なぜ地球の大気はとても薄いのですか?


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金星は地球よりやや軽いですが、はるかに厚い大気を持っています。次のことが当てはまると想像するでしょう。

  1. 形成段階の間、すべての内部惑星は、重力/熱力学的平衡ごとに保持できる限り多くのガスを捕らえていました。結局のところ、貧弱な火星でさえかなりの雰囲気をとらえることができました。
  2. 金星では大気脱出の速度がはるかに高くなるはずです。
    • 金星は太陽からより多くの熱を受け取るため、より高いジーンズ脱出率
    • 金星の磁場はごくわずかなので、太陽風による「吹き飛ばし」を指示するには、その大気の一部を失う必要があります

それでも、一見すると大量の大気量を逃しているのは地球です。それで問題は、地球の大気の「薄化」に関する現在の理論は何ですか?いつ、なぜ、大気ガスが惑星を去ったのですか?

回答:


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短い答え:大気中のガスは決して残っていない、彼らはしている、地球のに!

この質問に対する長い答えは、惑星の現在の状態だけではなく、惑星をそこに導いたプロセスについてです。最初から始めましょう(開始するには非常に良い場所です)。

非常に早い年

46億年前に太陽系が形成され始めたとき、分子雲の崩壊した部分(星雲仮説を参照)の質量のほとんどが中心に集まり、太陽を形成していました。太陽に崩壊しなかった質量は、新しい星を取り巻く原始惑星系円盤(塵とガスの雲)を残しました。次第に、ダスト粒子は降着によって集まり始め、より多くの粒子を駆け出しの惑星に引き付けます。

金星と地球の両方が存在する太陽の近くでは、多くの粒子が凝縮するには暑すぎたため、この地域の惑星は、融点の高い金属とケイ酸塩で形成されていました。これが、内側の太陽系の4つの惑星が「ロッキー」または「地球」惑星と呼ばれる理由です。これらの惑星の最も初期の大気は、太陽系星雲からのガス、主に水素の段階的な収集によって形成され始めました。

ゴルディロックスと2つの惑星

2つの惑星の進化のこの時点では、それらはかなり似ていますが、大きな違いが1つあります。それは、太陽までの距離です。地球は幸運なことに、温度が生命を維持するのにちょうどいい「ゴルディロックスゾーン」にいるようです。このゾーンにいることには2つの大きな意味があります。液体水と、結果としてアクティブプレートテクトニクスです。(2つが関連している理由の詳細については、この記事を参照してください。)

カーボンシンク

地球上では、液体の海にかなりの水が含まれています。金星では、そうではありません。太陽に近いほど暑すぎるため、すべての水が大気中に蒸発しました。(金星には初期段階で液体の水が含まれている可能性がありますが、10億年程度後にすべて蒸発しました。)また、若い地球にはかつて金星の今日のような密集した厳しい環境がありました。しかし、表面海洋とプレートテクトニクスはどちらも、ガスが地球の表面に吸収されるための十分な経路を提供しました。海洋とプレートテクトニクスは、大量の炭酸塩貯蔵を提供し、大気への、そして大気からの炭素化合物の移動とバランスを可能にします。

したがって、地球と金星の大気の違いを補強する2つのことがわかります。

  • 液体の水の蒸発:金星では、液体の水が存在するには暑すぎます。すべての水が蒸発し、密度の高い雰囲気になります。地球上では、水が表面に存在し、大気中の量を減らします。
  • カーボンシンク:液体の水とプレートのテクトニクスにより、地球はかなりの量のガスを吸収し、二酸化炭素などの特定の化合物で大気を薄くすることができます。金星にはそのような経路はなく、すべてのガスが大気中に留まります。

ガスが惑星に吸収される主要なメカニズムがないため、金星は温室効果の暴走を経験しています。

大気脱出

あなたはジーンズが逃げると言います。この効果は、高温になるほど大きくなることは事実です。ただし、大きな分子よりも小さな分子の方がはるかに簡単に脱出できます。2つの最小元素である水素とヘリウムは、この現象の影響を最も大きく受けます。比較すると、金星の大気の大部分を占める二酸化炭素は、ジーンズの脱出の影響をあまり受けません。

また、太陽風についても触れています。これらは特に磁場のない惑星で効果を発揮しますが、この現象はあなたが考えるほど強力ではありません。紫外光(すなわち、光電離放射線)は、大気の最上部領域で電離を引き起こします。これらの荷電粒子は、磁場と同様に、太陽風をそらす殻(電離層と呼ばれる)を形成します。金星では、厚い大気がイオン化により多くの粒子を提供し、より強力な偏向をもたらします。(これを火星と比較してください。火星では、イオン化された粒子がほとんどない薄い大気のために、太陽風が主要な非熱的脱出メカニズムです。)

金星の主要な大気脱出メカニズムは、実際には少し複雑です。磁場がない場合、荷電粒子が逃げるのは簡単です。特に、電子は質量が小さいため、最も影響を受けやすくなっています。電子が脱出すると、電離層の正味の電荷が正に傾いて、正イオン、主にH +の放出を引き起こします。

