TL;DR

Вы должны быть в состоянии добиться естественного формирования такой атмосферы с преобладанием гелия, подвергая планету надлежащему уровню ультрафиолетового излучения от ее звезды. Изменяя орбитальные и физические параметры, вы сможете лишить планету водорода, сохранив при этом большую часть гелия. Планета с холодной и плотной атмосферой может быть оптимальным решением.

---

Gliese 436 b , как вы упомянули, является интересным примером и, возможно, лучшим примером атмосферы с преобладанием гелия, подобной той, которую вы ищете. Он весит около 21 массы Земли, и подавляющее большинство из них, вероятно, будет твердым, с отношением атмосферы к планете$M_{\text{atm}}/M_p\sim10^{-3}.$Это далеко от желаемого диапазона, но в любом случае стоит посмотреть.

Ху и др. 2015 утверждают, что Gliese 436 b, экзопланета размером с Нептун, началась с оболочки, в которой преобладали водород и гелий, как и ожидается для планет такого диапазона масс. Он вращается вокруг красного карлика и поэтому получает здоровую дозу как экстремального ультрафиолетового (EUV), так и рентгеновского излучения (хотя для наших целей это относительно неважно). Этот EUV-свет возбуждает атомы и молекулы в атмосфере, увеличивая их кинетическую энергию до тех пор, пока у некоторых из них тепловые скорости не превысят скорость убегания. Затем они выходят из атмосферы в процессе, называемом гидродинамическим побегом.. Водород легче гелия, поэтому его легче отделить. Ху и др. подсчитали, что в результате этого процесса водородно-гелиевая атмосфера Глизе 436 b могла превратиться в атмосферу с преобладанием гелия за время около 10 миллиардов лет.

К сожалению, маломассивные планеты вряд ли смогут поддерживать такое высокое соотношение гелия и водорода! На рисунке 4 статьи показан график того, что Hu et al. назовите коэффициент фракционирования ,$x_2$.$x_2$может принимать значения от 0 до 1; стоимость$x_2=0$означает, что в атмосфере полностью преобладает гелий, а значение$x_2=1$означает, что два газа хорошо перемешаны. Мы можем видеть, что маломассивные планеты имеют серьезные труднодостижимые низкие коэффициенты фракционирования; даже в$M_p=1M_{\oplus}$, лучшее, что мы можем сделать, это$x_2\approx0.6$:

Я думаю, для планеты с еще меньшей массой$x_2\approx0.8$к сожалению, разумно.

Посмотрим, сможем ли мы немного изменить ситуацию. Энергоограниченный$^{\dagger}$скорость побега

$$\Phi_{\text{EL}}=\frac{L_{\text{EUV}}\eta a^2R_p^3}{4Kd^2GM_p}$$ где$R_p$и$M_p$- радиус и масса планеты,$L_{\text{EUV}}$- светимость звезды в EUV, а$d$является большой полуосью планеты. Мы видим, что для нашей планеты,$M_p=0.11M_{\oplus}$- достаточно низкий. Это должно означать, что планета легко потеряет и водород, и гелий. Мы можем смягчить это, скажем, уменьшив светимость в EUV (возможно, превратив звезду в звезду K или G) или увеличив большую полуось, что приведет к более низкому$\Phi_{\text{EL}}$.

Мы хотим, чтобы это ниже$\Phi_{\text{EL}}$потому что тогда потеря гелия будет ограничена энергией, а потеря водорода будет ограничена диффузией и, следовательно, будет зависеть от другого набора атмосферной физики. Возможно, тогда мы сможем найти и настроить выход водорода. В документе указано, что масштабированный поток гелия будет больше, чем масштабированный поток водорода на величину

$$\phi_{\text{DL}}=\frac{GM_p(m_{\text{He}}-m_{\text{H}})b'}{R_p^2kT}$$ с$T$температура и$b'$коэффициент бинарной диффузии. Мы видим, что мы можем сохранить даже больше гелия по сравнению с водородом, если мы 1) увеличим каким-либо образом начальную массу гелия или 2) понизим температуру, т.к.$\phi_{\text{DL}}\propto T^{-1}$. Это должно иметь смысл; более холодная атмосфера затруднит выход газов.

