . Около поверхности давление солнечного ветра компенсируется давлением ионосферы, которая называется областью ионопаузы. Это взаимодействие обычно мешает солнечному ветру быть основным фактором в диссипации атмосферы.

Нетермальный механизм диссипации [ править | править код ]

Основные нетермальные механизмы диссипации зависят от размера рассматриваемых планет. Основные факторы, влияющие на диссипацию в каждом случае, — это масса планеты, состав атмосферы и расстояние до Солнца. Основные нетермальные процессы диссипации для Венеры и Марса, двух планет земной группы без магнитосферы, существенно различаются. Основным процессом диссипации для Марса является захват солнечного ветра, поскольку его атмосфера недостаточно плотна для своей защиты. [4] Венера лучше защищена от солнечного ветра своей плотной атмосферой, и захват солнечного ветра не является основным нетермическим процессом диссипации атмосферы. Небольшие космические тела без магнитного поля больше страдают от солнечного ветра, поскольку не могут удерживать достаточно плотную атмосферу.

Основной нетермический процесс диссипации атмосферы Венеры — ускорение частиц атмосферы в электрическом поле. Поскольку электроны более подвижны по сравнению с другими частицами, они имеют больше шансов покинуть верхние слои ионосферы Венеры. [4] В результате может накапливаться небольшой итоговый положительный заряд, он, в свою очередь, создаёт электрическое поле, которое может ускорять другие положительные частицы и выталкивать их из атмосферы. В результате этого положительные ионы водорода покидают атмосферу планеты. Другой важный процесс диссипации атмосферы Венеры происходит в результате фотохимических реакций, обусловленных близостью к Солнцу. Фотохимические реакции приводят к разложению молекул на составляющие их радикалы с высокой кинетической энергией, сосредоточенной в менее массивной частице. Такие частицы будут иметь достаточно высокую скорость для диссипации из атмосферы планеты. Кислород, по сравнению с водородом, имеет более высокую массу для диссипации из атмосферы при помощи этого механизма.

Диссипация атмосфер планет Солнечной системы [ править | править код ]

Планета	Скорость ускользания, км/с [1] [5]
Луна	2,4
Меркурий	3,8
Марс	5,1
Венера	10,4
Земля	11,2
Сатурн	36,7
Юпитер	61,0

Диссипация атмосферы Земли [ править | править код ]

Так как в верхних слоях атмосферы Земли преобладают газы с меньшей молекулярной массой, в первую очередь из неё ускользают атомарный водород, водород и гелий. [6] Этот процесс облегчается тем, что в экзосфере Земли поддерживается высокая температура за счёт ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, постоянно генерирующих атомарный водород при диссоциации молекул воды.

Расчёты показывают, что для полного улетучивания водорода из земной атмосферы при температуре 2000 К (1726,85 °C) за счёт диссипации потребовалось бы всего несколько тысяч лет, гелия — несколько миллионов лет. [7] Но водород и гелий постоянно обновляются за счёт диссоциации воды и поступления этих газов из земных недр. В то же время кислород практически не улетучивается, и роль диссипации в создании кислородной атмосферы Земли могла быть существенной с момента появления фотосинтеза.

Земля слишком велика, чтобы потерять значительную часть своей атмосферы через диссипацию. Нынешние темпы утраты составляет около трёх килограммов водорода и 50 грамм гелия в секунду [8] . Экзосфера является высокой зоной, где плотность атмосферы крайне низка и где происходит диссипация. Расчёты диссипации при температуре в экзосфере 1800 K (1526,85 °C) [9] показывают, что для истощения ионов О + потребуется около миллиарда лет. 1800 К — это выше, чем фактическая наблюдаемая температура экзосферы; при такой температуре экзосферы истощения O + ионов не произойдёт даже через триллион лет. Кроме того, большая часть кислорода на Земле связана в молекулу O₂, которая является слишком массивной, чтобы покинуть Землю.

Магнитное поле Земли защищает её от солнечного ветра и предотвращает утечку ионов, за исключением зон вдоль открытых силовых линий у магнитных полюсов. Гравитационное притяжение массы Земли предотвращает процессы диссипации нетеплового характера. Тем не менее, атмосфера Земли на два порядка менее плотная, чем у Венеры. Температурный режим Земли способствует поглощению CO₂ и H₂O гидросферой и литосферой. Бо́льшая часть воды удерживается океанами в виде жидкости, что значительно уменьшает плотность атмосферы. А углекислый газ, связываясь поверхностными водами, может выделяться из атмосферы и переходить в осадочные породы; в них, по некоторым оценкам, содержится почти весь углерод Земли, в то время как его атмосферная доля составляет всего лишь 1/250 000 часть. Если бы вся связанная вода и весь связанный углекислый газ перешли в атмосферу, она стала бы даже плотнее атмосферы Венеры. Таким образом, основная потеря газов атмосферой Земли происходит не за счёт их улетучивания в космическое пространстве, а за счёт перехода в жидкое и твёрдое состояния.