結論

地球と金星は同じように形成されましたが、地球は幸運になりました。大気からガスを取り除く経路がありますが、金星にはありません。さらに、2つの惑星は、大気からの脱出速度が大きく異なりません。66キロ/ M:大気密度知って、今日ではこの結果3金星のために、ちょうど1.2キロ/ M 3地球のために。


「大気ガスは地球を離れることはなく、地球の中にいます」-これはあなたの答えの唯一の有望な部分です。残りは私の元の質問よりも多くの質問を投げかけます(特に、火星も考慮される場合)。:)
oakad 2015

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2つの大気の進化のほとんどをカバーしたと思います。他に不明な点はありますか?
dpwilson

また、「私の元の質問よりも多くの質問を提起すること」は、おそらく科学の信条です。
dpwilson

1

私はdpwilsonの答えが素晴らしいと思い、私は彼に賛成票を投じましたが、古い図をこのチャートに投稿したかったので、千語の観点から見る価値があります。

ここに画像の説明を入力してください

金星は地球よりやや軽いですが、はるかに厚い大気を持っています。次のことが当てはまると想像するでしょう。

形成段階の間、すべての内部惑星は、重力/熱力学的平衡ごとに保持できる限り多くのガスを捕らえていました。結局のところ、貧弱な火星でさえかなりの雰囲気をとらえることができました。

多分。しかし、初期の太陽系では、太陽が形成されて光と太陽フレアを送り出し始めたら(そして、初期の太陽はおそらく、回転が速いため、太陽フレアの発射にはるかに積極的でした)、考慮すべき重要な要素あるフロストラインだけでなく、過去の地球であります- 。

ここに画像の説明を入力してください

つまり、太陽系の初期形成では、2つのうちの1つが発生する可能性があります。1つは、太陽が霜線の内側で氷やガスを溶かす/押し出す前に、惑星ができる氷とガスを形成して収集する、または2、太陽が最初に形成され、内部の惑星が形成するガスと水が非常に少ない。彼らは太陽から放出された水素によって攻撃されますが、ほとんどの内部惑星はこの水素を保持するのが得意ではありません。第2のシナリオでは、大気と水が彗星の影響によるものでなければなりません。

内部惑星の初期の大気はほとんどがCO2、CH4、NH3であり、おそらくN2でした。金星がいくつかの追加の彗星に打たれた場合、それだけでそれを説明でき、統計的に不合理ではありません。今、私はこれが起こったことだと言っているのではなく、それが可能であるということだけです。金星はほとんどのCO2を保持しますが、時間の経過に伴い、H2O、CH3、NH3、おそらくN2が失われる可能性があります。

月を形成した巨大な衝撃が地球の初期の大気の多くを吹き飛ばしたことも理論的には可能です。(確かではありませんが、熱と回転の膨大な追加、それは可能です)。

上のグラフでは、金星はH20をそれほど失うことはないことを示していますが、他のグラフでは金星のH20線に近い値を示しています。(より多くのチャートのためのグーグルガス脱出速度惑星)

金星では大気からの脱出速度がはるかに高くなるはずです。金星は太陽からより多くの熱を受け取るため、金星からの脱出速度が高くなると、金星の磁場は無視できるため、太陽風による直接的な「吹き飛ばし」のために大気の一部を失う必要があります

これは本当です。それは、金星に太陽系で一般的な水が少ない理由をよく説明しているかもしれません。しかし、あなたの最後の点では、金星には誘導磁場があります- ここを参照してください。dpwilsonはこれをより詳細に説明しました。

それでも、一見すると大量の大気量を逃しているのは地球です。それで問題は、地球の大気の「薄化」に関する現在の理論は何ですか?いつ、なぜ、大気ガスが惑星を去ったのですか?

何十億年も前の地球の大気がどのようなものであったかについて、正確には不確実性がまだあると私は収集しています。それは、金星が現在持っているよりもさらに密集した雰囲気で始まったのかもしれませんが、確実に知ることは困難です(少なくとも、私が読んだものはどれも、主題に関する確実性を示唆していません)。

石炭、石油、天然ガスは自然には形成されませんが、それらは死んだ植物と数億年に渡って埋もれた海の生物の産物です。また、私たちの周りにある岩の多くには、酸素が含まれています。例えば、花崗岩は酸素を持っています。(金星には花崗岩がないか、少なくとも花崗岩はほとんどありません)。地球上の生命と、地表および溶解した海洋鉱物への酸素の結合による大気の吸収は、おそらく地球の大気の間引きに大きな役割を果たしました。地球上の生命は、それ自体で、地球と金星の大気の違いを十分に説明できます。

彗星:

1)彗星は以前より大きくなった。太陽の近くを通過するたびに、彗星は縮小します。その上、それは彗星だけではなく、それは物体や小惑星のような氷の月であり、木星が移動して後半の激しい爆撃が起こったとき、それらのいくつかはかなり大きい可能性がありました。

