Perché l'atmosfera terrestre è così sottile?

Venere è leggermente più leggera della Terra, ma ha un'atmosfera molto più densa. Si potrebbe immaginare che quanto segue dovrebbe essere vero:

1. Durante la fase di formazione, tutti i pianeti interni avevano catturato tutto il gas che potevano contenere per equilibrio gravitazionale / termodinamico. Dopotutto, anche Marte è riuscito a catturare un'atmosfera considerevole.
2. Il tasso di fuga atmosferica dovrebbe essere molto più alto per Venere:
   • Venere riceve più calore dal sole, quindi un tasso di fuga dei jeans più elevato
   • Venere ha un campo magnetico trascurabile, quindi parte della sua atmosfera deve essere persa per dirigere il "deflusso" del vento solare

Tuttavia, è la Terra che apparentemente manca molto del volume atmosferico. Quindi la domanda è: quali sono le attuali teorie sul "diradamento" dell'atmosfera terrestre? Quando e perché i gas atmosferici avevano lasciato il pianeta?

La risposta breve: i gas atmosferici non hanno mai lasciato la Terra, ci sono dentro !

La lunga risposta a questa domanda non riguarda solo gli stati attuali dei pianeti, ma piuttosto i processi che li hanno condotti lì. Cominciamo dall'inizio (un ottimo punto di partenza).

I primissimi anni

Quando il nostro sistema solare ha iniziato a formarsi 4,6 miliardi di anni fa, la maggior parte della massa dalla porzione collassata di una nuvola molecolare (vedi ipotesi nebulosa ) raccolta al centro per formare il Sole. La massa che non è crollata nel Sole ha lasciato un disco protoplanetario - una nuvola di polvere e gas - che circonda la nuova stella. A poco a poco, le particelle di polvere iniziarono a riunirsi per accrescimento, attirando sempre più particelle in pianeti alle prime armi.

Vicino al Sole, dove risiedono Venere e la Terra, faceva troppo caldo perché molte particelle si condensassero, quindi i pianeti in questa regione si sono formati con metalli e silicati, che hanno alti punti di fusione. Questo è il motivo per cui i quattro pianeti nel Sistema Solare interno sono chiamati pianeti "rocciosi" o "terrestri". Le prime atmosfere su questi pianeti iniziarono a formarsi con la graduale raccolta di gas dalla nebulosa solare, principalmente idrogeno.

Riccioli d'oro e i due pianeti

A questo punto nell'evoluzione dei due pianeti, sembravano abbastanza simili, ma c'è una grande differenza: la distanza dal Sole. Sembra che la Terra abbia avuto la fortuna di trovarsi nella "zona dei riccioli d'oro", dove la temperatura è giusta per sostenere la vita. Essere in questa zona ha due importanti implicazioni: acqua liquida e, di conseguenza, tettonica a zolle attive. (Vedi questo articolo per una visione approfondita del perché i due sono correlati.)

Pozzi di carbonio

Sulla Terra, c'è una notevole quantità d'acqua contenuta negli oceani liquidi. Su Venere, non è così. Fa semplicemente troppo caldo vicino al sole, quindi tutta l'acqua è evaporata nell'atmosfera. (Probabilmente Venere conteneva acqua liquida nelle sue fasi iniziali, ma tutto evaporò dopo circa un miliardo di anni.) È anche probabile che la giovane Terra un tempo avesse un'atmosfera densa e punitiva come quella di Venere oggi. Tuttavia, gli oceani di superficie e la tettonica a zolle forniscono entrambi ampi percorsi per l'assorbimento dei gas nella superficie della Terra. La tettonica degli oceani e delle placche offre enormi quantità di stoccaggio del carbonato, consentendo il trasferimento e l'equilibrio dei composti del carbonio da e verso l'atmosfera.

Quindi ora abbiamo due cose che rafforzano le differenze tra le atmosfere della Terra e di Venere:

• Evaporazione di acqua liquida : Fa troppo caldo su Venere perché esista acqua liquida. Tutta l'acqua è evaporata, creando un'atmosfera più densa. Sulla Terra, l'acqua può risiedere sulla superficie, diminuendo la quantità nell'atmosfera.
• Pozzi di assorbimento del carbonio : l'acqua tettonica delle placche e dell'acqua liquida consentono alla Terra di assorbire notevoli quantità di gas, permettendo all'atmosfera di diluirsi di alcuni composti come l'anidride carbonica. Non esiste un tale percorso su Venere, costringendo tutto il gas a rimanere nell'atmosfera.

Senza i principali meccanismi di assorbimento dei gas da parte del pianeta, Venere sta sperimentando un effetto serra in fuga.

Fuga atmosferica

Hai citato la fuga di Jeans. È vero che questo effetto è maggiore a temperature più elevate; tuttavia, è molto più facile per le molecole più piccole fuggire che per quelle più grandi. L'idrogeno e l'elio, essendo i due elementi più piccoli, sono i più colpiti da questo fenomeno. In confronto, l'anidride carbonica, che costituisce la maggior parte dell'atmosfera di Venere, non è molto influenzata dalla fuga di Jeans.

