Запрос:

Установить плагин

Рекомендую
0 0

Атмосферы планет.


Химический состав атмосфер некоторых планет Солнечной системы представлен ниже. На Венере и Марсе основными компонентами атмосферы являются углекислый газ и азот, тогда как на Земле - азот и кислород. Это связано с тем, что во-первых на Земле имеется много жидкой воды, которая растворяет углекислый газ и переводит его в осадочные породы, во-вторых в результате жизнедеятельности растений углекислый газ перерабатывается в кислород. Атмосферы планет-гигантов резко отличаются от атмосфер планет земной группы. Они состоят главным образом из водорода и гелия. Из спутников планет плотную атмосферу имеет только Титан. Основным компонентом атмосферы Титана является азот.
Вертикальная структура атмосферы определяется полем тяготения планеты, температурой атмосферы и её химическим составом. Давление в атмосфере убывает в е раз при изменении высоты на величину

H = RT/μg,

Где μ - молекулярная масса газа, g - ускорение силы тяжести, R - газовая постоянная. Величина Н называется шкалой высоты или высотой однородной атмосферы. Она является функцией геометрической высоты h, так как Т, μ и g зависят от h.
Процессы конвекции и турбулентность приводят к перемешиванию газов атмосферы. Вышеприведённая формула при этом всё равно остаётся справедливой, однако за молекулярную массу газа в этом случае надо брать среднее для всех газов значение. Перемешивание газов ведёт к установлению для них единой шкалы высот. Препятствует этому диффузия, которая стремится установить свою шкалу высот для каждого газа.
Скорость диффузии обратно пропорциональна числу молекул газа в единице объёма. В планетных атмосферах диффузия начинает преобладать над перемешиванием при концентрациях n≤10¹² - 10¹³ см‾³. в земной атмосфере это соответствует высоте 100 - 120 км. Этот уровень называется гомопаузой. Часть атмосферы ниже гомопаузы называется гомосферой (областью перемешивания), выше - гетеросферой (областью диффузионного разделения). Наличие гетеросферы приводит к тому, что водород и гелий на высоте нескольких сот километров становятся основными компонентами атмосфер даже планет земной группы. Поэтому их самой внешней частью являются водородные короны. Благодаря малой молекулярной массе атомарного водорода, образуемая им корона простирается на многие тысячи километров над поверхностью Земли. Газы внешних слоёв атмосферы способны из неё улетучиваться. Этот процесс называется диссипацией атмосфер. В результате диссипации из атмосфер планет земной группы улетучивается водород и гелий. В атмосферах планет-гигантов эти газы удерживаются благодаря большому полю тяготения.
Температура атмосферы определяется её тепловым балансом. Нижняя часть атмосферы частично или полностью непрозрачна для теплового излучения поверхности планеты и самой атмосферы. Солнечное излучение в видимом диапазоне проникает достаточно глубоко и нагревает поверхность планеты и нижние слои атмосферы, а поток собственного теплового излучения планеты уходит вверх. По этой причине температура в нижних слоях атмосферы уменьшается снизу вверх. Нижняя часть атмосферы с большим по абсолютной величине градиентом температуры называется тропосферой. Падение температуры прекращается на уровне, выше которого атмосфера становится прозрачной для теплового излучения. Этот уровень называется тропопаузой. Над тропопаузой расположена мезосфера (стратомезосфера) - область, где температура относительно постоянна. Исключение составляет Земля, в атмосфере которой существует температурный пик (мезопик), разделяющий стратосферу и мезосферу. Мезопик обусловлен поглощением солнечной радиации озоном (2000Ǻ < λ < 3000Ǻ).
Коротковолновое (λ < 1300Ǻ) ультрафиолетовое излучение Солнца поглощается в высоких слоях атмосферы (примерно соответствующих по высоте гетеросфере). В результате этого образуется горячая область верхней атмосферы - термосфера. В отводе теплоты участвуют молекулярная и турбулентная теплопроводности (вниз), а также излучение молекул в инфракрасном диапазоне (вверх). На Земле эффективны только первые два процесса, на Венере и Марсе существенную роль играет и третий. Это связано с большим содержанием в их атмосферах углекислого газа, молекулы которого являются хорошими излучателями.
Поглощение ультрафиолетового излучения Солнца приводит к диссоциации молекул и ионизации молекул и атомов, в результате чего в верхних слоях атмосферы появляются атомы и более простые молекулы - продукты диссоциации молекул, имеющихся в нижних слоях атмосферы. В результате этого на высотах 100 - 120 км в атмосферах планет земной группы основным компонентом является атомарный кислород. Ионизация приводит к образованию атомных и молекулярных ионов и свободных электронов. Поэтому планетная термосфера является одновременно ионосферой.
Солнечный ветер, набегая на планеты тормозится либо их собственным магнитным полем (Меркурий, Земля, Юпитер, Сатурн), либо наведённым в результате взаимодействия с ионосферой. Собственное или наведённое магнитное поле создаёт магнитосферу планеты. В атмосферах планет, помимо газов, могут присутствовать несколько типов аэрозольных частиц: твёрдые пылинки, поднятые с твёрдой поверхности планеты, жидкие или твёрдые частицы, возникшие в результате конденсации газов, метеорная пыль, которая может играть роль ядер конденсации. Пыль, поднятая с поверхности в больших количествах иногда на несколько месяцев делает непрозрачной атмосферу Марса. Облака в атмосферах Венеры, Земли и планет-гигантов являются конденсационными. На Земле облака состоят из частиц жидкой воды или льда, на Юпитере верхний слой облаков состоит из кристаллов аммиака (вероятно в нижних слоях атмосферы есть и водяные облака), на Сатурне из аммиака и, вероятно, метана. Облачный покров Венеры состоит из нескольких фракций, одна из которых состоит, по-видимому, из водного раствора серной кислоты, состав других пока под вопросом. Атмосферы планет-гигантов образовались вместе с планетами и в дальнейшем не изменялись. Вопрос с образованием атмосфер планет земной группы пока не ясен. Наиболее вероятными механизмами образования атмосфер планет земной группы считаются: постепенная дегазация планет (относительно равномерное выделение газов в результате вулканических процессов в течение всего времени существования планеты); катастрофическая дегазация в период образования планеты или вскоре после него; захват газов непосредственно из протопланетной туманности. Возможно в образовании планетных атмосфер принимали участие все три указанных процесса, причём распределение их долей для разных планет и разных газов может довольно сильно различаться.

