Почему земная атмосфера такая тонкая?

Венера несколько легче Земли, но имеет гораздо более плотную атмосферу. Казалось бы, следующее должно быть правдой:

1. Во время фазы формирования все внутренние планеты захватили столько газа, сколько они могли удержать за гравитационное / термодинамическое равновесие. В конце концов, даже маленькому Марсу удалось захватить значительную атмосферу.
2. Скорость выброса в атмосферу должна быть намного выше для Венеры:
   • Венера получает больше тепла от солнца, таким образом, Джинс сбегает быстрее
   • Венера обладает незначительным магнитным полем, поэтому часть ее атмосферы должна быть потеряна из-за прямого «выброса» солнечным ветром

Тем не менее, это Земля, которая, по-видимому, пропускает большую часть атмосферного объема. Таким образом, вопрос: каковы современные теории относительно "утончения" атмосферы Земли? Когда и почему атмосферные газы покинули планету?

Краткий ответ: атмосферные газы никогда не покидали Землю, они в ней!

Длинный ответ на этот вопрос не только о текущих состояниях планет, но скорее о процессах, которые привели их туда. Давайте начнем с самого начала (очень хорошее место для начала).

Самые первые годы

Когда наша солнечная система начала формироваться 4,6 миллиарда лет назад, большая часть массы образовалась из свернутой части молекулярного облака (см. Небулярную гипотезу ) собралась в центре, чтобы сформировать Солнце. Масса, которая не упала на Солнце, оставила протопланетный диск - облако пыли и газа - вокруг новой звезды. Постепенно частицы пыли начали собираться вместе в результате аккреции, привлекая все больше и больше частиц на начинающие планеты.

Рядом с Солнцем, где проживают Венера и Земля, было слишком жарко для конденсации многих частиц, поэтому планеты в этом регионе образовались из металлов и силикатов, которые имеют высокие температуры плавления. Вот почему четыре планеты во внутренней Солнечной системе называются "каменистыми" или "земными" планетами. Самые ранние атмосферы на этих планетах начали формироваться с постепенным сбором газов из солнечной туманности, в основном водорода.

Златовласка и две планеты

На этом этапе эволюции двух планет они выглядели довольно схожими, но есть одно существенное отличие: расстояние до Солнца. Похоже, Земле повезло оказаться в «зоне Златовласки», где температура как раз подходит для поддержания жизни. Нахождение в этой зоне имеет два основных значения: жидкая вода и, как следствие, активная тектоника плит. (См. Эту статью для более глубокого понимания того, почему оба связаны.)

Углеродные раковины

На Земле в жидких океанах содержится много воды. На Венере это не тот случай. Ближе к Солнцу слишком жарко, поэтому вся вода испаряется в атмосферу. (Венера, вероятно, содержала жидкую воду на своих ранних стадиях, но все это испарилось через миллиард лет или около того.) Также вероятно, что молодая Земля когда-то имела плотную, карательную атмосферу, как сегодня на Венере. Тем не менее, поверхностные океаны и тектоника плит обеспечивают достаточные пути для поглощения газов на поверхности Земли. Океан и тектоника плит предлагают огромное количество накопления карбонатов, позволяя переносить и балансировать соединения углерода в атмосферу и из атмосферы.

Итак, теперь у нас есть две вещи, усиливающие различия между атмосферой Земли и Венеры:

• Испарение жидкой воды : на Венере слишком жарко, чтобы жидкая вода существовала. Вся вода испарилась, что привело к более плотной атмосфере. На Земле вода может находиться на поверхности, уменьшая количество в атмосфере.
• Поглотители углерода . Жидкая вода и тектоника плит позволяют Земле поглощать значительные количества газа, что позволяет разжижать атмосферу от определенных соединений, таких как углекислый газ. На Венере нет такого пути, заставляющего весь газ оставаться в атмосфере.

Не имея основных механизмов поглощения газов планетой, Венера испытывает безудержный парниковый эффект.

Атмосферный побег

Вы упоминаете Джинс побег. Это правда, что этот эффект больше при более высоких температурах; однако, для маленьких молекул намного легче убежать, чем для больших. Водород и гелий, будучи двумя самыми маленькими элементами, наиболее сильно подвержены этому явлению. Для сравнения, углекислый газ, который составляет большую часть атмосферы Венеры, не очень подвержен побегу Джинсов.

