Warum ist die Erdatmosphäre so dünn?

Die Venus ist etwas leichter als die Erde, hat aber eine viel dickere Atmosphäre. Man könnte sich vorstellen, dass folgendes wahr sein sollte:

1. Während der Formationsphase hatten alle inneren Planeten so viel Gas eingefangen, wie sie pro Gravitations- / thermodynamischem Gleichgewicht halten konnten. Immerhin gelang es sogar dem mickrigen Mars, eine beträchtliche Atmosphäre einzufangen.
2. Die atmosphärische Fluchtrate sollte für Venus viel höher sein:
   • Venus erhält mehr Wärme von der Sonne, wodurch die Jeans-Fluchtrate höher ist
   • Die Venus hat ein vernachlässigbares Magnetfeld, daher muss ein Teil ihrer Atmosphäre verloren gehen, um durch Sonnenwind direkt "abgeblasen" zu werden

Es ist jedoch die Erde, die scheinbar viel atmosphärisches Volumen vermisst. Die Frage ist also: Was sind die aktuellen Theorien bezüglich der "Ausdünnung" der Erdatmosphäre? Wann und warum hatten die atmosphärischen Gase den Planeten verlassen?

Die kurze Antwort: Atmosphärische Gase nie verlassen Erde, sie sind in it!

Die lange Antwort auf diese Frage bezieht sich nicht nur auf die aktuellen Zustände der Planeten, sondern auch auf die Prozesse, die sie dorthin geführt haben. Beginnen wir ganz am Anfang (ein sehr guter Anfang).

Die sehr frühen Jahre

Als sich unser Sonnensystem vor 4,6 Milliarden Jahren zu bilden begann, sammelte sich der größte Teil der Masse aus dem kollabierten Teil einer Molekülwolke (siehe Nebelhypothese ) im Zentrum, um die Sonne zu bilden. Die Masse, die nicht in der Sonne zusammenbrach, hinterließ eine protoplanetare Scheibe - eine Staub- und Gaswolke -, die den neuen Stern umgab. Allmählich kamen Staubpartikel durch Akkretion zusammen und zogen immer mehr Partikel auf junge Planeten.

In der Nähe der Sonne, wo sich sowohl Venus als auch Erde befinden, war es zu heiß, als dass viele Teilchen kondensieren könnten. Daher bildeten sich die Planeten in dieser Region aus Metallen und Silikaten mit hohen Schmelzpunkten. Deshalb werden die vier Planeten im inneren Sonnensystem als "felsige" oder "terrestrische" Planeten bezeichnet. Die frühesten Atmosphären auf diesen Planeten begannen sich mit der allmählichen Ansammlung von Gasen aus dem Solarnebel, hauptsächlich Wasserstoff, zu bilden.

Goldlöckchen und die beiden Planeten

Zu diesem Zeitpunkt in der Entwicklung der beiden Planeten sahen sie sich ziemlich ähnlich, aber es gibt einen großen Unterschied: die Entfernung zur Sonne. Die Erde hatte anscheinend das Glück, in der "Goldlöckchen-Zone" zu sein, in der die Temperatur genau richtig ist , um das Leben zu unterstützen. In dieser Zone zu sein hat zwei Hauptauswirkungen: flüssiges Wasser und folglich aktive Plattentektonik. (In diesem Artikel erfahren Sie ausführlich, warum die beiden miteinander zusammenhängen.)

Carbon sinkt

Auf der Erde ist in flüssigen Ozeanen beträchtliches Wasser enthalten. Auf der Venus ist dies nicht der Fall. Es ist einfach zu heiß, so nah an der Sonne, dass das gesamte Wasser in die Atmosphäre verdunstet. (Die Venus enthielt wahrscheinlich in ihren frühen Stadien flüssiges Wasser, aber nach etwa einer Milliarde Jahren verdunstete alles.) Es ist auch wahrscheinlich, dass die junge Erde einst eine dichte, strafende Atmosphäre hatte wie die heutige Venus. Oberflächenmeere und Plattentektonik boten jedoch beide ausreichend Wege, um Gase in die Erdoberfläche zu absorbieren. Ozeane und Plattentektonik bieten enorme Mengen an Carbonatspeicher und ermöglichen den Transfer und das Gleichgewicht von Kohlenstoffverbindungen in die und aus der Atmosphäre.

