Sự thoát và tiến hóa của khí quyển

Các khí quyển hành tinh được hình thành, mất đi vào không gian và biến đổi như thế nào qua hàng tỷ năm, định hình khí hậu và khả năng sinh sống.

Definition

Sự thoát và tiến hóa của khí quyển là nghiên cứu về cách khí quyển hành tinh hình thành, thay đổi về thành phần và mất khí vào không gian theo thời gian địa chất.

Scope

Chủ đề này bao gồm nguồn gốc và sự tiến hóa dài hạn của khí quyển hành tinh cũng như các quá trình mà chúng rò rỉ vào không gian. Nó đề cập đến các nguồn như sự thoát khí và sự cung cấp do va chạm, các cơ chế mất đi như sự thoát nhiệt, sự thoát thủy động lực học, sự thoát quang hóa và ion, và sự xói mòn do va chạm, cũng như vai trò chẩn đoán của sự phân đoạn đồng vị mà sự thoát để lại. Các trường hợp nghiên cứu bao gồm sự mất đi của khí quyển sơ khai của Sao Hỏa, sự mất nước không kiểm soát trên Sao Kim, và sự thoát khí quyển từ các ngoại hành tinh gần ngôi sao chủ.

Core questions

• Những quá trình nào cho phép các khí quyển thoát khỏi lực hấp dẫn của một hành tinh?
• Sự thoát khí, sự cung cấp và sự thoát khí đã kết hợp như thế nào để hình thành và làm cạn kiệt khí quyển?
• Sự phân đoạn đồng vị ghi lại điều gì về sự mất khí quyển trong quá khứ?
• Sự thoát khí kiểm soát khí hậu dài hạn và khả năng sinh sống của một hành tinh như thế nào?

Key theories

Thoát nhiệt và thủy động lực học

Khí có thể thoát ra khi các nguyên tử trong khí quyển cao đạt vận tốc thoát riêng lẻ (thoát Jeans) hoặc khi sự gia nhiệt mạnh mẽ tạo ra một dòng chảy thủy động lực học lớn kéo theo cả các loài nặng.

Thoát phi nhiệt và ion

Trên các hành tinh không có từ trường, gió mặt trời tước các ion khỏi khí quyển phía trên, một quá trình được đo tại Sao Hỏa giúp giải thích sự mất đi của khí quyển sơ khai của nó.

Sự phân đoạn đồng vị như một hồ sơ mất mát

Vì các đồng vị nhẹ hơn thoát ra ưu tiên, sự làm giàu các đồng vị nặng trong khí quyển ghi lại tổng lượng khí đã mất trong lịch sử của một hành tinh.

Mechanisms

Khí quyển thu nhận khí từ sự thoát khí núi lửa và sự cung cấp do va chạm và mất khí thông qua một số kênh thoát: sự thoát nhiệt của các nguyên tử nhẹ, sự thổi bay thủy động lực học dưới sự gia nhiệt mạnh, các phản ứng quang hóa làm tăng năng lượng cho các nguyên tử, và sự tước ion của gió mặt trời nơi không có từ trường bảo vệ hành tinh. Sự mất ưu tiên các đồng vị nhẹ để lại một dấu vết có thể đo được của sự thoát khí trong quá khứ.

Clinical relevance

Sự thoát khí quyển chi phối việc một hành tinh có giữ được không khí và nước cần thiết cho khả năng sinh sống hay không, và nó giải thích số phận khác nhau của Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa cũng như sự tiến hóa của các ngoại hành tinh gần ngôi sao chủ.

History

Vật lý về sự thoát khí quyển đã được phát triển trong suốt thế kỷ 20 từ lý thuyết thoát nhiệt của Jeans đến các mô hình mất mát thủy động lực học và phi nhiệt. Các phép đo của nhiệm vụ MAVEN vào những năm 2010 đã định lượng sự thoát ion đang diễn ra từ Sao Hỏa và sử dụng các đồng vị để ước tính tổng lượng khí quyển bị mất, trong khi các quan sát về khí quyển ngoại hành tinh nóng đang bay hơi đã mở rộng lĩnh vực này ra ngoài Hệ Mặt Trời.

Debates

Sao Hỏa đã mất khí quyển sơ khai của nó như thế nào

Những đóng góp tương đối của sự thoát vào không gian so với sự cô lập vào vỏ Trái Đất trong việc loại bỏ khí quyển từng dày hơn của Sao Hỏa vẫn đang được định lượng.

Key figures

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

Seminal works

• catlingkasting2017
• jakosky2017

Frequently asked questions

Các hành tinh mất khí quyển của chúng như thế nào?

Khí có thể sôi lên khi khí quyển phía trên nóng, bị thổi bay bởi bức xạ mạnh, hoặc bị gió mặt trời tước đi, đặc biệt trên các hành tinh nhỏ hoặc không có từ trường.

Tại sao sự thoát khí quyển lại quan trọng đối với sự sống?

Mất quá nhiều khí quyển có thể làm khô và làm lạnh một hành tinh, loại bỏ không khí và nước lỏng mà sự sống cần, như dường như đã xảy ra với Sao Hỏa.