Одним из механизмов, препятствующих диссипации, является химическая связь: так, бо́льшая часть диоксида углерода из первоначальной атмосферы Земли была химически поглощена при образовании карбонатных пород. Очень вероятно, что аналогичный процесс произошёл и на Марсе. Кислород может поглощаться при окислении горных пород, например, за счёт увеличения степени окисления железа с Fe +2 в Fe + 3 . Газы могут также быть поглощены через механизм адсорбции, например гелий на Луне адсорбируется поверхностью очень мелких частиц реголита. Замораживание в лёд воды на Земле и, предположительно, на Луне, или углекислого газа в полярных шапках Марса — пример другого механизма удержания газов на планете.

См. также [ править | править код ]

Примечания [ править | править код ]

↑ 123Флоренский, 1972, с. 314.
↑(англ.)Solar wind pulses strip Mars’ atmosphereWayback Machine, 15.03.2010, Emily Baldwin
↑ 12Shizgal B. D., Arkos G. G. Nonthermal escape of the atmospheres of Venus, Earth, and Mars (англ.) // Reviews of Geophysics : journal. — 1996. — Vol. 34 , no. 4 . — P. 483—505 . — doi:10.1029/96RG02213. — Bibcode: ↑ 1234Lammer H. et al. Loss of hydrogen and oxygen from the upper atmosphere of Venus (англ.) // Planetary and Space Science : journal. — 2006. — Vol. 54 , no. 13—14 . — P. 1445—1456 . — doi:Bibcode: ↑Discovery — A Popular Journal of Knowledge, New Series, Vol. II, January to . — Google Книги(неопр.) . Дата обращения: 26 апреля 2013.↑ David C. Catling and Kevin J. Zahnle, The Planetary Air Leak. As Earth’s atmosphere slowly trickles away into space, will our planet come to look like Venus?Wayback Machine //SCIENTIFIC AMERICAN, May 2009

↑Wayback Machine ISBN 9027724180, 1987, page 296 chapter 8 table VII «Time (in years) of dissipation of gases from the Earth’s atmosphere at different temperatures»

↑Kevin J. Zahnle and David C. Catling.(неопр.) . Scientific American (11 мая 2009). Дата обращения: 28 января 2014.Архивировано 2 января 2014 года.

↑Space Studies Board, Division on Engineering and Physical Sciences.(неопр.) . National Academies Press (15 января 1961). Дата обращения: 2 октября 2017.Литература [ править | править код ]

Диссипация / Флоренский К. П. // Большая Советская Энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская Энциклопедия, 1972. — Т. 8 : Дебитор — Евкалипт. — С. 313—314. — 628 000 экз.
Р. А. Сюняев (Гл. ред.) и др. — 2-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1986. — С. 244—245. — 783 с. — 70 000 экз.

Ссылки [ править | править код ]

Zahnle, Kevin J.; Catling, David C. (May 2009). Scientific American.
Hunten, D. M. (1993). “Atmospheric evolution of the terrestrial planets”. Science. 259 (5097): 915—920. Bibcode:DOI:
Lammer, H.; Bauer, S. J. (1993). Planetary and Space Science. 41 (9): 657—663. Bibcode:DOI:

Солнечный ветер

С вами ведущий экскурсовод Центра «Космонавтика и авиация» Александр Яровитчук. В космосе нет воздуха, но ветер все же есть. Бесконечное пространство пронизывают потоки частиц, рождаемые Солнцем, другими звездами, пульсарами, засасывающимися в черные дыры объектами, квазарами и прочими активными ядрами галактик. В космосе нет стен, поэтому сквозит со всех сторон. Однако самый сильный ветер, обдувающий Землю, исходит от Солнца. О солнечном ветре и пойдет речь в блоге.

Солнечным ветром называют поток элементарных частиц, идущих от ближайшего к нам светила. По аналогии с Землей он возникает в атмосфере, которую в случае Солнца называют короной. Звезды не имеют поверхности, это очень горячие и массивные шары плазмы — субстанции, очень похожей на газ. Только на Солнце так горячо и тесно, что атомы вещества разрываются на составляющие, а именно на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра. Данный процесс называют ионизацией, получившиеся частицы — ионами, а их смесь — плазмой. Звезды состоят главным образом из водорода и гелия, поэтому ядра этих элементов составляют основную массу. У этих частиц есть свои названия. Ядро водорода — это всего лишь один протон, а ядро гелия представляет собой два протона и два нейтрона, и его собственное имя — альфа-частица. Однако в ходе термоядерных реакций в недрах Солнца рождаются и другие химические элементы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева вплоть до железа. Кстати, благодаря незначительному содержанию металлов солнечный ветер можно увидеть глазами. Когда Луна закрывает собой нашу звезду и не дает яркому свету доходить до Земли, то есть во время полного солнечного затмения, вокруг Солнца можно наблюдать светящиеся зубчики, напоминающие корону на голове. Это и есть атмосфера светила, а зубчики — это струи солнечного ветра. Ионы железа в нем захватывают электроны и образуют атом. При этом часть энергии высвобождается в виде света. Со временем ветер рассеивается в космическом пространстве и становится невидимым для глаза.