Jetzt haben wir zwei Dinge, die die Unterschiede zwischen der Erd- und der Venusatmosphäre verstärken:

• Verdunstung von flüssigem Wasser : Auf der Venus ist es zu heiß, als dass flüssiges Wasser vorhanden wäre. Das gesamte Wasser ist verdunstet, was zu einer dichteren Atmosphäre führt. Auf der Erde kann sich Wasser an der Oberfläche befinden, wodurch die Menge in der Atmosphäre verringert wird.
• Kohlenstoffsenken : Flüssige Wasser- und Plattentektonik ermöglicht es der Erde, beträchtliche Mengen an Gas zu absorbieren, wodurch die Atmosphäre von bestimmten Verbindungen wie Kohlendioxid verdünnt werden kann. Es gibt keinen solchen Weg auf der Venus, der alles Gas dazu zwingt, in der Atmosphäre zu bleiben.

Ohne wesentliche Mechanismen für die Absorption von Gasen durch den Planeten erlebt die Venus einen außer Kontrolle geratenen Treibhauseffekt.

Atmosphärische Flucht

Sie erwähnen Jeans Flucht. Es ist wahr, dass dieser Effekt bei höheren Temperaturen größer ist; Für kleinere Moleküle ist es jedoch viel einfacher zu entweichen als für größere. Wasserstoff und Helium sind die beiden kleinsten Elemente und werden am stärksten von diesem Phänomen beeinflusst. Im Vergleich dazu ist Kohlendioxid, das den größten Teil der Venusatmosphäre ausmacht, von Jeans Flucht nicht stark betroffen.

Sie erwähnen auch Sonnenwinde. Während diese einen Effekt haben, insbesondere auf Planeten ohne Magnetfeld, ist dieses Phänomen nicht so stark, wie Sie vielleicht denken. Ultraviolettes Licht (dh photoionisierende Strahlung) verursacht eine Ionisierung im obersten Bereich der Atmosphäre. Diese geladenen Teilchen bilden nun eine Hülle (Ionosphäre genannt), die Sonnenwinde ablenkt, ähnlich wie es ein Magnetfeld tun würde. Auf der Venus liefert die dicke Atmosphäre mehr Partikel für die Ionisierung, was zu einer stärkeren Ablenkung führt. (Vergleichen Sie dies mit dem Mars, wo Sonnenwind aufgrund der dünnen Atmosphäre mit wenigen ionisierten Partikeln der primäre nicht-thermische Fluchtmechanismus ist.)

Der primäre atmosphärische Fluchtmechanismus für die Venus ist tatsächlich etwas komplizierter. In Abwesenheit eines Magnetfeldes können geladene Teilchen leichter entweichen. Insbesondere Elektronen sind aufgrund ihrer geringen Masse am anfälligsten. Wenn Elektronen entweichen, ist die Nettoladung der Ionosphäre positiv und verursacht den Ausstoß positiver Ionen, meist H ⁺ .

Fazit

Während sich Erde und Venus ähnlich bildeten, hatte die Erde Glück. Es hat Wege, um Gase aus der Atmosphäre zu entfernen, während Venus dies nicht tut. Darüber hinaus erfahren die beiden Planeten keine signifikant unterschiedlichen atmosphärischen Fluchtraten. Dies führt zu den heute bekannten atmosphärischen Dichten: 66 kg / m ³ für die Venus und nur 1,2 kg / m ³ für die Erde.

Ich denke, die Antwort von dpwilson ist ausgezeichnet und ich habe ihn gewählt, aber ich wollte diese Tabelle mit dem alten Bild veröffentlichen, das aus Sicht von tausend Worten mehr sagt.

Die Venus ist etwas leichter als die Erde, hat aber eine viel dickere Atmosphäre. Man könnte sich vorstellen, dass folgendes wahr sein sollte:

Während der Formationsphase hatten alle inneren Planeten so viel Gas eingefangen, wie sie pro Gravitations- / thermodynamischem Gleichgewicht halten konnten. Immerhin gelang es sogar dem mickrigen Mars, eine beträchtliche Atmosphäre einzufangen.

Vielleicht. Aber während des frühen Sonnensystems, sobald sich die Sonne gebildet hat und beginnt, Licht und Sonneneruptionen abzupumpen (und die frühe Sonne war wahrscheinlich viel aktiver beim Abschießen von Sonneneruptionen, teilweise aufgrund einer schnelleren Rotation), ein Schlüsselfaktor, der berücksichtigt werden muss ist die Frostlinie - die weit hinter der Erde liegt.