Таблица. Химический состав атмосфер Венеры, Земли, Марса и Юпитера. Объёмное содержание, %.

Газ Венера Земля Марс Юпитер
Водород Н2 <10-3 <5x10-5 - 86
Кислород О2 <10-3 21 0,1 -
Озон О3 ? 10-6 - 10-5 10-5 -
Азот N2 3,5 78,1 2,5 -
Сера S2 2x10-5 - - -
Двуокись углерода СО2 96,5 3x10-2 95 -
Водяной пар Н2О 0,2 0,1 0 - 0,2 +
Окись углерода СО 3x10-3 10-4 0,08 -
Метан СН4 <10-4 1,8x10-4 4x10-4 0,04
Аммиак NH3 <2x10-4 <10-5 <10-5 0,06
Двуокись серы SO2 1,5x10-2 10-4 <10-6 -
Хлористый водород HCl 4x10-5 <10-5 <10-5 -
Фтористый водород HF 5x10-7 <10-7 <10-7 -
Ацетилен С2Н2 <10-6 <10-5 <5x10-4 2x10-6
Этан С2Н6 <10-6 <10-5 <4x10-4 10-4
Фосфин РН3 - <10-5 - +
Гелий Не 10-2 5x10-4 - 14
Неон Ne 1,3x10-3 1,8x10-3 - -
Аргон Ar 1,5x10-2 0,9 1,5 -
Криптон Kr 6,5x10-5 1,1x10-4 3x10-5 -
Ксенон Хе - 8,7x10-6 8x10-6 -
Средняя молекулярная масса 43,5 28,8 43,5 2,3

+ - имеется качественное отождествление.

Рекомендации Друзья