Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote in otrageniya,
Морозов Александр Гавриилович
moralg
otrageniya

Category:

Почему и как испаряются атмосферы планет?

      Уговорила меня cherry_20003 из otrageniya писать посты, кратко и популярно объясняющие разные явления и на Земле и во Вселенной. Это не просто. Ибо нужно описать любое явление так, чтобы у почти не знакомого с физикой читателя возникла  целостная Модель или Образ явления, а не отрыжка от ее (его) несущественных деталей.

      Но гораздо сложней для меня - подбор тем постов, интересующих не слишком узкие круги и моих читателей, и читателей otrageniya. Подумал и решил начать с темы, указанной в заголовке поста. Но, поскольку упомянутые круги читателей пересекаются слабо, буду публиковать эти посты параллельно и в своем журнале, и в otrageniya.


      Испарение атмосферы планеты надо понимать как бесповоротное убегание молекул газа из самых верхних слоев атмосферы в открытый космос. Для этого убегающие молекулы должны приобрести скорость не меньше второй космической скорости V2 для этой планеты. Для Земли V2 = 11,2 км/сек, для Марса V2 = 5,0 км/сек, для Меркурия  = 4,2 км/сек, для Луны V2 = 2,4 км/сек, для Титана (спутника Сатурна) V2 = 2,6 км/сек.

      Из этого ряда V2 видно, что убежать молекулам из атмосферы Марса легче, чем из атмосферы Земли, а из атмосферы Луны легче, чем из атмосферы Марса. И действительно, давление в атмосфере Марса в сотню раз меньше земного давления, а о давлении в атмосфере Луны и говорить не приходится - оно практически нулевое. Все, вроде бы, нам стало ясно? Отнюдь.

      Из того же ряда следует, что убежать из атмосферы Титана молекулам легче, чем из атмосферы Марса. Но давление в атмосфере Титана не только значительно больше марсианского, но и в 1,6 раза больше земного! Ясность пропадает и с этим придется разбираться. И мы разберемся.

      Заметим, что коль скоро молекулы имеют скорость, то они имеют и кинетическую энергию Е = m*(v↑2)/2. В нашей обыденной жизни мерой средней кинетической энергии молекул газа является температура газа Т (измеряемая по шкале Кельвина от абсолютного нуля в Т = - 273°С). Даже одинаковые молекулы газа в один и тот же момент времени имеют разную скорость. И поэтому температуру определяют так, что Т пропорциональна кинетической энергии молекул со средней скоростью (коэффициэнт пропорциональности обсуждать не будем). Поэтому средняя скорость одинаковых молекул пропорциональна √(Т/m) (корню квадратному из температуры газа, деленной на массу молекулы).

      Из этой оценки следует довольно важный вывод - менее массивные молекулы при одной и той же температуре газа имеют большую среднюю скорость. Например, масса молекулы водорода в 16 раз меньше массы молекулы кислорода. Поэтому при одной той же температуре средняя скорость молекул водорода будет в 4 раза больше средней скорости молекулы кислорода.

      При вполне летней температуре в 27°С (Т = 300°К) средняя скорость молекул земного воздуха (азот плюс кислород) оказывается близкой к 500 м/сек, а молекул водорода - около 2 км/сек. Обе эти цифры заметно меньше второй космической скорости для Земли. И, казалось бы, что не только кислород, но и водород в земной атмосфере должен сохраняться. Но водород почти полностью исчез из атмосферы Земли. Хотя он и преобладает в межзвездном газе. В чем же причина почти полного исчезновения водорода из атмосферы Земли?

      Дело в том, что говоря о средней скорсти молекул, мы мочаливо подразумеваем, что есть молекулы и с заметно меньшей скоростью, и заметно большей. Реальное распределение количества молекул в газе по скоростям хорошо описывает распределение Максвелла (колокол с хвостом):

,

из которого видно, что число молекул со скоростями значительно больше средней vср убывает довольно резко, но не до нуля даже при очень больших скоростях. Так, молекул со скоростями ~ 2*vср  почти в сотню раз меньше, чем молекул со скоростями ~ vср, а со скоростями ~ 3*vср почти в 10 тысяч раз меньше, чем молекул со скоростями ~ vср. Высокоскоростных частиц мало, но даже при их убытии их число постоянно восстанавливается благодаря столкновениям между молекулами. Так, что форма колокола с хвостом распределения Максвелла сохраняется.

      Итак, причины испарения молекул водорода из атмосфер Марса и Земли, не говоря уж о меньших планетах, становятся очевидными. В космос улетучиваются высокоскоростные молекулы из максвелловского хвоста. Понятным становится и полное отсутствие атмосферы у Луны - на ней вторая космическая скорость почти впятеро меньше земной, а максвелловский хвост и для Луны закон.

      Но остается еще одна загадка - вторая космическая скорость на Луне почти не отличается от таковой на Титане, но на Луне и даже на более массивном Меркурии нет атмосферы, а на Титане она весьма знатная.

      Чтобы разгадать ее учтем еще один фактор - потоки фотонов и частиц плазмы от Солнца (солнечный ветер). Титан дальше Меркурия от Солнца примерно в 24,5 раза. Следовательно, на Меркурий обрушиваются потоки фотонов и частиц плазмы примерно в 600 раз более интенсивные, чем на Титан (интенсивность потока падает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца).

      В результате слабости потока фотонов атмосфера Титана, состоящая на 95% из азота, разогрета до чуть менее 100°К (- 180°С) и, следовательно, средняя скорость ее молекул примерно в
√3 раз меньше (менее 300 м/сек), чем на Земле, где Т ~ 300°К. А потоки частиц солнечной плазмы, имеюшие скорости во многие десятки и даже сотни километров в секунду, и способные при соударении с молекулами любой атмосферы передать им почти такую же скорость, благодаря своей мощности спокойно сдули зарождающуюся атмосферу Меркурия (да и Луны тоже) и благодаря своей слабости не способны сдуть атмосферу Титана.

В принципе мы разгадали все загадки. Но есть еще один фактор, увеличивающий устойчивость атмосферы Земли по сравнению с марсианской и рядом других. У Земли есть довольно приличное магнитное поле, похожее по своей конфигурации на поле катушки с током. У Марса магнитное поле во многие разы меньше. Как магнитное поле защищает атмосферу от испарения?

      Практически все молекулы атмосферы, испаряющиеся в открытый космос, уходят из атмосферы будучи ионизованными, то есть, обладающими электрическим зарядом. А заряженные частицы движутся в магнитном поле по винтовой траектории - вдоль силовой линии поля от одного магнитного полюса к другому и обратно, а поперек силовой линии поля - по окружности. Другими словами, магнитное поле вполне успешно старается не отпускать ионизованные молекулы из атмосферы.

      Теперь, кажется, осветил в основном вопрос, поставленный в заголовке поста.

  P.S. Тема для первого поста задуманного сериала была, похоже, выбрана неудачно. Пост получился громоздким. Но, надеюсь, понятным. Замечания и обсуждение - в комментариях. Заявки на интересные вам темы принимаю и складываю в загашник на будущее. Но хулиганство и хамство в комментариях буду решительно пресекать.




Tags: moralg, Университет сообщества, Физика на пальцах
Subscribe
promo otrageniya april 14, 06:25 67
Buy for 40 tokens
Привет всем участникам Отражений и нашим гостям! С настоящего момента вступают в силу изменения в правила, поэтому прошу авторов ознакомиться с нижеследующим. 1. Каждый участник может опубликовать один пост в день. Чтобы иметь возможность публиковать до трех тем в день, участник должен соблюсти…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 15 comments