Ilmakehän pakokaasu

Poistoilma on kaasun häviämisen globaalin ilman kohti avaruudessa . Tämä prosessi on muuttanut ratkaisevasti aurinkokunnan useiden kappaleiden ilmakehän koostumusta  : suurimman osan Marsin ilmakehästä katoaminen tekee tästä planeetasta autiomaisen ja steriilin maailman, vedyn evakuointi ilmakehästä. Maanpäällinen, joka sallii elämän ilmestymisen, veden katoaminen Venuksen ilmakehästä tuleva höyry myötävaikuttaa tälle planeetalle ominaiseen kasvihuoneilmiöön . Useat mekanismit todennäköisesti edistävät ilmakehän paeta. Niiden vaikutukseen vaikuttavat pääasiassa planeetan massa ja magneettikentän läsnäolo. Kaksi avaruuslentoja -  Maven käynnistämän NASA vuonna 2013, ja exomars Trace Gas Orbiter on Euroopan avaruusjärjestön (käynnistetään suunniteltuja 2018) - ovat omistettu paikan päällä tutkimus ja paeta Marsin kaasukehä.

Lämpöpoistomekanismit

Yksi klassisista lämpöpoistomekanismeista on Jeans-pakokaasu. Määränä, joka on kaasua , keskimääräinen nopeus on molekyyli määritetään lämpötila , mutta nopeus yksittäisten molekyylien vaihtelee jatkuvasti, koska ne törmäävät toisiinsa, hankkimalla tai menetys kineettistä energiaa .

Marsin tapauksessa käytettävissä olevat tiedot mahdollistivat useiden mekanismien tunnistamisen, jotka olisivat voineet johtaa planeetan ilmakehän paeta ilmakehän planeettojen väliseen avaruuteen. UV- säteily ja aurinkotuulen muuttaa atomien ja molekyylien Marsin ylemmän ilmakehässä, joka oli alun perin sähköisesti neutraaleja, tulee varautuneita hiukkasia (ioneja). Sähkökenttä tuottama aurinkotuulen voi sitten toimia niitä ja ajaa ne ulos avaruuteen. Aurinkotuuli voi myös lämmittää ylemmän ilmakehän molekyylejä, jotka sitten pääsevät Marsin painovoimasta. Mutta tulivuorenpurkaukset tapahtuivat myöhemmin, ja niiden olisi pitänyt palauttaa ilmakehä. Sen katoaminen voi johtua useiden näiden mekanismien yhdistelmästä. Työn aikana toimivat pakokaasumekanismit voidaan ryhmitellä kahteen luokkaan: lämpöpoisto ja muu kuin lämpö.

Lämpöpoisto

Lämpöpakolaatikkoon on ilmiö, joka tapahtuu erittäin korkealla, yli exobase, että Exosphere (korkeudessa on suurempi yli kaksisataa kilometrin - on Mars), alue ilmakehässä, jossa hiukkaset eivät. Suoriteta käytännössä lisää törmäyksiä, johtuen jäännösilmakehän pieneen tiheyteen. Se johtuu kaasun hiukkasten normaalista sekoittamisesta termodynaamisessa tasapainossa.

Farkkujen pakoputki

Yksi klassisista lämpöpoistomekanismeista on Jeans-pakokaasu. Määränä, joka on kaasua , nopeus hiukkaset, jotka saavuttavat edellä exobase seurauksena yhteentörmäyksiä jaetaan satunnaisesti. Ne, joille on annettu suuri kineettinen energia , joiden nopeus on suurempi kuin pakenemisnopeus, ja ylöspäin suunnattu nopeusvektori, pakenevat vetovoiman. Tämän tyyppisiä hiukkasia täydennetään jatkuvasti ilmakehän alempien kerrosten hiukkasilla. Farkkujen poistumisella on merkittävä rooli vain kevyimmille hiukkasille ( H , H 2 , D ). Planeetan vapautumisnopeus (suhteessa sen massaan) määrää farkkujen pakokaasujen vaikutuksen ilmakehään. Kaasujätti planeettojen tapauksessa tämä vaikutus on nolla, kun taas Marsilla se on merkittävä.

Marsin tapauksessa se on etukäteen mekanismi, joka selittää suurimman osan neutraalin (ionisoimattoman) vedyn menetyksen. Siltä osin kuin tämä vety tulee vedestä, vedyn poistumistutkimus sulautuu Marsin veden katoamisen tutkimukseen.

