Телескопы покупают здесь


A A A A Автор Тема: Состав атмосферы землеподобных планет за зоной обитаемости  (Прочитано 739 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Онлайн UlmoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 1 683
  • Благодарностей: 60
    • Сообщения от Ulmo
Какой может быть состав атмосферы землеподобных планет за пределами зоны обитаемости, там где у нас Юпитер - Нептун? Моя грубая модель по скорости убегания молекул и атомов говорит, что для планет массой и размером с Землю должна оставаться водородная атмосфера, но интуиция сопротивляется подобному. Может у кого-то есть более точные данные каких-либо расчетов?

Оффлайн AlAn

  • Модератор
  • *****
  • Сообщений: 9 969
  • Благодарностей: 419
  • Александр
    • Сообщения от AlAn
Какой может быть состав атмосферы землеподобных планет за пределами зоны обитаемости, там где у нас Юпитер - Нептун? Моя грубая модель по скорости убегания молекул и атомов говорит, что для планет массой и размером с Землю должна оставаться водородная атмосфера, но интуиция сопротивляется подобному. Может у кого-то есть более точные данные каких-либо расчетов?

Вообще-то водород -- лёгкий элемент и в первых рядах должен покидать атмосферы небольших планет...
Осталось 379 символов

Оффлайн Ый

  • *****
  • Сообщений: 2 825
  • Благодарностей: 92
  • Полезный форум!
    • Сообщения от Ый
Моя грубая модель по скорости убегания молекул и атомов
Но кроме убегания, может существовать ещё и высвобождение атомов и образование молекул в результате каких-нибудь процессов на планете. Нужно подсчитывать баланс - сколько убегло, сколько образовалось. Есть такие данные?
Собака лает, караван идёт.

Оффлайн Klapaucius

  • *****
  • Сообщений: 10 304
  • Благодарностей: 168
  • Илья
    • Сообщения от Klapaucius
Какой может быть состав атмосферы землеподобных планет за пределами зоны обитаемости, там где у нас Юпитер - Нептун? Моя грубая модель по скорости убегания молекул и атомов говорит, что для планет массой и размером с Землю должна оставаться водородная атмосфера, но интуиция сопротивляется подобному. Может у кого-то есть более точные данные каких-либо расчетов?

Вообще-то водород -- лёгкий элемент и в первых рядах должен покидать атмосферы небольших планет...
Он наиболее распространённый элемент, и когда холодно а планета заметно больше спутника Сатурна Титана (в обсуждаемой зоне), с чего бы водороду улетать? Хотя по мне без разницы, будет ледяная корка а что над ней - пожалуй и неважно. Впрочем, в каких-то случаях парниковый эффект может быть...
Carthago restituenda est

Онлайн UlmoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 1 683
  • Благодарностей: 60
    • Сообщения от Ulmo
Вообще-то водород -- лёгкий элемент и в первых рядах должен покидать атмосферы небольших планет...
Он и убегает, когда средняя скорость атомов/молекул в экзосфере оказывается больше чем 1/5 скорости убегания. Но на больших расстояниях температура экзосферы падает.
Но кроме убегания, может существовать ещё и высвобождение атомов и образование молекул в результате каких-нибудь процессов на планете. Нужно подсчитывать баланс - сколько убегло, сколько образовалось. Есть такие данные?
Нет. Химическая и геологическая эволюция атмосферы мной пока не рассматривается (только температурные ограничения), так как никаких внятных данных у меня нет.

Оффлайн Foma

  • *****
  • Сообщений: 658
  • Благодарностей: 244
    • Сообщения от Foma
Какой может быть состав атмосферы землеподобных планет за пределами зоны обитаемости, там где у нас Юпитер - Нептун?
За снеговой линией тяжело ожидать образования именно землеподобной планеты, это будет разновидность Ганимеда/Титана с большой долей льда. Подобные сценарии рассматривались применительно к пресловутой 9 планете (см например здесь), для температур ниже 60 К их атмосферы - почти чисто водородно-гелиевые, возможно с метановыми облаками.

Оффлайн AlAn

  • Модератор
  • *****
  • Сообщений: 9 969
  • Благодарностей: 419
  • Александр
    • Сообщения от AlAn
Цитата: AlAn link=topic=204620.msg5704798#msg5704798 dateК=1668360047
Вообще-то водород -- лёгкий элемент и в первых рядах должен покидать атмосферы небольших планет...
Он и убегает, когда средняя скорость атомов/молекул в экзосфере оказывается больше чем 1/5 скорости убегания.