So kann 1 von 2 Dingen in der frühen Bildung des Sonnensystems passieren. Erstens bilden und sammeln die Planeten verfügbares Eis und Gas, das sie können, bevor die Sonne anfängt, Eis und Gas innerhalb der Frostgrenze zu schmelzen / wegzuschieben, oder 2, die Sonne bildet sich zuerst und die inneren Planeten haben sehr wenig Gas und Wasser, während sie sich bilden . Sie werden zwar von Wasserstoff bombardiert, der von der Sonne ausgestoßen wird, aber meistens können die inneren Planeten diesen Wasserstoff nicht gut festhalten. Im zweiten Szenario müsste jede Atmosphäre und jedes Wasser, die sie erhalten, von Kometeneinschlägen stammen.

Die frühe Atmosphäre der inneren Planeten bestand hauptsächlich aus CO2, CH4, NH3 und möglicherweise etwas N2. Wenn Venus von ein paar zusätzlichen Kometen getroffen würde, würde dies allein erklären und es ist statistisch nicht unangemessen. Nun, ich sage nicht, dass dies passiert ist, nur dass es möglich ist. Die Venus behält den größten Teil ihres CO2 bei, könnte jedoch mit der Zeit den größten Teil ihres H20, CH3, NH3 und möglicherweise N2 verlieren, wenn sie vorhanden wäre, was zu der heute meist vorhandenen CO2-Atmosphäre führt.

Es ist auch theoretisch möglich, dass der riesige Aufprall, der den Mond geformt hat, auch einen Großteil der frühen Erdatmosphäre weggeblasen hat. (Nicht sicher, aber die enorme Zugabe von Wärme und Rotation ist möglich).

In der obigen Tabelle wird darauf hingewiesen, dass Venus nicht viel H20 verlieren wird, in anderen Diagrammen liegt die Venus jedoch näher an der H20-Linie. (Google Gas Fluchtgeschwindigkeit Planeten für mehr Karten)

Die atmosphärische Fluchtrate sollte für Venus viel höher sein: Venus erhält mehr Wärme von der Sonne, daher hat die höhere Fluchtrate von Jeans ein vernachlässigbares Magnetfeld. Daher muss ein Teil ihrer Atmosphäre verloren gehen, um durch Sonnenwind direkt "abgeblasen" zu werden

Das ist wahr. Es könnte gut erklären, warum die Venus so wenig Wasser hat, wie es im Sonnensystem üblich ist. Aber in Ihrem letzten Punkt hat die Venus ein induziertes Magnetfeld - siehe hier . dpwilson erklärte dies ausführlicher.

Es ist jedoch die Erde, die scheinbar viel atmosphärisches Volumen vermisst. Die Frage ist also: Was sind die aktuellen Theorien bezüglich der "Ausdünnung" der Erdatmosphäre? Wann und warum hatten die atmosphärischen Gase den Planeten verlassen?

Ich nehme an, es gibt immer noch Unsicherheit darüber, wie die Erdatmosphäre vor Milliarden von Jahren war. Es mag mit einer noch dichteren Atmosphäre begonnen haben als Venus derzeit, aber es ist schwer mit Sicherheit zu wissen (zumindest deutet nichts, was ich gelesen habe, auf Gewissheit zu diesem Thema hin).

Es ist erwähnenswert, dass sich Kohle, Öl und Erdgas nicht auf natürliche Weise bilden, sondern das Produkt toter Pflanzen und Meereslebewesen sind, die über Hunderte von Millionen von Jahren begraben wurden. Außerdem enthalten viele der Felsen, die wir überall um uns herum sehen, Sauerstoff. Granit hat zum Beispiel Sauerstoff. (Es gibt keinen oder zumindest sehr wenig Granit auf der Venus). Die Absorption der Atmosphäre durch das Leben auf der Erde und durch die Bindung von Sauerstoff an Oberflächen- und gelöste Meeresmineralien spielte wahrscheinlich eine enorme Rolle bei der Ausdünnung der Erdatmosphäre. Das Leben auf der Erde allein könnte ausreichen, um den Unterschied zwischen der Erde und der Atmosphäre der Venus zu erklären.

Kometen:

1) Kometen waren früher größer. Bei jedem Durchgang in der Nähe der Sonne schrumpfen die Kometen. Außerdem sind es nicht nur Kometen, sondern eismondähnliche Objekte und Asteroiden, von denen einige, als Jupiter wanderte und das späte schwere Bombardement stattfand, ziemlich groß gewesen sein könnten.

Siehe: Hier und Hier und Hier .

