Марс против Венеры: сохранение атмосфер по отношению к Земле

Мы должны помнить одну вещь:
все атмосферы улетучиваются всегда. Только степень, в которой это происходит, различна на разных планетах.

Я очень ценю ваш вопрос, так как почему-то люди всегда забывают о существовании Венеры, когда спрашивают: «Что удерживает атмосферу на месте?». Как мы увидим, классическая история о том, что «магнитное поле защищает, вот и все», больше похожа на городской миф.

Также определенную роль играют все факторы, о которых вы упомянули. Но давайте разберём их одну за другой, начиная с задней части, чтобы рассказать историю ускользающих частиц.

1. Расстояние.
Как вы правильно заметили, расстояние играет роль косвенно, определяя солнечный ветер и излучение на заданном расстоянии, так что этот фактор не является прямой причиной.

Ведь при моделировании выхода из планетарных атмосфер в качестве свободных параметров лучше взять силу солнечного ветра и УФ-излучение, чем расстояние. Это гарантирует, что можно сравнивать планеты вокруг разных звездных типов или звездных возрастов друг с другом. Таким образом, в литературе расстояние обычно не считается свободным параметром.

2. Планетарная температура
Температура не равна температуре. Поверхность планеты имеет разную температуру от экватора к полюсам.$\Delta T_{\rm EP}$.
Опять же, температура меняется в зависимости от высоты над планетой. Подобно солнцу, разница температур от поверхности до верхних слоев атмосферы/короны составляет$\Delta T_{SC}$и один находит$\Delta T_{SC} \gg \Delta T_{\rm EP}$. На Земле колебания температуры идут (очень грубо) от$+40^{\circ}C$к$-60^{\circ}C$, так$\Delta T_{\rm EP} \approx 100 K$, а температуры в экзосфере на высоте 500 км достигают$T_{exo} = 1000K$.

Современные измерения и расчеты для Марса и Венеры дают низкие температуры экзосферы около$300K$, за счет эффективного охлаждения в пространство$\rm CO_2$(см. эту презентацию Коутса и др. для Венеры и недавний обзор Ламмера и др. (2008) )

Для убегания частиц в космос именно нижняя граница экзосферы, экзобаза, определяет скорости убегания. В частности, именно температура и плотность на экзобазе определяют скорости убегания, так как отсюда быстрый хвост распределения Максвелла-Больцмана может уйти прямо в космос. Это особый процесс побега, называемый побегом по джинсам . Ниже экзобазы частицы, которые движутся вверх со скоростью убегания, встретятся в среднем более чем с одной частицей и, таким образом, будут рассеяны без выхода. Это кстати. также определение того, где найти экзобазу.

Это должно показать, что ни температура поверхности планет, ни ее вариации не играют никакой роли в выходе из атмосферы. Строго говоря, это не так, поскольку атмосфера звезды и, возможно, молодой каменистой планеты может стать достаточно горячей, чтобы запустить гидродинамический ветер в космос, что значительно увеличивает скорость побега. Для Солнца мы называем это явление солнечным ветром Паркера .

Теперь давайте посмотрим, как частицы могут покинуть экзобазу.

3. Масса частиц
Высоко в атмосфере, на высоте около 100 км, находится еще одна атмосферная граница — гомопауза. Здесь перемешивание частиц за счет крупномасштабных движений воздуха становится настолько неэффективным, что частицы начинают формировать слои в соответствии со своей массой.

Таким образом, более тяжелые атомные и молекулярные частицы, достигнув экзосферы,$\sim$500км будут там в гораздо меньшем количестве, чем например Водород. Таким образом, скорость утечки водорода всегда будет выше, чем у других видов.

Это «классическая» картина, которая не может объяснить некоторые загадки, связанные с благородными газами. Благородные газы химически инертны, а это означает, что они не образуют молекул, и попав в атмосферу, они должны оставаться там миллиарды лет. Кроме тех, кто убегает. Вот почему благородные газы дают важные данные при построении теорий о том, что произошло с атмосферой Земли.

Важной проблемой является отсутствие ксенона по сравнению с его более легким аналогом криптоном и другими благородными газами. Такого быть не должно, если классическая картина верна. Я рекомендую прочитать введение в статье Zahnle et al. (2018) за очень подробную картину этой «проблемы отсутствующего ксенона».

Чтобы решить эту проблему и эту статью, позвольте мне ввести еще один параметр частицы:

4. Энергии ионизации
Таким образом, только масса частицы не объясняет скорости убегания. статья Zahnle et al. (2018) (и ссылки в нем, это не новая идея), однако предполагает, что если скорости убегания в основном определяются ионами, то возникает другая картина, которая может примирить ускользание через массовое фракционирование и отсутствие ксенона.

Общая идея состоит в том, что, поскольку энергии ионизации различаются по мере того, как мы движемся по периодической системе элементов, гораздо легче ионизировать криптон и ксенон . Масса ионизированного водорода или протонов уже существовала в верхних слоях атмосферы. Ион-ионные столкновения намного эффективнее связывают виды, чем ионно-нейтральные.
Итак, если мы теперь предположим, что вместо нейтрального водорода улетают в основном протоны, они увлекут за собой ионы криптона и ксенона.
За исключением того, что в условиях земной атмосферы ионы криптона быстро рекомбинируют в нейтральный криптон, а ксенон - нет. Таким образом, статья Zahnle заключает, что пропавший ксенон является указателем прошлого, доминирующего побега ионов.