Hydrodynaaminen pakokaasu

Tämä pakeneminen on rajatyö farkkujen pakenemisesta, jossa vedyn karkottaminen planeettojen väliseen avaruuteen johtaa raskaampien lajien. Sillä ei ole merkittävää roolia vasta planeetan historian alussa, jolloin varhaisessa ilmakehässä oli runsaasti vetyä.

Muut kuin termiset pakoputket

Kemiallinen paeta

Tietyt ilmakehässä tapahtuvat eksotermiset kemialliset reaktiot tuottavat liikaa kineettistä energiaa, joka siirtyy atomiin. Kun nämä reaktiot tapahtuvat eksobassin lähellä alueella, jolla tiheys on riittävä törmäysten esiintymiseen, mutta jossa se on riittävän alhainen, jotta hiukkasten hankkima energia ei haihtu uusissa törmäyksissä ( termisoituminen ), osa atomista karkotetaan kohti eksosfääriä ovat hankkineet tarpeeksi energiaa ja siksi nopeutta paeta planeettojen väliseen avaruuteen.

Ioninen paeta

Tämäntyyppinen paeta koskee ionisoituja hiukkasia (atomeja tai molekyylejä) . Nämä ovat peräisin Marsin ilmakehän kahdelta alueelta: eksosfääristä ja eksobaseen alapuolelta olevasta alemmasta ionosfääristä. Eksosfäärissä ioneja tuotetaan sähköisesti neutraaleista atomeista tai molekyyleistä. Sitten aurinkotuuli kiihdyttää niitä ja saavuttaa riittävän nopeuden välttääkseen Marsin vetovoiman. Tämä prosessi koskee pääasiassa H + - ja O + -ioneja . Marsin alemmassa ionosfäärissä tuotetut ionit puolestaan ​​pääsevät eksobaseen diffuusiolla, ja sitten aurinkotuuli kiihdyttää niitä ja joillekin heistä karkotetaan planeettojen väliseen ympäristöön. Kyseiset hiukkaset ovat pääasiassa O 2: ta+ , CO 2+ ja O + .

Seulonta

Kaikki kiihdytetyt ionit eivät pääse Marsin ilmakehästä, mutta joillakin niistä on lentorata, joka koskettaa ilmakehää ja törmää lopulta muihin hiukkasiin. Ne aiheuttavat molekyylien puhkeamisen ja sitten energian siirtämisen atomeihin (C, N, O, Ar ...), jotka joissakin tapauksissa saavuttavat riittävän nopeuden paeta Marsin vetovoima.

Meteoriittien rooli

Marsin tapauksessa maa on säilyttänyt isojen asteroidien törmäysjäljet, jotka loivat lähes kaksikymmentä tuhatta kilometriä halkaisevaa kraatteria. Näihin vaikutuksiin liittyvä iskuaalto olisi voinut myös ajaa suurta osaa Marsin ilmakehästä. Tällä mekanismilla olisi voinut olla tärkeä rooli Noachian aikana, kun kaikki sisäiset planeetat kokivat intensiivisen meteoriittipommituksen ( suuri myöhäinen pommitus ). Tämä ilmiö voi johtua suuren osan CO 2: n katoamisesta Maaliskuussa.

Hallitsevat ilmakehän paeta prosessit maapallolla

Maapallo on liian suuri menettääkseen merkittävän osan ilmakehästä farkkujen pakokaasujen kautta. Menetysnopeus on tällä hetkellä noin kolme kilogrammaa (3  kg ) vetyä ja viisikymmentä grammaa (50  g ) heliumia sekunnissa. Exosphere on korkealla alueella, jossa ilmakehän tiheys on riittävän alhainen, että Farkut paeta voi esiintyä. Farkkujen pakolaskelmat, jotka suoritettiin 1800  K: n eksosfäärilämpötilalla, osoittavat, että O + -ionien pienentäminen kertoimella e (2,718 ...) veisi melkein miljardin vuoden. 1800  K: n lämpötila on korkeampi kuin eksosfäärin todellinen havaittu lämpötila; eksosfäärin todellisessa keskilämpötilassa O + -ionien lasku standardikertoimella e ei tapahtuisi yli tuhannen miljardin vuoden aikana. Lisäksi suurin osa maapallon hapesta on sitoutunut O 2 -molekyyleihin , jotka ovat liian massiivisia paeta maasta Jeansin pakokaasujen kautta.