С другой стороны, благодаря закону об идеальном газе холодная атмосфера означает, что мы, вероятно, увидим более низкие давления, если только мы резко не увеличим плотность атмосферы. Мы могли бы попытаться создать себе холодную, но чрезвычайно плотную атмосферу с высокой плотностью, поддерживаемой, возможно, высокой поверхностной гравитацией и каким-либо методом восполнения запасов гелия. Массивное каменное ядро, безусловно, помогло бы.

---

$^{\dagger}$ Ограничение по энергии означает, что скорость убегания ограничена потоком EUV от звезды; диффузионно-ограниченный означает, что поток$\Phi_{\text{EL}}$настолько низок, что диффузия внезапно становится ограничивающим фактором.

Я думаю, вы смешиваете здесь два аспекта: формирование атмосферы и ее обогащение кислородом.

Чтобы иметь свободный кислород, вам нужно, чтобы какой-то процесс непрерывно производил его, иначе он будет истощен реакцией с другими видами. А поскольку у вас есть водород, вам не нужно много воды. На Земле этот процесс называется фотосинтезом и осуществляется растениями и водорослями. До этого принято считать, что наша атмосфера не была такой окислительной.

Аналогичный путь можно пройти и здесь: на этой планете, изначально с восстановительной атмосферой (благородные газы, водород, метан и вода), развилась жизнь, которая в итоге обогатила атмосферу кислородом.

Вот еще одна альтернатива: твердое ядро ​​​​планеты содержит множество резервуаров замороженного / конденсированного водорода, гелия, азота и т. Д. Возможно, планета изначально не имела атмосферы и была просто шаром из замороженной породы до изменения ее орбиты (как вы упомянули) или изменение размера его звезды вызвало ее нагрев. В этот момент замороженные и сконденсировавшиеся вещества на его поверхности начинают плавиться и испаряться, образуя атмосферу (одновременно постепенно диффундирующую в космос).

Вам просто нужно убедиться, что планета получает достаточно тепла, чтобы эти резервуары испарялись быстрее, чем атмосфера может покинуть планету.

Хорошая новость: теплота парообразования гелия$21.125$джоулей/грамм, что очень мало (сравните это с$2257$джоуль/грамм). Это означает, что он должен плавиться и испаряться довольно быстро и, возможно, даже опережать исчезновение атмосферы.

Плохая новость: это все еще не то, что вы бы назвали «геологически стабильным». В конце концов, резервуары закончатся, и атмосфера исчезнет. Хуже того, когда резервуары пустеют, масса планеты уменьшается, что приводит к уменьшению гравитации и исчезновению атмосферы с еще большей скоростью. Тем не менее, это должно длиться намного дольше (и быть более правдоподобным), чем планета, на которой нет ничего, кроме уже существующей атмосферы.

Давайте углубимся в физику и посмотрим, к чему это нас приведет. Прежде всего, я утверждаю, что не буду пытаться оценить какой-либо ингредиент лучше, чем$\pm 10\%$и из-за этого результат может немного отличаться. Я использую индекс «Коэль» для обозначения планеты, которую вы описываете.

Вы не указываете радиус вашей планеты или ее плотность, но вы сообщаете нам массу и ускорение, вызванное гравитацией на поверхности. Гравитационный потенциал от точечной массы (или от набора концентрических сферических оболочек массы),$m$, На расстоянии$r$от центра (и вне массы)

$$V(r) = \frac{-m G}{r} \text{,}$$ где$G$гравитационная постоянная ($6.674 {\dots} \times 10^{-11} \frac{\mathrm{m}^3}{\mathrm{kg}\,\mathrm{s}^2}$), а величина ускорения есть величина градиента потенциала, $$|a| = \frac{m G}{r^2} \text{.}$$