参照: ここここここ

その上、私はそれを決定的であるとは言いませんでした、私は金星の雰囲気の大部分が大きな彗星ストライキからもたらされた可能性があると言いました。


残念ながら、あなたのものも私が探していた答えではありません。dpwilsonの答えの問題に取り組んでいない、確立された理論を引用していない、Eartian大気吸収などの特定のメカニズムに取り組んでいないなど
oakad

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どうして地球と火星が大気ガスの大部分を失うことができたのか、金星が最も壮大な大気を維持することができたのかについては、驚くほど確かな理論は存在しません。

1つのもっともらしい理論は、1950年代に行われた地球の地殻構成に関する古いソビエトの研究に基づいて、著名な化学者Octave Levenspiel et aliiによって提唱されました(そのときから開発された地殻構成モデルに対する実質的な更新は見つかりませんでした)。

一見すると、理論は次のように機能します。

  1. 地球は金星と同じかそれ以上の大気で形成されていました。その最も豊富な成分は(金星と火星と同様に)CO2であったはずです。
  2. 地球の大気は、水が凝縮して液相になり始めるのに十分なほど冷却されました。このための正確なメカニズムは私にはかなり明確ではありません(Goldilocksゾーンにもかかわらず)。高温で高密度のCO2 / H2O雰囲気が顕著な「温室効果」を引き起こし、惑星表面の冷却を妨げているはずです(「温室効果」モデルでない限り)誇張されすぎています)。
  3. 大気中のCO2が液体の水に溶解し始めました(これだけでCO2の分圧が約50%減少します)。強酸性の水が地殻からカルシウムを侵食し始め、石灰岩の形成プロセスを開始しました。
  4. 新しい生命はプロセスを加速させ、残りの大気中のCO2を巨大な石灰岩とやや小さな石炭鉱床に隔離しました。

理論の詳細な概要は、次の場所にあります。http//pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

ここでいくつかの答えがもっともらしい代替理論を示唆していることを願っています。特に:

  1. 「プレートテクトニクス」は、おそらく今日の大気の組成やパラメータとは何の関係もありません。私が知る限り、マントルが大気からガスを再吸収できるとは誰も示唆していませんでした-逆に、火山活動を通じて冷却マントルから放出されたガスは、より高密度の大気に寄与するはずです(明らかに、このプロセスは火星と地球をそれほど助けていません)。火山ガスは主にCO2と水蒸気(最大90質量%)で構成されていますが、これら2つの物質は現代の大気にはほとんど存在しません(CO2-〜350ppm、蒸気-0.4%、主に火山のリサイクルに関係しない蒸発による) 。
  2. 彗星は密度が低く、比較的軽い天体(まともな彗星は、薄い、現在の地球の大気でさえも、10000〜100000分の1の重さです)です。惑星との彗星の高い運動エネルギーの影響は、おそらく彗星に含まれるガスの大部分を宇宙に逃がします(そして、衝突加熱は、惑星のガスの一部を逃げる混合物に追加します-「衝撃侵食」として知られるプロセス")。彗星と惑星の間で実質的な物質移動は不可能であると長い間信じられています(http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z)。
  3. 「初期の大気」-地球(月)の形成直後に侵食されたり失われたりする大気は、明白な理由でもっともらしくありません。石灰岩/石炭はどこから来たのですか?地球の大気が失われ、その後地殻変動活動によって補充された場合、これは元の質問に戻ることになります。

あなたの答えの一部は間違っています。金星の大気は現在96%CO2です。若い金星と若い地球のCO2%がそれほど高いとは考えられません。CH4、NH3も豊富でした。2番目のポイントについては、太陽は以前よりもはるかに少ない熱を発していました。かすかな若い太陽パラドックスを調べてください。金星がかつて海を持っていたことは、完全に可能です(しかし、決して確実ではありません)。3)CO2は水に溶解しますが、地球の大気を離れるCO2の主な方法は光合成でした。4)プレートテクトニクスは、ガスを大気に戻すための重要な方法です。5)-以下の私の回答を参照してください。
userLTK 2015

1.「かすかな太陽」のパラドックスは、4.2Gyaで光度が30%低くなるだけです(これはLevenspielの概要で触れています)。しかし、火星がその当時十分に暖かかった場合、地球は非常に暑かったはずです。2.金星には海はありませんでした。さらに、D.Catlingによると、火星にも海はありませんでしたが、大気の大部分も失いました(彼は衝突浸食を主な要因と考えています)。3.私が言ったように、テクトニクスは大気をより薄くするのではなく、より厚くするべきです。
oakad

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@oakad:あなたは過去にプレートテクトニクスについて完全に惑わされてきたと思います。はい、テクトニクスは火山を通してガスを大気中に放出しますが、風化と沈み込みのために大気から大量のガスを引き出します。炭素循環に関する文書を見てください。
dpwilson
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