การหลุดรอดและวิวัฒนาการของชั้นบรรยากาศ

การก่อตัว การสูญเสียสู่ห้วงอวกาศ และการเปลี่ยนแปลงของชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ตลอดระยะเวลาหลายพันล้านปี ซึ่งส่งผลต่อสภาพภูมิอากาศและความสามารถในการอยู่อาศัย

Definition

การหลุดรอดและวิวัฒนาการของชั้นบรรยากาศคือการศึกษาว่าชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์มีกำเนิดอย่างไร มีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบอย่างไร และสูญเสียก๊าซสู่อวกาศอย่างไรตลอดช่วงเวลาทางธรณีวิทยา

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงกำเนิดและวิวัฒนาการระยะยาวของชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ รวมถึงกระบวนการที่ทำให้ก๊าซรั่วไหลออกสู่อวกาศ โดยกล่าวถึงแหล่งกำเนิด เช่น การคายก๊าซและการนำส่งโดยการชน แหล่งสูญเสีย เช่น การหลุดรอดจากความร้อน (thermal escape), การหลุดรอดแบบไฮโดรไดนามิก (hydrodynamic escape), การหลุดรอดจากปฏิกิริยาเคมีแสงและไอออน (photochemical and ion escape), และการกัดเซาะจากการชน (impact erosion) รวมถึงบทบาทในการวินิจฉัยของการแยกส่วนไอโซโทป (isotopic fractionation) ที่การหลุดรอดทิ้งไว้ กรณีศึกษาประกอบด้วยการสูญเสียชั้นบรรยากาศยุคแรกของดาวอังคาร การสูญเสียน้ำอย่างรวดเร็วบนดาวศุกร์ และการหลุดรอดของชั้นบรรยากาศจากดาวเคราะห์นอกระบบที่โคจรใกล้ดาวฤกษ์

Core questions

• กระบวนการใดที่ทำให้ก๊าซในชั้นบรรยากาศสามารถหลุดรอดจากแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ได้?
• การคายก๊าซ การนำส่ง และการหลุดรอดรวมกันอย่างไรในการสร้างและทำให้ชั้นบรรยากาศลดลง?
• การแยกส่วนไอโซโทปบันทึกอะไรเกี่ยวกับการสูญเสียชั้นบรรยากาศในอดีต?
• การหลุดรอดควบคุมสภาพภูมิอากาศระยะยาวและความสามารถในการอยู่อาศัยของดาวเคราะห์ได้อย่างไร?

Key theories

การหลุดรอดจากความร้อนและไฮโดรไดนามิก

ก๊าซสามารถหลุดรอดได้เมื่ออะตอมในชั้นบรรยากาศสูงมีความเร็วหลุดพ้นเป็นรายบุคคล (การหลุดรอดแบบยีนส์) หรือเมื่อความร้อนสูงกระตุ้นให้เกิดการไหลออกของของไหลแบบไฮโดรไดนามิกที่พัดพาสสารที่หนักกว่าออกไปด้วย

การหลุดรอดแบบไม่ใช้ความร้อนและไอออน

บนดาวเคราะห์ที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก ลมสุริยะจะพัดพาไอออนออกจากชั้นบรรยากาศส่วนบน ซึ่งเป็นกระบวนการที่วัดได้บนดาวอังคารและช่วยอธิบายการสูญเสียชั้นบรรยากาศยุคแรกของดาวอังคาร

การแยกส่วนไอโซโทปเป็นบันทึกการสูญเสีย

เนื่องจากไอโซโทปที่เบากว่าจะหลุดรอดได้ง่ายกว่า การเพิ่มขึ้นของไอโซโทปหนักในชั้นบรรยากาศจึงบันทึกปริมาณก๊าซที่สูญเสียไปทั้งหมดตลอดประวัติศาสตร์ของดาวเคราะห์

Mechanisms

ชั้นบรรยากาศได้รับก๊าซจากการคายก๊าซจากภูเขาไฟและการนำส่งโดยการชน และสูญเสียก๊าซผ่านช่องทางการหลุดรอดหลายช่องทาง ได้แก่ การหลุดรอดจากความร้อนของอะตอมเบา การพัดพาแบบไฮโดรไดนามิกภายใต้ความร้อนสูง ปฏิกิริยาเคมีแสงที่ให้อะตอมมีพลังงาน และการหลุดลอกของไอออนจากลมสุริยะในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กป้องกันดาวเคราะห์ การสูญเสียไอโซโทปเบาที่เกิดขึ้นก่อนจะทิ้งร่องรอยที่สามารถวัดได้ของการหลุดรอดในอดีต

Clinical relevance

การหลุดรอดของชั้นบรรยากาศเป็นตัวกำหนดว่าดาวเคราะห์จะรักษาก๊าซและน้ำที่จำเป็นสำหรับการอยู่อาศัยไว้ได้หรือไม่ และอธิบายถึงชะตากรรมที่แตกต่างกันของดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร รวมถึงวิวัฒนาการของดาวเคราะห์นอกระบบที่โคจรใกล้ดาวฤกษ์

History

ฟิสิกส์ของการหลุดรอดของชั้นบรรยากาศได้รับการพัฒนาตลอดศตวรรษที่ 20 ตั้งแต่ทฤษฎีการหลุดรอดจากความร้อนของยีนส์ (Jeans's thermal-escape theory) ไปจนถึงแบบจำลองการสูญเสียแบบไฮโดรไดนามิกและแบบไม่ใช้ความร้อน (hydrodynamic and nonthermal loss) การวัดค่าของภารกิจ MAVEN ในช่วงปี 2010 ได้ระบุปริมาณการหลุดรอดของไอออนที่กำลังเกิดขึ้นจากดาวอังคาร และใช้ไอโซโทปเพื่อประมาณการสูญเสียชั้นบรรยากาศทั้งหมด ในขณะที่การสังเกตการณ์ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบร้อนที่กำลังระเหยได้ขยายขอบเขตของสาขาวิชานี้ออกไปนอกระบบสุริยะ

Debates

ดาวอังคารสูญเสียชั้นบรรยากาศยุคแรกไปได้อย่างไร

การมีส่วนร่วมสัมพัทธ์ของการหลุดรอดสู่อวกาศเทียบกับการกักเก็บไว้ในเปลือกโลกในการกำจัดชั้นบรรยากาศที่เคยหนาแน่นกว่าของดาวอังคารยังคงอยู่ระหว่างการหาปริมาณ

Key figures

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

Seminal works

• catlingkasting2017
• jakosky2017

Frequently asked questions

ดาวเคราะห์สูญเสียชั้นบรรยากาศได้อย่างไร?

ก๊าซสามารถระเหยออกไปได้เมื่อชั้นบรรยากาศส่วนบนร้อนจัด ถูกพัดพาออกไปโดยรังสีที่รุนแรง หรือถูกลมสุริยะพัดพาออกไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งบนดาวเคราะห์ขนาดเล็กหรือดาวเคราะห์ที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก

การหลุดรอดของชั้นบรรยากาศมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตอย่างไร?

การสูญเสียชั้นบรรยากาศมากเกินไปอาจทำให้ดาวเคราะห์แห้งและเย็นลง ทำให้ไม่มีอากาศและน้ำในสถานะของเหลวที่สิ่งมีชีวิตต้องการ ซึ่งดูเหมือนจะเกิดขึ้นกับดาวอังคาร