Вы также упоминаете солнечные ветры. В то время как они играют эффект, особенно на планетах без магнитного поля, это явление не так сильно, как вы думаете. Ультрафиолетовый свет (то есть фотоионизирующее излучение) вызывает ионизацию в самой верхней области атмосферы. Эти заряженные частицы теперь образуют оболочку (называемую ионосферой), которая отклоняет солнечные ветры, как магнитное поле. На Венере густая атмосфера обеспечивает больше частиц для ионизации, что приводит к более сильному отклонению. (Сравните это с Марсом, где солнечный ветер является основным нетепловым механизмом ухода из-за тонкой атмосферы с небольшим количеством ионизированных частиц.)

Основной атмосферный механизм побега для Венеры на самом деле немного сложнее. В отсутствие магнитного поля заряженным частицам легче убежать. В частности, электроны наиболее восприимчивы из-за их малой массы. Когда электроны уходят, суммарный заряд ионосферы становится положительным, вызывая выброс положительных ионов, в основном H ⁺ .

Вывод

В то время как Земля и Венера сформировались одинаково, Земле повезло. У него есть пути удаления газов из атмосферы, а у Венеры - нет. Кроме того, две планеты не испытывают существенно разных скоростей выброса в атмосферу. Это приводит к плотности атмосферы, которая известна сегодня: 66 кг / м ³ для Венеры и всего 1,2 кг / м ³ для Земли.

Я думаю, что ответ dpwilson превосходен, и я проголосовал за него, но я хотел опубликовать этот график со старой картинкой, которая стоит тысячи слов.

Венера несколько легче Земли, но имеет гораздо более плотную атмосферу. Казалось бы, следующее должно быть правдой:

Во время фазы формирования все внутренние планеты захватили столько газа, сколько они могли удержать за гравитационное / термодинамическое равновесие. В конце концов, даже маленькому Марсу удалось захватить значительную атмосферу.

Может быть. Но во время ранней солнечной системы, когда солнце сформировалось и начало откачивать свет и солнечные вспышки (а раннее солнце, вероятно, было гораздо более активным в отстреле солнечных вспышек, частично из-за более быстрого вращения), ключевой фактор, который следует учитывать это линия Frost - которая хорошо мимо земли.

Итак, 1 из 2 вещей может произойти в начале формирования Солнечной системы. Во-первых, планеты формируют и собирают доступные льды и газ, которые они могут, прежде чем солнце начнет таять / отталкивать любой лед и газ внутри линии замерзания, или 2, солнце формируется первым, и на внутренних планетах очень мало газа и воды, поскольку они формируются , Они бомбардируются водородом, выбрасываемым с Солнца, но в основном внутренние планеты плохо удерживают этот водород. Во втором сценарии любая атмосфера и вода, которые они получают, должны исходить от воздействия кометы.

Ранняя атмосфера внутренних планет состояла в основном из CO2, CH4, NH3, а может быть, и из N2. Если бы на Венеру попала пара дополнительных комет, это само по себе могло бы объяснить это, и это не является статистически необоснованным. Теперь я не говорю, что это то, что произошло, только то, что это возможно. Венера удерживает большую часть своего CO2, но со временем она может потерять большую часть H2O, CH3, NH3, возможно, N2, если она присутствует, что приводит к большей части атмосферы CO2, которую она имеет сегодня.

Также теоретически возможно, что гигантское воздействие, которое сформировало Луну, также сдуло много ранней атмосферы Земли. (не уверен в этом, но огромное добавление тепла и вращения, это возможно).

На графике выше, это говорит о том, что Венера не потеряет много Н20, но на других графиках Венера ближе к линии Н20. (Google Планета скорости выхода газа для большего количества диаграмм)

Скорость выброса в атмосферу должна быть намного выше для Венеры: Венера получает больше тепла от Солнца, таким образом, более высокая скорость побега Джинса Венера имеет незначительное магнитное поле, поэтому часть ее атмосферы должна быть потеряна из-за прямого «выброса» солнечным ветром

Это правда. Это вполне может объяснить, почему на Венере так мало воды, что характерно для солнечной системы. Но в вашем последнем пункте, Венера имеет индуцированное магнитное поле - смотрите здесь . dpwilson объяснил это более подробно.

Тем не менее, это Земля, которая, по-видимому, пропускает большую часть атмосферного объема. Таким образом, вопрос: каковы современные теории относительно "утончения" атмосферы Земли? Когда и почему атмосферные газы покинули планету?

Я полагаю, что до сих пор неясно, какой именно была атмосфера Земли миллиарды лет назад. Вполне возможно, что все началось с еще более плотной атмосферы, чем в настоящее время на Венере, но трудно с какой-либо уверенностью это понять (по крайней мере, ничто из того, что я читал, не предполагает определенности по этому вопросу).