Средняя скорость атомов водорода для условий на Титане (93°К) составляет примерно 1240 м/с. Для молекулы водорода это будет -- 620 м/с. Вторая космическая для этого спутника -- 2640 м/с. ::)
И 620 м/с, и тем более 1240 м/с больше, чем 1/5 от 2460 м/с... :P

Вывод: даже в условиях Титана, водородная атмосфера довольно быстро (в масштабах развития Солнечной системы) улетучится. ;)
Осталось 379 символов

Онлайн UlmoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 1 683
  • Благодарностей: 60
    • Сообщения от Ulmo
Вывод: даже в условиях Титана, водородная атмосфера довольно быстро (в масштабах развития Солнечной системы) улетучится.
Со спутниками размером с Титан никаких проблем нет - там получаются более менее адекватные атмосферы. У меня возник вопрос именно с чем-то побольше
Подобные сценарии рассматривались применительно к пресловутой 9 планете (см например здесь), для температур ниже 60 К их атмосферы - почти чисто водородно-гелиевые, возможно с метановыми облаками.
Спасибо, посмотрю.

Онлайн Olweg

  • *****
  • Сообщений: 14 446
  • Благодарностей: 349
    • Сообщения от Olweg
Судя по открытиям «Кеплера» и TESS, небольшие планеты могут удерживать водородно-гелиевые атмосферы даже при инсоляции выше, чем у Земли. Например, масса Kepler-11f оценивается в 2.3 земных, а радиус - в 2.6 земных. Несложно посчитать, что плотность при этом получается как у Сатурна, 0.7 г/см3. А ведь большая полуось орбиты Kepler-11f - 0.25 а.е., то есть она ближе к своей звезде, чем Меркурий. При этом Kepler-11 по своим параметрам почти не отличается от Солнца и имеет сходную светимость. Так что планете земной массы ничто не помешает в районе Юпитера-Нептуна удержать первичную атмосферу.

And they bring good news of a world so newly born…

Оффлайн vika vorobyeva

  • ASTRONOMY.RU
  • *****
  • Сообщений: 8 638
  • Благодарностей: 612
    • Сообщения от vika vorobyeva
    • Записки Вики Воробьевой
Состав атмосферы небольших планет контролируется не только улетучиванием, но и вымерзанием атмосферных газов. Поэтому за границей условного пояса астероидов не будет углекислотных атмосфер – углекислый газ независимо от своего количества будет вымерзать на поверхности сухим льдом.
Следующее распространенное летучее вещество – молекулярный азот. Азот хорош тем, что практически не подвергается фотолизу (молекула N2 очень прочная), а еще у него сравнительно высокое давление насыщающих паров. Поэтому атмосферы небольших тел за орбитой Юпитера в Солнечной системе или преимущественно, или полностью азотные (Титан, Тритон, Плутон).
Метан – широко распространен, но легко подвергается фотолизу, поэтому без постоянной подпитки метановые атмосферы существовать не могут. Однако метан может быть примесью к азотной атмосфере, что мы и видим на примере Титана и Плутона.
Еще одно летучее вещество, которого должно быть много на дальних окраинах планетных систем – это неон. Неон очень летуч (при 1 атм. кипит при 27 К), поэтому он может войти в состав атмосфер достаточно крупных и очень далеких от звезды планет.
Ну и водород, конечно.

Кстати, можно посчитать массу планеты, которая должна удерживать водород в атмосфере.
Температура экзосферы определяется не тепловыми процессами, а фотоионизацией солнечным ультрафиолетом и космическими лучами. Глядя на Плутон, эту температуру можно оценить в 100-150 К. Средняя скорость атомов водорода при такой температуре составит 1400-2000 м/с, а требуемая 2-я космическая скорость – 7-10 км/с. То есть планета с массой Земли, находясь на орбите Нептуна, спокойно удержит водородную атмосферу.

я не заметила момента
когда мой замок из песка
стал превращаться в криворожский
железорудный комбинат

Онлайн UlmoАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 1 683
  • Благодарностей: 60
    • Сообщения от Ulmo
Состав атмосферы небольших планет контролируется не только улетучиванием, но и вымерзанием атмосферных газов.
Вымерзание газов, как и выпадение дождями я у себя уже как-то учитываю. Плюс минус лапоть, но если температура ниже точки замерзания то все - газ замерз.
Азот хорош тем, что практически не подвергается фотолизу (молекула N2 очень прочная),
А вот об этом не знал. Спасибо, надо как-то учесть в модели. К стати, раз о  том пошла речь, где посмотреть данные по фотолизу молекул основных газов встречающихся в атмосфере?
Температура экзосферы определяется не тепловыми процессами, а фотоионизацией солнечным ультрафиолетом и космическими лучами.
Есть ли какие-то данные почему у Юпитера и Сатруна температура экзосферы повышенная? Я когда апроксимировал кривую температуры в зависимости от расстояния до звезды, использовал данные по планетам солнечной системы, после чего на Титане всю атмосферу сдуло :) Пришлось выкидывать Юпитер с Сатурном, и с трудом находить температуру экзосферы для Титана для апроксимации - только тогда Титан смог сохранить атмосферу.