Parli anche dei venti solari. Mentre questi svolgono un effetto, specialmente sui pianeti senza un campo magnetico, questo fenomeno non è così potente come si potrebbe pensare. La luce ultravioletta (cioè la radiazione fotoionizzante) provoca la ionizzazione nella regione più alta dell'atmosfera. Queste particelle cariche ora formano un guscio (chiamato ionosfera) che devia i venti solari, proprio come farebbe un campo magnetico. Su Venere, l'atmosfera densa fornisce più particelle per la ionizzazione, con conseguente deflessione più potente. (Confronta questo con Marte, dove il vento solare è il principale meccanismo di fuga non termica a causa della sottile atmosfera con poche particelle ionizzate.)

Il principale meccanismo di fuga atmosferica per Venere è in realtà un po 'più complicato. In assenza di un campo magnetico, è più facile sfuggire alle particelle cariche. In particolare, gli elettroni sono più sensibili a causa della loro piccola massa. Man mano che gli elettroni fuggono, la carica netta della ionosfera si appoggia in positivo, causando l'espulsione di ioni positivi, principalmente H ⁺ .

Conclusione

Mentre la Terra e Venere si formarono allo stesso modo, la Terra ebbe fortuna. Ha percorsi per rimuovere i gas dall'atmosfera, mentre Venere no. Inoltre, i due pianeti non subiscono tassi significativamente diversi di fuga atmosferica. Ciò si traduce nelle densità atmosferiche che oggi conosciamo: 66 kg / m ³ per Venere e solo 1,2 kg / m ³ per la Terra.

Penso che la risposta di dpwilson sia eccellente e l'ho votata a favore, ma volevo pubblicare questo grafico con la vecchia foto vale più di mille parole.

Venere è leggermente più leggera della Terra, ma ha un'atmosfera molto più densa. Si potrebbe immaginare che quanto segue dovrebbe essere vero:

Durante la fase di formazione, tutti i pianeti interni avevano catturato tutto il gas che potevano contenere per equilibrio gravitazionale / termodinamico. Dopotutto, anche Marte è riuscito a catturare un'atmosfera considerevole.

Può essere. Ma durante il primo sistema solare, una volta che il sole si è formato e inizia a pompare luce e bagliori solari (e il primo sole era probabilmente molto più attivo nel sparare bagliori solari in parte a causa di una rotazione più veloce), un fattore chiave da considerare è la linea del gelo - che è ben oltre la terra.

Quindi, 1 di 2 cose possono accadere nella prima formazione del sistema solare. Uno, i pianeti formano e raccolgono ghiacci e gas disponibili prima che il sole inizi a sciogliersi / spingendo via qualsiasi ghiaccio e gas all'interno della linea di gelo, o 2, il sole si forma per primo ei pianeti interni hanno pochissimo gas e acqua mentre si formano . Vengono bombardati dall'idrogeno espulso dal sole, ma per lo più i pianeti interni non sono bravi a trattenere questo idrogeno. Nel 2 ° scenario, qualsiasi atmosfera e acqua che ottengono dovrebbero provenire da impatti di comete.

La prima atmosfera dei pianeti interni era principalmente CO2, CH4, NH3 forse qualche N2. Se Venere fosse colpita da un paio di comete in più, questo da solo lo spiegherebbe e non è statisticamente irragionevole. Ora, non sto dicendo che è quello che è successo, solo che è possibile. Venere conserva gran parte della sua CO2, ma potrebbe perdere nel tempo la maggior parte di H20, CH3, NH3, forse N2 se presente, portando all'atmosfera per lo più di CO2 che ha oggi.

È anche teoricamente possibile che il gigantesco impatto che ha formato la luna abbia spazzato via gran parte della prima atmosfera della Terra. (non certo, ma l'enorme aggiunta di calore e rotazione, è possibile).

Nella tabella sopra, suggerisce che Venere non perderà molto H20, ma altre carte hanno Venere più vicino alla linea H20. (google pianeti di velocità di fuga del gas per più grafici)

Il tasso di fuga atmosferica dovrebbe essere molto più alto per Venere: Venere riceve più calore dal sole, quindi un tasso di fuga di Jeans più alto Venere ha un campo magnetico trascurabile, quindi parte della sua atmosfera deve essere persa per dirigere il "deflusso" del vento solare

Questo è vero. Potrebbe ben spiegare perché Venere abbia così poca acqua che è comune nel sistema solare. Ma sul tuo ultimo punto, Venere ha un campo magnetico indotto - vedi qui . dpwilson lo ha spiegato in modo più dettagliato.

Tuttavia, è la Terra che apparentemente manca molto del volume atmosferico. Quindi la domanda è: quali sono le attuali teorie sul "diradamento" dell'atmosfera terrestre? Quando e perché i gas atmosferici avevano lasciato il pianeta?

