Tại sao bầu khí quyển Trái đất quá mỏng?

Sao Kim có phần nhẹ hơn Trái đất, nhưng có bầu khí quyển dày hơn nhiều. Người ta sẽ tưởng tượng rằng những điều sau đây là đúng:

1. Trong giai đoạn hình thành, tất cả các hành tinh bên trong đã thu được nhiều khí nhất có thể giữ cho mỗi trạng thái cân bằng hấp dẫn / nhiệt động. Rốt cuộc, ngay cả sao Hỏa cũng trừng phạt để chiếm được bầu không khí khá lớn.
2. Tốc độ thoát khí quyển sẽ cao hơn nhiều đối với sao Kim:
   • Sao Kim nhận được nhiều nhiệt hơn từ mặt trời, do đó tốc độ thoát của quần jean cao hơn
   • Sao Kim có từ trường không đáng kể, do đó, một phần khí quyển của nó phải bị mất do "thổi bay" trực tiếp bởi gió mặt trời

Tuy nhiên, đó là Trái đất dường như bỏ lỡ rất nhiều khối lượng khí quyển. Vì vậy, câu hỏi là: các lý thuyết hiện tại liên quan đến "sự mỏng" của bầu khí quyển Trái đất là gì? Khi nào và tại sao các khí trong khí quyển đã rời khỏi hành tinh?

Câu trả lời ngắn gọn: Khí quyển trong khí quyển không bao giờ rời khỏi Trái đất, chúng ở trong đó!

Câu trả lời dài cho câu hỏi này không chỉ là về trạng thái hiện tại của các hành tinh, mà là các quá trình dẫn chúng đến đó. Hãy bắt đầu ngay từ đầu (một nơi rất tốt để bắt đầu).

Những năm đầu

Khi hệ mặt trời của chúng ta bắt đầu hình thành 4,6 tỷ năm trước, phần lớn khối lượng từ phần bị sụp đổ của một đám mây phân tử (xem giả thuyết về Tinh vân ) được thu thập ở trung tâm để tạo thành Mặt trời. Khối lượng không sụp đổ xuống Mặt trời đã để lại một đĩa hình thành hành tinh, một đám mây bụi và khí đốt bao quanh ngôi sao mới. Dần dần, các hạt bụi bắt đầu kết hợp với nhau thông qua quá trình bồi tụ, thu hút ngày càng nhiều hạt vào các hành tinh non trẻ.

Gần Mặt trời, nơi cả Sao Kim và Trái đất đều trú ngụ, trời quá nóng để nhiều hạt ngưng tụ, vì vậy các hành tinh trong khu vực này hình thành với kim loại và silicat, có điểm nóng chảy cao. Đây là lý do tại sao bốn hành tinh trong Hệ Mặt trời bên trong được gọi là các hành tinh "đá" hoặc "mặt đất". Bầu khí quyển sớm nhất trên các hành tinh này bắt đầu hình thành với sự thu thập dần dần các khí từ tinh vân mặt trời, chủ yếu là hydro.

Goldilocks và hai hành tinh

Tại thời điểm này trong quá trình tiến hóa của hai hành tinh, chúng trông khá giống nhau, nhưng có một điểm khác biệt lớn: khoảng cách đến Mặt trời. Trái đất, dường như, đã may mắn được ở trong "khu vực Goldilocks", nơi nhiệt độ vừa phải để hỗ trợ sự sống. Ở trong khu vực này có hai ý nghĩa chính: nước lỏng và, do đó, kiến ​​tạo mảng hoạt động. (Xem bài viết này để có cái nhìn sâu hơn về lý do tại sao hai cái này có liên quan với nhau.)

Bồn carbon

Trên trái đất, có một lượng nước đáng kể chứa trong các đại dương lỏng. Trên sao Kim, đây không phải là trường hợp. Nó chỉ đơn giản là quá nóng mà gần Mặt trời, vì vậy tất cả nước bốc hơi vào khí quyển. (Sao Kim có khả năng chứa nước lỏng ở giai đoạn đầu, nhưng tất cả đã bốc hơi sau một tỷ năm hoặc lâu hơn.) Cũng có khả năng Trái đất trẻ đã từng có bầu không khí dày đặc, trừng phạt như ngày nay của Sao Kim. Tuy nhiên, các đại dương bề mặt và kiến ​​tạo mảng đều cung cấp các con đường rộng rãi cho các khí được hấp thụ vào bề mặt Trái Đất. Đại dương và kiến ​​tạo mảng cung cấp lượng lưu trữ carbonate khổng lồ, cho phép chuyển và cân bằng các hợp chất carbon đến và đi khỏi khí quyển.