Вы даете$|a_{\text{Coel}}| = 0.48 |a_{\text{Earth}}|$, так что с$r$расстояние от центра вашей планеты до ее поверхности,

$$\frac{m_{\text{Coel}} G}{r^2} = 4.713{\dots} \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}^2} \text{.}$$ Решение для$r$, находим, что радиус вашей планеты равен$r_{\text{Coel}} = 3.049{\dots} \times 10^{3} \,\mathrm{km}$. (И в качестве проверки здравомыслия это делает среднюю плотность вашей планеты и Земли одинаковой с точностью до нескольких частей на тысячу.)

Скорость убегания от поверхности вашей планеты равна

$$\begin{align*} v_{\text{escape}} &= \sqrt{ \frac{2 m_{\text{Coel}} G}{r_{\text{Coel}} }} \\ &= 3.79{\dots} \,\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}} \text{,} \end{align*}$$ который округляется до$3.8$километров в секунду.

Проверяя диаграмму Википедии для выхода из атмосферы , на$300 \,\mathrm{K}$(температура около комнатной), ксенон не улетучится с вашей планеты, но улетучатся углекислый газ, кислород, азот, вода (пар), аммиак, метан, гелий и водород (примерно в порядке увеличения скорости). Как видно из диаграммы, для удержания гелия требуется температура ниже примерно$150 \,\mathrm{K}$, что немного холоднее, чем я хочу дышать.

Один из источников этой диаграммы пишет

Также важно иметь в виду, что большая часть газа улетучивается, даже если только небольшая часть (скажем, 5%) имеет скорость выше, чем скорость убегания — это предполагает, что внутри нет новых источников газа. планета и что вас интересуют времена спустя долгое время после того, как планета сформировалась.

[Изготовив ряд моделей, стало ясно, что иметь стабильную атмосферу с таким высоким давлением и низкой гравитацией очень сложно. Для (сильно) сжатой пружины атмосферы слишком легко сбросить большие части атмосферы за то время, которое требуется волне сжатия, чтобы распространиться вниз к планете, отразиться от поверхности и вернуться во внешние слои, подняв их. скорости выше скорости убегания. Иметь стабильный столб газа в 50 раз тяжелее, чем на Земле, с половиной силы тяжести на поверхности при температуре, достаточно близкой к приемлемой для жизни,… сложно .]

Это сделал волшебник

Третий закон Кларка: любая достаточно продвинутая технология неотличима от магии.

Возможно, очень развитая цивилизация терраформировала планету таким образом, может быть, потому, что они изначально пришли из места с очень плотной атмосферой. Низкая гравитация может быть связана с тем, что это место было спа, домом престарелых или детским садом (меньшая гравитация означает меньшую нагрузку на сердце (сердца), меньший ущерб от опрокидывания вещей и людей), или, может быть, потому, что слишком сильное изменение гравитации обходится дороже, чем меняется только атмосфера. Это дает вам планету, которую вы хотите, сохраняя при этом остроту бритвы Оккама.

Затем эта цивилизация могла исчезнуть (они вымерли, переместились в другое место или спрятались в айсберге, когда нация огня напала).

Я считаю, что некоторые насекомые могут дышать под водой, используя поверхностное натяжение, чтобы обернуть вокруг себя кислородный пузырь. Затем пузырь обменивается угарным газом и кислородом с окружающей водой, чтобы дать им фактически неограниченную способность дышать (я не претендую на то, что хорошо это понимаю, см. https://phys.org/news/2008-07-insects-oxygen-underwater ). .html для получения дополнительной информации).

Ваша атмосфера могла бы сделать что-то подобное, может быть, определенная комбинация элементов "цеплялась бы" за человека (может быть, из-за статического заряда? Я не уверен, применимо ли поверхностное натяжение в этом масштабе) и вызывала бы несколько сантиметров дыхания. зона вокруг них, которая постоянно обновляется?