Улетучивание и эволюция атмосферы

Как формируются, теряются в космосе и трансформируются планетарные атмосферы на протяжении миллиардов лет, определяя климат и обитаемость.

Definition

Улетучивание и эволюция атмосферы — это исследование того, как планетарные атмосферы возникают, изменяют свой состав и теряют газ в космос на протяжении геологического времени.

Scope

Эта тема охватывает происхождение и долгосрочную эволюцию планетарных атмосфер, а также процессы, посредством которых они улетучиваются в космос. Она рассматривает такие источники, как дегазация и доставка ударными телами, такие стоки, как термическое улетучивание, гидродинамическое улетучивание, фотохимическое и ионное улетучивание, а также ударная эрозия, а также диагностическую роль изотопного фракционирования, которое остается после улетучивания. Примеры включают потерю ранней атмосферы Марса, безудержную потерю воды на Венере и улетучивание атмосферы с близкорасположенных экзопланет.

Core questions

• Какие процессы позволяют атмосферным газам преодолевать гравитацию планеты?
• Как дегазация, доставка и улетучивание в совокупности формировали и истощали атмосферы?
• Что изотопное фракционирование говорит о прошлой потере атмосферы?
• Как улетучивание контролирует долгосрочный климат и обитаемость планеты?

Key theories

Термическое и гидродинамическое улетучивание

Газ может улетучиваться, когда атомы в верхних слоях атмосферы достигают скорости убегания индивидуально (улетучивание Джинса) или когда интенсивный нагрев вызывает объемный гидродинамический отток, который уносит даже тяжелые частицы.

Нетепловое и ионное улетучивание

На ненамагниченных планетах солнечный ветер срывает ионы из верхних слоев атмосферы — процесс, измеренный на Марсе, который помогает объяснить потерю его ранней атмосферы.

Изотопное фракционирование как запись потерь

Поскольку более легкие изотопы улетучиваются предпочтительно, обогащение тяжелыми изотопами в атмосфере фиксирует кумулятивное количество газа, потерянного за историю планеты.

Mechanisms

Атмосферы получают газ в результате вулканической дегазации и доставки ударными телами и теряют его через несколько каналов улетучивания: термическое улетучивание легких атомов, гидродинамический срыв при сильном нагреве, фотохимические реакции, которые заряжают атомы энергией, и срыв ионов солнечным ветром там, где планета не защищена магнитным полем. Предпочтительная потеря легких изотопов оставляет измеримый отпечаток прошлого улетучивания.

Clinical relevance

Улетучивание атмосферы определяет, сохранит ли планета воздух и воду, необходимые для обитаемости, и объясняет расходящиеся судьбы Венеры, Земли и Марса, а также эволюцию близкорасположенных экзопланет.

History

Физика улетучивания атмосферы развивалась на протяжении 20-го века от теории термического улетучивания Джинса до моделей гидродинамических и нетепловых потерь. Измерения миссии MAVEN в 2010-х годах количественно определили продолжающееся улетучивание ионов с Марса и использовали изотопы для оценки общей потери его атмосферы, в то время как наблюдения за испаряющимися горячими атмосферами экзопланет расширили эту область за пределы Солнечной системы.

Debates

Как Марс потерял свою раннюю атмосферу

Относительный вклад улетучивания в космос по сравнению с секвестрацией в кору в удалении некогда более плотной атмосферы Марса все еще количественно оценивается.

Key figures

• David Catling
• James Kasting
• Bruce Jakosky
• Donald Hunten

Seminal works

• catlingkasting2017
• jakosky2017

Frequently asked questions

Как планеты теряют свои атмосферы?

Газ может испаряться, когда верхние слои атмосферы горячие, сдуваться интенсивным излучением или срываться солнечным ветром, особенно на малых или ненамагниченных планетах.

Почему улетучивание атмосферы важно для жизни?

Потеря слишком большого количества атмосферы может высушить и охладить планету, удалив воздух и жидкую воду, необходимые для жизни, как это, по-видимому, произошло с Марсом.