Vì vậy, bây giờ chúng ta có hai điều củng cố sự khác biệt giữa bầu khí quyển của Trái đất và Sao Kim:

• Sự bay hơi của nước lỏng : Quá nóng trên sao Kim để nước lỏng tồn tại. Tất cả nước đã bốc hơi, dẫn đến bầu không khí dày đặc hơn. Trên trái đất, nước có thể cư trú trên bề mặt, làm giảm lượng khí quyển.
• Các bể chứa carbon : Nước lỏng và kiến ​​tạo mảng cho phép Trái đất hấp thụ một lượng khí đáng kể, cho phép bầu khí quyển được làm loãng một số hợp chất như carbon dioxide. Không có con đường nào như vậy trên Sao Kim, buộc tất cả khí gas phải ở lại trong khí quyển.

Không có cơ chế chính để các khí được hành tinh hấp thụ, Sao Kim đang trải qua hiệu ứng nhà kính chạy trốn.

Thoát khí quyển

Bạn đề cập đến Jeans thoát. Đúng là hiệu ứng này lớn hơn ở nhiệt độ cao hơn; tuy nhiên, các phân tử nhỏ hơn dễ dàng thoát ra hơn so với các phân tử lớn hơn. Hydrogen và helium, là hai nguyên tố nhỏ nhất, bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi hiện tượng này. So sánh, carbon dioxide, chiếm phần lớn bầu khí quyển của sao Kim, không bị ảnh hưởng nhiều bởi sự thoát ra của Jeans.

Bạn cũng đề cập đến gió mặt trời. Mặc dù chúng có tác dụng, đặc biệt là trên các hành tinh không có từ trường, hiện tượng này không mạnh như bạn tưởng. Ánh sáng cực tím (tức là bức xạ quang hóa) gây ra sự ion hóa ở khu vực cao nhất của khí quyển. Những hạt tích điện này giờ tạo thành một lớp vỏ (gọi là tầng điện ly) làm lệch hướng gió mặt trời, giống như từ trường. Trên sao Kim, bầu khí quyển dày cung cấp nhiều hạt hơn cho quá trình ion hóa, dẫn đến độ lệch mạnh hơn. (So ​​sánh điều này với sao Hỏa, trong đó gió mặt trời là cơ chế thoát nhiệt không do nhiệt chủ yếu do bầu khí quyển mỏng có ít hạt ion hóa.)

Cơ chế thoát khí quyển chính của Sao Kim thực sự phức tạp hơn một chút. Trong trường hợp không có từ trường, các hạt tích điện sẽ dễ dàng thoát ra hơn. Đặc biệt, các điện tử dễ bị ảnh hưởng nhất do khối lượng nhỏ của chúng. Khi các electron thoát ra, điện tích ròng của tầng điện ly sẽ dương, gây ra sự phóng ra các ion dương, chủ yếu là H ⁺ .

Phần kết luận

Trong khi Trái đất và Sao Kim hình thành tương tự nhau, Trái đất đã gặp may mắn. Nó có con đường để loại bỏ khí từ khí quyển, trong khi Sao Kim thì không. Ngoài ra, hai hành tinh không có tỷ lệ thoát khí quyển khác nhau đáng kể. Điều này dẫn đến mật độ khí quyển nơi biết ngày nay: 66 kg / m ³ đối với sao Kim và chỉ 1,2 kg / m ³ đối với Trái đất.

Tôi nghĩ rằng câu trả lời của dpwilson là tuyệt vời và tôi đã bình chọn cho anh ấy, nhưng tôi muốn đăng biểu đồ này với hình ảnh cũ đáng giá hàng ngàn quan điểm.

Sao Kim có phần nhẹ hơn Trái đất, nhưng có bầu khí quyển dày hơn nhiều. Người ta sẽ tưởng tượng rằng những điều sau đây là đúng:

Trong giai đoạn hình thành, tất cả các hành tinh bên trong đã thu được nhiều khí nhất có thể giữ cho mỗi trạng thái cân bằng hấp dẫn / nhiệt động. Rốt cuộc, ngay cả sao Hỏa cũng trừng phạt để chiếm được bầu không khí khá lớn.

Có lẽ. Nhưng trong hệ mặt trời sơ khai, một khi mặt trời đã hình thành và bắt đầu bơm ra ánh sáng và ánh sáng mặt trời, (và mặt trời sớm có khả năng tích cực hơn nhiều trong việc bắn ra các ngọn lửa mặt trời một phần do sự quay nhanh hơn), một yếu tố quan trọng cần xem xét là Frost Line - cũng là quá khứ trái đất.