Außerdem sagte ich es nicht als endgültig, ich sagte, es sei möglich, dass ein großer Teil der Atmosphäre der Venus von einem großen Kometenschlag herrührte.

Es scheint, dass es überraschend wenig solide Theorien darüber gibt, warum es der Erde und dem Mars gelungen ist, den größten Teil ihrer atmosphärischen Gase zu verlieren, während es der Venus gelungen war, eine großartige Atmosphäre zu bewahren.

Eine plausible Theorie wurde von einem bekannten Chemiker, Octave Levenspiel et alii, aufgestellt, die auf der alten sowjetischen Forschung zur Zusammensetzung der Erdkruste in den 1950er Jahren basiert (ich konnte keine wesentlichen Aktualisierungen des seitdem entwickelten Modells der Krustenzusammensetzung finden).

Auf einen Blick funktioniert die Theorie wie folgt:

1. Die Erde hatte sich mit einer Atmosphäre gebildet, die ähnlich oder dichter als die der Venusianer war. Sein am häufigsten vorkommender Bestandteil sollte CO2 gewesen sein (analog zu Venus und Mars).
2. Die Erdatmosphäre konnte sich so weit abkühlen, dass das Wasser in die flüssige Phase kondensierte. Der genaue Mechanismus hierfür ist mir nicht ganz klar (ungeachtet der Goldlöckchen-Zone), da eine heiße und dichte CO2 / H2O-Atmosphäre einen deutlichen "Gewächshaus" -Effekt hätte verursachen müssen, der die Abkühlung der Planetenoberfläche verhindert (es sei denn, "Gewächshaus" -Effektmodelle) sind zu übertrieben).
3. Atmosphärisches CO2 begann sich in flüssigem Wasser aufzulösen (dies allein würde zu einer Verringerung des CO2-Partialdrucks um etwa 50% führen). Stark saures Wasser begann, Kalzium aus der Kruste zu erodieren, was den Kalksteinbildungsprozess in Gang setzte.
4. Das aufkommende Leben hatte den Prozess beschleunigt und das verbleibende atmosphärische CO2 in den gigantischen Kalkstein und etwas kleinere Kohlevorkommen gebunden.

Die detaillierten Umrisse der Theorie finden Sie hier: http://pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

Ich hoffte, dass einige Antworten hier plausible alternative Theorien vorschlagen können. Speziell:

1. "Plattentektonik" hat wahrscheinlich nichts mit der Zusammensetzung und den Parametern der heutigen Atmosphäre zu tun. Soweit ich weiß, hatte noch nie jemand vorgeschlagen, dass der Mantel Gase aus der Atmosphäre wieder absorbieren kann - im Gegenteil, Gase, die durch vulkanische Aktivität aus einem Kühlmantel freigesetzt werden, sollten zu einer dichteren Atmosphäre beitragen (dieser Prozess hat Mars und Mars natürlich nie geholfen hilft der Erde auch nicht so sehr). Vulkangase bestehen hauptsächlich aus CO2 und Wasserdampf (bis zu 90 Massen-%), während diese beiden Substanzen in der modernen Atmosphäre kaum vorhanden sind (CO2 - ~ 350 ppm, Dampf - 0,4%, hauptsächlich durch Verdunstung, die nicht mit dem Vulkanrecycling zusammenhängt). .
2. Kometen sind relativ leichte Objekte (ein anständiger Komet wiegt 10000-100000-mal weniger als selbst eine dünne, heutige Erdatmosphäre) mit geringer Dichte. Ein hoher kinetischer Energieeinschlag eines Kometen auf einen Planeten führt höchstwahrscheinlich dazu, dass die meisten im Kometen enthaltenen Gase zurück in den Weltraum entweichen (und durch die Aufprallerwärmung werden auch einige der planetaren Gase zum entweichenden Gemisch hinzugefügt - ein Prozess, der als "Aufprallerosion" bezeichnet wird "). Es wird lange angenommen, dass kein wesentlicher Materietransfer zwischen Kometen und Planeten möglich ist ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. "Frühe dünne Atmosphäre" - Eine Atmosphäre, die kurz nach der Entstehung der Erde (Mond) erodiert wird oder verloren geht, ist aus dem offensichtlichen Grund nicht plausibel: Woher kommt der Kalkstein / die Kohle? Wenn die Erdatmosphäre verloren ging und dann durch tektonische Aktivität wieder aufgefüllt wurde, kehren wir zu einer ursprünglichen Frage zurück.