Затмение Солнца и вид короны

Остатки от процессов превращения одних веществ в другие, а именно позитроны, мезоны, мюоны и нейтроны, тоже могут быть частью солнечного ветра, но они быстро исчезают. Позитроны аннигилируют с электронами, а остальные в свободном состоянии вне ядра распадаются. Однако до Земли эти частицы могут успеть долететь. Скорость частиц солнечного ветра зависит от их массы. Легкие движутся почти со скоростью света, а тяжелые — в среднем со скоростью 500–800 км/с у Земли. Причем второй случай разделяют еще на два вида ветра: быстрый и медленный.

Медленный поток похож на испаряющийся горячий чай или кофе в кружке. Гравитация и магнитное поле Солнца стараются удерживать заряженные частицы внутри звезды, но если ионы слишком горячи и имеют большую скорость, они могут преодолевать силу тяжести. В таком случае солнечный ветер равномерен и распространяется во все стороны. Однако, в отличие от гравитации Солнца, его магнитное поле непостоянно. Оно формируется за счет движения заряженных частиц, а его в Солнце два типа: от ядра звезды к атмосфере и с востока на запад (вдоль направления вращения). Каждые одиннадцать лет магнитное поле меняется до неузнаваемости. В нем появляются не два, а несколько полюсов, причем в самых разных местах, даже на экваторе. На Солнце возникают корональные дыры, пятна, протуберанцы, вспышки и т.д. Заряженные частицы солнечного ветра будут двигаться вдоль силовых линий к полюсам и ускоряться. В таком случае магнитное поле помогает образованию солнечного ветра, который называется быстрым. Такой солнечный ветер бывает и в период спокойного Солнца, но поток частиц всегда направлен вдоль оси вращения звезды и не бывает направлен к Земле.

Стенд наблюдения за явлениями на Солнце и солнечным ветром в реальном времени в павильоне «Космос»

Магнитное поле приводит и к нагреву ветра. В короне его температура может достигать полутора миллионов градусов Кельвина, а у Земли он остывает до ста тысяч градусов Кельвина. Правда, такой жар не будет ощущаться, так как заряженных частиц мало и они не передают тепло в ходе взаимодействия. Концентрация ионов солнечного ветра — восемь штук на кубический сантиметр. Для сравнения: это сопоставимо с одним стаканом воды в объеме всей планеты Земля. Кажется, что это немного, но Солнце для этого ежесекундно сбрасывает около одного миллиона тонн вещества, которое рассеивается в огромных пространствах космоса. И это еще считается одним из самых низких показателей в галактике. К счастью для жителей Земли, Солнце — одна из самых спокойных звезд, производящих небольшое количество ветра. Скажем, звезда R136a в созвездии Золотая Рыба в сутки создает ионизированных частиц общей массой со всю нашу планету. Для космонавтов на орбите даже небольшое количество солнечного ветра неприятно. Хотя люди не нагреваются от него, они подвергаются ионизирующему воздействию радиации. Один день на орбите под потоками пронизывающего ветра по последствиям равен прохождению флюорографии. Космонавты обязательно за этим следят с помощью персональных дозиметров.

Персональный дозиметр космонавта

В будущем за миллиарды лет атмосфера Солнца будет расти и охлаждаться. Соответственно, интенсивность солнечного ветра будет усиливаться, но его энергия уменьшится.

Это может привести к серьезным последствиям для нашей планеты. Даже сейчас солнечный ветер влияет на многие процессы. Из-за него образуются хвосты комет, полярные сияния, из-за него у Меркурия атмосферы нет вообще, а у Земли она постоянно меняет свой размер. Состав верхних слоев земной атмосферы тоже меняется благодаря протонам и альфа-частицам, которые участвуют в создании, например, озонового слоя. Потоки заряженных частиц могут воздействовать на радиоволны и электронику в спутниках. Особенно чувствительны к солнечному ветру орбитальные системы навигации и связи. При особо сильных вспышках на Солнце электрические приборы выходят из строя и на Земле. Солнечный ветер — главный фактор возникновения геомагнитных бурь, поведения магнитного поля и радиационных поясов Земли. На других планетах появляются и другие необычные явления. Солнечный ветер, например, очень важен для колец Сатурна.

Явления на Земле, создаваемые солнечным ветром

Изучать космические ионы начали еще до полетов в космос с помощью такого явления, как широкий атмосферный ливень. Солнечный ветер создает каскадные реакции в газовой оболочке Земли. Уже вторично созданные из воздуха протоны и электроны пробиваются дальше. Собственно, полярные сияния — это одно из проявлений данного процесса. Уже Первый искусственный спутник Земли, хотя и умел только пикать, но с помощью искажения радиоволн помог ученым определить свойства слоя атмосферы Земли, с которым напрямую взаимодействует солнечный ветер. Автоматическая станция «Луна-1» впервые улетела так далеко от Земли, что смогла непосредственно с помощью полусферических ионных ловушек регистрировать частицы Солнца и наблюдать солнечный ветер напрямую.

Макет «Луны-1»

Подробнее узнать о солнечном ветре, способах его исследования и его влиянии на нас и всю Солнечную систему я приглашаю вас в Центр «Космонавтика и авиация».