Vì vậy, 1 trong 2 điều có thể xảy ra trong sự hình thành ban đầu của Hệ mặt trời. Thứ nhất, các hành tinh hình thành và thu thập các lực và khí có sẵn trước khi mặt trời bắt đầu tan chảy / đẩy đi bất kỳ băng và khí nào bên trong đường băng giá, hoặc 2, mặt trời hình thành trước và các hành tinh bên trong có rất ít khí và nước khi chúng hình thành . Chúng bị bắn phá bởi hydro bị đẩy ra từ mặt trời, nhưng chủ yếu là các hành tinh bên trong không giữ được hydro này. Trong kịch bản thứ 2, bất kỳ bầu khí quyển và nước nào họ có được đều phải đến từ các tác động của sao chổi.

Bầu khí quyển ban đầu của các hành tinh bên trong chủ yếu là CO2, CH4, NH3 có thể là một số N2. Nếu sao Kim bị tấn công bởi một vài sao chổi, điều đó sẽ giải thích điều đó và nó không hợp lý về mặt thống kê. Bây giờ, tôi không nói đây là những gì đã xảy ra, chỉ có điều đó là có thể. Sao Kim giữ lại phần lớn CO2, nhưng nó có thể mất theo thời gian, hầu hết là H20, CH3, NH3, có thể là N2 nếu có, dẫn đến bầu không khí chủ yếu là CO2 hiện nay.

Về mặt lý thuyết cũng có thể là tác động khổng lồ hình thành mặt trăng cũng thổi bay rất nhiều bầu khí quyển ban đầu của Trái đất. (không chắc chắn về điều đó nhưng sự bổ sung to lớn của nhiệt và xoay, điều đó là có thể).

Trong biểu đồ trên, nó cho thấy Venus sẽ không mất nhiều H20, nhưng các biểu đồ khác có Venus gần với đường H20 hơn. (google hành tinh thoát khí cho nhiều biểu đồ hơn)

Tốc độ thoát khí quyển sẽ cao hơn nhiều so với sao Kim: Sao Kim nhận được nhiều nhiệt hơn từ mặt trời, do đó tốc độ thoát của quần jean cao hơn Sao Kim có từ trường không đáng kể, do đó một phần khí quyển của nó phải bị mất do gió thổi trực tiếp

Đây là sự thật. Nó cũng có thể giải thích tại sao sao Kim có rất ít nước phổ biến trong hệ mặt trời. Nhưng về điểm cuối cùng của bạn, sao Kim có từ trường cảm ứng - xem tại đây . dpwilson giải thích điều này chi tiết hơn.

Tuy nhiên, đó là Trái đất dường như bỏ lỡ rất nhiều khối lượng khí quyển. Vì vậy, câu hỏi là: các lý thuyết hiện tại liên quan đến "sự mỏng" của bầu khí quyển Trái đất là gì? Khi nào và tại sao các khí trong khí quyển đã rời khỏi hành tinh?

Tôi tập hợp vẫn chưa có sự không chắc chắn về chính xác bầu khí quyển của Trái đất giống như hàng tỷ năm trước. Nó có thể đã bắt đầu với một bầu không khí thậm chí dày đặc hơn so với sao Kim hiện tại, nhưng thật khó để biết chắc chắn (ít nhất, không có gì tôi đọc cho thấy sự chắc chắn về chủ đề này).

Thật đáng để chỉ ra rằng than, dầu và khí tự nhiên không hình thành một cách tự nhiên, nhưng chúng là sản phẩm của thực vật chết và sinh vật biển bị chôn vùi trong hàng trăm triệu năm. Ngoài ra, nhiều tảng đá chúng ta thấy xung quanh chúng ta có Oxy trong đó. Granit có Oxy, ví dụ. (Không có, hoặc ít nhất, rất ít Đá hoa cương trên Sao Kim). Sự hấp thụ khí quyển của sự sống trên trái đất và bởi Oxy liên kết với các khoáng chất đại dương bề mặt và hòa tan có thể đóng một vai trò to lớn trong việc làm loãng khí quyển Trái đất. Sự sống trên trái đất, tự nó, có thể đủ để giải thích sự khác biệt trong bầu khí quyển của Trái đất với sao Kim.

Sao chổi:

1) Sao chổi từng lớn hơn. Mỗi lần vượt qua gần mặt trời, sao chổi co lại. Bên cạnh đó, nó không chỉ là sao chổi mà là mặt trăng băng như các vật thể và tiểu hành tinh, mà khi Sao Mộc di cư và vụ bắn phá nặng nề muộn diễn ra, một số trong đó có thể khá lớn.