Maan magneettikenttä suojaa sitä aurinkotuulelta ja estää ionien pääsyn paitsi magneettisten napojen lähellä, joissa varautuneiden hiukkasten virtaus lähtee maasta magneettikentän viivoja pitkin. Tämä virtaus on tärkein, ja kun laskemme kaikki tärkeät pakoprosessit, havaitsemme, että magneettikenttä ei suojaa ilmakehän paeta-planeettaa. Maan painovoima estää muita ei-lämpöhäviöprosesseja heikentämästä merkittävästi ilmakehää.

Maapallon ilmakehä on kuitenkin lähes kaksi suuruusluokkaa vähemmän tiheä kuin Venuksen pinta. Tämä johtuu maapallon lämpötilajärjestelmästä, H 2 O: staja CO 2erotetaan (vastaavasti) hydrosfäärissä ja litosfäärissä . Vesihöyryn osapainetta rajoittaa tasapaino valtamerien nestemäisen veden kanssa, mikä vähentää huomattavasti mahdollista ilmakehän tiheyttä. Kanssa veden kiertokulku on maan pinnalla, CO 2 poistuu jatkuvasti ilmakehästä ja eristetään sedimenttikivissä.

Jotkut arvioinnit osoittavat, että lähes kaikki hiili maapallolla sisältyy sedimenttikivet , ilmakehän osa CO 2on noin 1/250000 : nnen CO 2maapallolla. Jos nämä kaksi säiliötä päästettäisiin ilmakehään, se olisi jopa tiheämpi kuin Venuksen ilmakehä. Siksi maapallon ilmakehän hallitseva "häviämisen" mekanismi ei ole paeta avaruuteen, vaan sitominen.

Huomautuksia ja viitteitä

  1. "  Atmospheric escape process  " , Astrofysiikan ja planetologian tutkimuslaitos (käytetty 17. marraskuuta 2013 )
  2. (in) "  MAVEN-operaatio tutkia kuinka aurinko varastaa Marsin ilmakehää  " , NASA,10. toukokuuta 2010
  3. Esitys operaation lehdistölle , s.  9
  4. Chauffray 2007 , s.  31
  5. Chauffray 2007 , s.  31-32
  6. Chauffray 2007 , s.  32
  7. Chauffray 2007 , s.  33
  8. (en) David C. Catling ja Kevin J. Zahnle, The Planetary Air Leak , Scientific American , toukokuu 2009, s. 26 (käytetty 25. heinäkuuta 2012).
  9. (in) Space Studies Board, Division of Engineering ja fysikaalisten tieteiden on, "  tunnelmia Mars ja Venus  " , tiedeakatemian Press,15. tammikuuta 1961.
  10. H. Gunell , R. Maggiolo , H. Nilsson , G. Stenberg Wieser , R. Slapak , J. Lindkvist , M. Hamrin ja J. De Keyser : "  Miksi sisäinen magneettikenttä ei suojaa planeettaa ilmakehän paeta vastaan  " , Astronomy and Astrophysics , voi.  614,2018, s.  L3 ( DOI  10,1051 / 0004-6361 / 201832934 , Bibcode  2018A & A ... 614L ... 3G )

Lähteet

  • [MAVEN-operaation esittely MEPAG: ssa] (en) Bruce Jakosky , Joseph Grebowsky ja David Mitchell , The 2013 Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) Mission: Presentation to the Mars Exploration Program Analysis Group (MEPAG) , NASA,28. helmikuuta 2012, 63  Sivumäärä ( lue verkossa )Artikkelin kirjoittamiseen käytetty asiakirjaAsiakirja, joka esittelee tehtävää MEPAG: n tieteellisen kongressin puitteissa (helmikuu 2012)
  • [Lähetyslehden esitys] (en) NASA, Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (MAVEN) Press kit: Exploring mars's weather history , NASA,Marraskuu 2013, 40  Sivumäärä ( lue verkossa )Artikkelin kirjoittamiseen käytetty asiakirjaLaukaisua varten laadittu virallinen NASA-asiakirja, joka esittelee MAVEN-operaation
  • Jean-Yves Chaufray , Tutkimus Marsin eksosfääristä ja veden paeta: UV-tietojen mallintaminen ja analysointi SPIcamista (opinnäytetyö) , Université Pierre et Marie Curie Paris VI,24. syyskuuta 2007, 254  Sivumäärä ( lue verkossa )Artikkelin kirjoittamiseen käytetty asiakirja

Katso myös

Aiheeseen liittyvät artikkelit

Ulkoinen linkki