Стоит отметить, что уголь, нефть и природный газ не образуются естественным путем, но они являются продуктом мертвых растений и морской жизни, погребенной на протяжении сотен миллионов лет. Кроме того, во многих камнях, которые мы видим вокруг, есть кислород. Например, в граните есть кислород. (На Венере нет или, по крайней мере, очень мало Гранита). Поглощение атмосферы жизнью на Земле и связыванием кислорода с поверхностью и растворенными минералами океана, вероятно, сыграло огромную роль в истончении атмосферы Земли. Жизнь на Земле сама по себе может быть достаточно, чтобы объяснить разницу между Землей и атмосферой Венеры.

Кометы:

1) Кометы раньше были больше. Каждый проход рядом с солнцем, кометы сжимаются. Кроме того, это не просто кометы, а ледяная луна, подобная объектам и астероидам, которые, поскольку Юпитер мигрировал и произошла поздняя тяжелая бомбардировка, некоторые из них могли быть довольно большими.

Смотрите: здесь и здесь и здесь .

Кроме того, я не сказал это как окончательное, я сказал, что, возможно, большая часть атмосферы Венеры произошла от большого удара кометы.

Похоже, существует удивительно мало твердых теорий о том, почему Земля и Марс смогли потерять большинство своих атмосферных газов, в то время как Венера сумела сохранить самую великолепную атмосферу.

Одна правдоподобная теория была выдвинута выдающимся химиком Октавом Левенспилом и др. На основе старых советских исследований состава земной коры, проведенных в 1950-х годах (я не смог найти каких-либо существенных обновлений для модели состава коры, разработанной с того времени).

На первый взгляд, теория работает следующим образом:

1. Земля сформировалась с атмосферой, подобной или более плотной, чем Венерианец. Его наиболее распространенным ингредиентом должен был быть CO2 (аналогично Венере и Марсу).
2. Земной атмосфере удалось остыть достаточно, чтобы вода начала конденсироваться в жидкую фазу. Точный механизм для этого мне не совсем понятен (несмотря на зону Златовласки), потому что горячая и плотная атмосфера CO2 / H2O должна была вызвать заметный эффект «оранжереи», не давая поверхности планеты остыть (если модели «оранжереи» не моделируют слишком преувеличены).
3. Атмосферный CO2 начал растворяться в жидкой воде (это само по себе должно составлять примерно 50% снижение парциального давления CO2). Сильнокислотная вода начала разрушать кальций из коры, что положило начало процессу образования известняка.
4. Новая жизнь ускорила процесс, изолировав оставшийся атмосферный CO2 в гигантский известняк и несколько меньшие залежи угля.

Подробное описание теории можно посмотреть здесь: http://pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html.

Я надеялся, что некоторые ответы здесь могут предложить правдоподобные альтернативные теории. В частности:

1. «Тектоника плит», вероятно, не имеет ничего общего с составом и параметрами современной атмосферы. Насколько я знаю, никто никогда не предполагал, что мантия может повторно поглощать газы из атмосферы - наоборот, газы, выделяющиеся из охлаждающей мантии в результате вулканической активности, должны способствовать созданию более плотной атмосферы (ясно, что этот процесс никогда не помогал Марсу и не так сильно помогает Земле). Вулканические газы в основном состоят из CO2 и водяного пара (до 90% по массе), в то время как эти два вещества практически не присутствуют в современной атмосфере (CO2 - ~ 350 ppm, пары - 0,4%, в основном из-за испарения, не связанного с рециркуляцией вулканов) ,
2. Кометы - относительно легкие объекты (приличная комета весит в 10000-100000 раз меньше, чем даже тонкая, современная земная атмосфера) с низкой плотностью. Воздействие кометы на планету с высокой кинетической энергией, скорее всего, приведет к выходу большинства содержащихся в комете газов обратно в космос (и ударное нагревание также добавит некоторые планетарные газы к выходящей смеси - процесс, известный как «ударная эрозия» «). Долгое время считалось, что существенная передача материи между кометами и планетами невозможна ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. «Ранняя разреженная атмосфера» - атмосфера, которая разрушается или теряется вскоре после образования Земли (Луны), не представляется вероятной по очевидной причине: откуда берется известняк / уголь? Если атмосфера Земли была потеряна, а затем пополнилась тектонической активностью, это возвращает нас к первоначальному вопросу.