Xem: Ở đây và đây và đây .

Bên cạnh đó, tôi đã không nói điều đó một cách dứt khoát, tôi nói có thể một phần lớn bầu khí quyển của sao Kim đến từ một cuộc tấn công sao chổi lớn.

Nó xuất hiện, tồn tại những lý thuyết rắn nhỏ đáng ngạc nhiên về lý do tại sao Trái đất và Sao Hỏa có thể làm mất phần lớn khí quyển trong khí quyển, trong khi Sao Kim đã giữ được bầu không khí tráng lệ nhất.

Một lý thuyết hợp lý đã được đưa ra bởi một nhà hóa học nổi tiếng Octave Levenspiel et alii, dựa trên nghiên cứu cũ của Liên Xô về thành phần vỏ Trái đất được thực hiện vào những năm 1950 (tôi không thể tìm thấy bất kỳ cập nhật đáng kể nào về mô hình thành phần vỏ được phát triển kể từ thời điểm đó).

Nhìn thoáng qua, lý thuyết hoạt động như sau:

1. Trái đất đã hình thành với bầu khí quyển tương tự hoặc dày đặc hơn sao Kim. Thành phần phong phú nhất của nó phải là CO2 (tương tự Sao Kim và Sao Hỏa).
2. Bầu khí quyển trái đất đã cố gắng hạ nhiệt đủ để nước bắt đầu ngưng tụ thành pha lỏng. Cơ chế chính xác cho điều này không hoàn toàn rõ ràng đối với tôi (mặc dù khu vực Goldilocks) vì bầu khí quyển CO2 / H2O nóng và dày đặc đã gây ra hiệu ứng "ngôi nhà xanh" nổi bật, ngăn không cho bề mặt hành tinh hạ nhiệt (trừ khi mô hình hiệu ứng "ngôi nhà xanh" quá phóng đại).
3. CO2 trong khí quyển bắt đầu hòa tan trong nước lỏng (riêng điều này sẽ làm giảm khoảng 50% áp suất CO2 một phần). Nước có tính axit mạnh bắt đầu ăn mòn canxi từ lớp vỏ, khởi đầu quá trình hình thành đá vôi.
4. Sự sống mới nổi đã đẩy nhanh quá trình, sắp xếp lại CO2 trong khí quyển còn lại vào đá vôi khổng lồ và các mỏ than nhỏ hơn một chút.

Các phác thảo chi tiết của lý thuyết có thể được xem ở đây: http://pub.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

Tôi hy vọng rằng một số câu trả lời ở đây có thể đề xuất các lý thuyết thay thế hợp lý. Đặc biệt:

1. "Kiến tạo mảng" có lẽ không liên quan gì đến thành phần và thông số của bầu không khí ngày nay. Theo như tôi biết, không ai từng đề xuất rằng lớp phủ có thể hấp thụ lại khí từ khí quyển - ngược lại, khí thoát ra từ lớp phủ làm mát thông qua hoạt động núi lửa sẽ góp phần vào bầu khí quyển dày đặc hơn (rõ ràng, quá trình này không bao giờ giúp Sao Hỏa và cũng không giúp Trái đất nhiều như vậy). Khí núi lửa chủ yếu bao gồm CO2 và hơi nước (chiếm tới 90% khối lượng), trong khi hai chất này hầu như không có trong bầu khí quyển hiện đại (CO2 - ~ 350ppm, hơi - 0,4%, chủ yếu là từ sự bốc hơi không liên quan đến tái chế núi lửa) .
2. Sao chổi là những vật thể tương đối nhỏ (một sao chổi đàng hoàng nặng hơn 10000 - 100 lần so với một lớp mỏng, bầu khí quyển Trái đất ngày nay) với mật độ thấp. Tác động động năng cao của sao chổi với một hành tinh rất có thể sẽ dẫn đến sự thoát ra của phần lớn các sao chổi chứa khí vào không gian (và sự tác động của nhiệt cũng sẽ thêm một số khí hành tinh vào hỗn hợp thoát - một quá trình được gọi là "xói mòn tác động "). Từ lâu, người ta tin rằng không có sự chuyển giao vật chất đáng kể nào giữa các sao chổi và các hành tinh ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. "Khí quyển mỏng sớm" - bầu khí quyển bị xói mòn hoặc mất đi ngay sau khi hình thành Trái đất (Mặt trăng) không hợp lý vì lý do rõ ràng: đá vôi / than đá đến từ đâu? Nếu bầu khí quyển Trái đất bị mất và sau đó được bổ sung thông qua hoạt động kiến ​​tạo, điều này đưa chúng ta trở lại một câu hỏi ban đầu.