Credo che ci sia ancora incertezza su come fosse l'atmosfera terrestre miliardi di anni fa. Potrebbe essere iniziato con un'atmosfera ancora più densa di quella attuale di Venere, ma è difficile saperlo con certezza (almeno, nulla di ciò che ho letto suggerisce certezza sull'argomento).

Vale la pena sottolineare che carbone, petrolio e gas naturale non si formano naturalmente, ma sono il prodotto di piante morte e vita marina sepolte da centinaia di milioni di anni. Inoltre, molte delle rocce che vediamo intorno a noi contengono ossigeno. Il granito ha ossigeno, per esempio. (Non c'è, o almeno, pochissimo granito su Venere). L'assorbimento dell'atmosfera da parte della vita sulla terra e il legame dell'ossigeno con i minerali oceanici di superficie e disciolti probabilmente hanno giocato un ruolo enorme nel diradare l'atmosfera terrestre. La vita sulla terra, da sola, potrebbe essere sufficiente a spiegare la differenza tra l'atmosfera terrestre e l'atmosfera di Venere.

comete:

1) Le comete erano più grandi. Ogni passaggio vicino al sole, le comete si restringono. Inoltre, non è solo comete, è luna ghiacciata come oggetti e asteroidi, che, quando Giove emigrò e avvenne il bombardamento tardivo, alcuni di questi avrebbero potuto essere abbastanza grandi.

Vedi: qui e qui e qui .

Inoltre, non l'ho detto come definitivo, ho detto che era possibile che gran parte dell'atmosfera di Venere provenisse da un grande sciopero delle comete.

Sembra che esistano sorprendentemente poche solide teorie sul perché la Terra e Marte siano riusciti a perdere la maggior parte dei loro gas atmosferici, mentre Venere era riuscita a conservare un'atmosfera magnifica.

Una teoria plausibile fu avanzata da un importante chimico Octave Levenspiel et alii, basato sulla vecchia ricerca sovietica sulla composizione della crosta terrestre condotta negli anni '50 (non riuscivo a trovare alcun aggiornamento sostanziale al modello di composizione della crosta sviluppato da allora).

A colpo d'occhio, la teoria funziona come segue:

1. La Terra si era formata con un'atmosfera simile o più densa di quella venusiana. Il suo ingrediente più abbondante avrebbe dovuto essere CO2 (analogamente a Venere e Marte).
2. L'atmosfera terrestre è riuscita a raffreddarsi abbastanza da consentire all'acqua di iniziare a condensare in fase liquida. L'esatto meccanismo per questo non è del tutto chiaro per me (nonostante la zona dei riccioli d'oro) perché l'atmosfera calda e densa di CO2 / H2O avrebbe dovuto causare un importante effetto "serra", impedendo il raffreddamento della superficie planetaria (a meno che i modelli di effetto "serra") sono troppo esagerati).
3. La CO2 atmosferica ha iniziato a dissolversi in acqua liquida (questo da solo rappresenterebbe una riduzione di circa il 50% della pressione parziale di CO2). L'acqua fortemente acida ha iniziato a erodere il calcio dalla crosta, dando il via al processo di formazione del calcare.
4. La vita emergente aveva accelerato il processo, sequestrando la restante CO2 atmosferica nel gigantesco calcare e depositi di carbone un po 'più piccoli.

Lo schema dettagliato della teoria può essere visto qui: http://pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

Speravo che alcune risposte qui potessero suggerire teorie alternative plausibili. In particolare:

1. La "tettonica a zolle" probabilmente non ha nulla a che fare con la composizione e i parametri dell'atmosfera attuale. Per quanto ne so nessuno ha mai suggerito che il mantello possa riassorbire i gas dall'atmosfera - al contrario, i gas rilasciati da un mantello di raffreddamento attraverso un'attività vulcanica dovrebbero contribuire a un'atmosfera più densa (chiaramente, questo processo non ha mai aiutato Marte e non aiuta neanche tanto la Terra). I gas vulcanici sono per lo più composti da CO2 e vapore acqueo (fino al 90% in massa), mentre quelle due sostanze sono appena presenti nell'atmosfera moderna (CO2 - ~ 350ppm, vapore - 0,4%, principalmente dall'evaporazione non correlata al riciclaggio vulcanico) .
2. Le comete sono oggetti relativamente liti (una cometa decente pesa 10000-100000 volte meno di persino un'atmosfera terrestre sottile e attuale) con bassa densità. L'elevato impatto di energia cinetica di una cometa con un pianeta molto probabilmente porterà alla fuga della maggior parte dei gas contenuti nella cometa nello spazio (e il riscaldamento ad impatto aggiungerà anche alcuni dei gas planetari alla miscela in fuga - un processo noto come "erosione da impatto "). Si ritiene da tempo che non sia possibile un sostanziale trasferimento di materia tra comete e pianeti ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. "Atmosfera sottile precoce" - l'atmosfera che viene erosa o persa poco dopo la formazione della Terra (Luna) non è plausibile per l'ovvia ragione: da dove proviene il calcare / carbone? Se l'atmosfera terrestre è stata persa e poi riempita attraverso l'attività tettonica, questo ci riporta a una domanda originale.