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

Categories:

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: Планеты, Физика на пальцах
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Маленькие рассказы о космосе (18).

    За 10 лет в ЖЖ написал немало постов по космической тематике. Расфасовав их метками по разным подтемам. Но будучи сделанными в разное время по…

  • Чем могу быть полезен?

    Еще Козьма Прутков говаривал: Специалист подобен флюсу, полнота его одностороння. К середине 1980-х я тоже стал подобен флюсу, что было…

  • Уроки физики. 5. Главный закон механики.

    Галилей заложил фундамент корректной экспериментальной физики. И закрепил на нем первый камень теоретической физики, сформулировав свой принцип…

promo moralg march 5, 2018 03:01 43
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 16 comments