Поэтому, если ионы так важны для выхода из атмосферы, в отличие от нейтральных частиц, нам, вероятно, следует больше думать о силовых линиях магнитного поля, по которым они следуют. Наконец мы добрались до обсуждения планетарного магнитного поля.

5. Магнитное поле и солнечный ветер

Некоторые силовые линии магнитного поля соединяются с полем в межпланетном пространстве. Ионы, путешествующие по ним, неизбежно будут потеряны в космосе и подхвачены солнечным ветром. В силе этого эффекта преобладает геометрия линий поля, пересекающихся с солнечным ветром, и он может привести к чистой защите или чистой эрозии атмосферы.
Это, наряду с другими эффектами, такими как захват и распыление, было обобщено в сравнительной статье о Земле, Марсе и Венере в Gunell et al. (2018) . Их ключевым открытием является

В то время как планетарное магнитное поле защищает атмосферу от распыления и захвата ионов, оно позволяет покинуть полярную шапку и острие, что увеличивает скорость выхода. Кроме того, индуцированные магнитосферы ненамагниченных планет также обеспечивают защиту от распыления и захвата ионов так же, как магнитосферы намагниченных планет. Следовательно, вопреки тому, что считалось и сообщалось в прессе (Ахенбах, 2017), наличие сильного планетарного магнитного поля не обязательно защищает планету от потери атмосферы.

Они обнаружили, что со всеми этими осложнениями различных процессов убегания и различных ионизированных и нейтральных видов, все же для любой отдельной планеты скорость убегания ионов может превзойти скорость убегания нейтральных в раз.$\sim 4$. Достаточно ли этого, чтобы объяснить сохранение венерианской атмосферы и исчезновение марсианской? Думаю, нет. Есть еще один фактор, который мы до сих пор игнорировали.

6. Планетарная масса

Чтобы завершить эту историю побега, я хочу вернуться к началу своего ответа, где я был счастлив, что вы упомянули Венеру. Это связано с тем, что Марс и Венера образуют небольшой набор почти идентичного тематического исследования выхода из атмосферы. Различаются только два фактора, в то время как сравнивать любые другие две планеты Солнечной системы гораздо сложнее.

Ради сравнения Марса и Венеры с нулевым порядком можно сказать, что их атмосферы имеют одинаковый состав, который в основном состоит из$\rm CO_2$, как вы уже сказали. Оба не имеют собственного магнитного поля. Затем Венера имеет более горячую экзосферу, более сильные условия солнечного ветра, но все же каким-то образом способна удерживать атмосферу, масса которой в несколько тысяч раз превышает массу марсианской.

Если мы теперь добавим к нашей точке зрения, что магнитное поле не играет такой огромной роли в удержании атмосфер, то единственным оставшимся параметром, который различается между Марсом и Венерой, является масса, которая отличается примерно в 10 раз.
Фактор 10 здесь важен, потому что если мы сейчас переходим к планетам с 10 массами Земли, то уже попадаем в режим Ледяных гигантов Урана и Нептуна, способных удерживать свой нейтральный водород.
Понять это сравнительно просто, так как тотель, ускользающий от потока$\Phi_0$является интегралом хвоста Максвелла-Больцмана, который очень грубо выглядит как

$$\Phi_0 \sim n(z_{\rm exo}) \cdot v_{\rm rms} \cdot \left( \frac{v_{\rm esc}^2}{v_{\rm rms}^2} + 1 \right) \cdot \exp(-\frac{v_{\rm esc}^2}{v_{\rm rms}^2})$$ (источник: Коутс , или проблемы с домашним заданием...) где$n(z_{\rm exo})$- плотность численности вида на высоте экзосферы,$v_{\rm esc} = \sqrt{2GM/R}$скорость убегания планеты с$M$масса и$R$радиус и$v_{\rm rms} = \sqrt{2 kT_{\rm exo}/m}$- среднеквадратичное значение скорости МБ-распределения при заданной экзосферной температуре$T_{\rm exo}$для данной средней молекулярной массы$m$. Так как здесь задействован экспоненциальный фактор, скорость побега Джинса должна быстро возрастать по мере того, как планетарная масса уменьшается. Таким образом, поскольку скорости ускользания ионов в несколько раз превышают нейтральные, даже если они доминируют над ускользанием, они все равно связаны с экспоненциальной функцией.

Дополнительную информацию также можно найти в этой , немного более старой статье тех же авторов, что и в статье Занле, где они также немного рассуждают о побеге с экзопланет и о роли атмосферной химии в этом эффекте.

Резюме

Скорость ускользания ионных частиц может преобладать над скоростью ускользания нейтральных частиц. Однако скорость убегания ионов не так сильно, как можно было бы подумать, реагирует на присутствие магнитного поля. Это приводит к интересной картине, что присутствие магнитного поля является лишь эффектом второго порядка для определения скоростей убегания.

В этом случае доминирующим параметром является просто глубина гравитационного колодца планеты, из которого ионам необходимо выбраться. Скорость убегания экспоненциально зависит от массы планеты в зависимости от молекулярного веса и доступной тепловой энергии на экзобазе, это то, что наиболее сильно определяет скорость убегания.

Благородные газы и их истощение, возможно, могут разрешить некоторые загадки прошлого Земли, в то же время сообщая нам, сколько водорода ушло с Земли.
По мере развития технологий мы, возможно, когда-нибудь сможем решить те же вопросы для Марса и Венеры, но пока этого нет.

Это был длинный разглагольствования, пожалуйста, скажите мне, если что-то неясно.