Оффлайн vika vorobyeva

  • ASTRONOMY.RU
  • *****
  • Сообщений: 8 638
  • Благодарностей: 612
    • Сообщения от vika vorobyeva
    • Записки Вики Воробьевой
Насколько мне известно, температура экзосферы определяется сложным балансом между поглощением и излучением энергии. И этот баланс считается для каждой планеты отдельно и не на коленке. Так, у Земли температура экзосферы 1-2 тыс. К, а у Венеры 300-400 К из-за охлаждающего действия излучения в многочисленных полосах углекислого газа.
У Плутона и Тритона температуры экзосферы близки к 100 К. Видимо, на расстоянии 30 а.е. от Солнца баланс складывается именно так. При этом в Википедии про Нептун пишут, что "По невыясненным причинам термосфера планеты аномально горячая: около 750 К". То есть моделей, безошибочно предсказывающих температурный профиль планет, нет до сих пор.

Обобщая, можно считать, что температура экзосферы планеты с массой Земли на орбите Нептуна снизу ограничена 100 К, а сверху 750 К, причем величина 750 К считается аномально большой :)
я не заметила момента
когда мой замок из песка
стал превращаться в криворожский
железорудный комбинат

Оффлайн Set O. Lopata

  • ***
  • Сообщений: 175
  • Благодарностей: 14
    • Сообщения от Set O. Lopata
В атмосфере планеты земного типа еще будет присутствовать в заметном количестве аргон, накапливающийся при радиоактивном распаде 40K из минералов. Замерзает он при 84К, ни с чем не связывается и никуда не улетает.

Оффлайн Klapaucius

  • *****
  • Сообщений: 10 304
  • Благодарностей: 168
  • Илья
    • Сообщения от Klapaucius
В атмосфере планеты земного типа еще будет присутствовать в заметном количестве аргон, накапливающийся при радиоактивном распаде 40K из минералов. Замерзает он при 84К, ни с чем не связывается и никуда не улетает.
На Земле первичного Аргона почти нет, а на Венере изотопы пополам, первичный и радиогенный (и в сумме земному парциальному давлению аргона). Его немного, так что и вдалеке вряд ли много скопится. Но может улетучивание и на Венере было очень сильным, обоих изотопов аргона.
Скорее раз водород не улетучивается, то и гелия там будет десятки процентов от атмосферы, как на планетах-гигантах. Впрочем условия формирования планет 0,5-3 земных масс там могут сильно отличаться от Венеры с Землёй.
Carthago restituenda est

Оффлайн vika vorobyeva

  • ASTRONOMY.RU
  • *****
  • Сообщений: 8 638
  • Благодарностей: 612
    • Сообщения от vika vorobyeva
    • Записки Вики Воробьевой
Еще немного порылась.
Температура экзосферы Титана (1200 км от поверхности) – 180 К.
(https://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1991ApJ...383..380Y)

Как я поняла, сравнительно холодные экзосферы получаются при наличии там молекул-охладителей со спектральными полосами в ИК-диапазоне. В случае Венеры и Марса это углекислота, в случае Титана и Плутона – циановодород и углеводороды. Причем концентрация молекул-охладителей может быть и достаточно низкой.
Если атмосферы планет будут состоять преимущественно из водорода и гелия, то молекул-охладителей может быть совсем мало, и экзосферы окажутся "горячими".
Пусть температура экзосферы равна 500 К. Тогда средняя скорость атомов водорода составит 6.7 км/с, и гравитационное поле планеты с массой Земли его не удержит. А вот скорость атомов гелия окажется вдвое меньше, и гелий будет улетучиваться гораздо медленнее. То есть возникает еще один вариант для очень холодной планеты земного типа – атмосфера состоит преимущественно из гелия с примесью неона.
Хотя если планета захватит из протопланетного диска много водорода (будет мини-нептуном), то она может сочиться этим водородом миллиарды лет, пока он окончательно выветрится.
я не заметила момента
когда мой замок из песка
стал превращаться в криворожский
железорудный комбинат

Онлайн Wert

  • ***
  • Сообщений: 136
  • Благодарностей: 4
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от Wert
Здесь можно посмотреть скорости потери водородной атмосферы для планеты аналога Земли и суперземли с радиусом в 2 раза больше и массой в 10 раз больше при разных условиях (поток XUV и эффективности нагрева).
https://europepmc.org/backend/ptpmcrender.fcgi?accid=PMC3865622&blobtype=pdf

Оффлайн Klapaucius

  • *****
  • Сообщений: 10 304
  • Благодарностей: 168
  • Илья
    • Сообщения от Klapaucius
Здесь можно посмотреть скорости потери водородной атмосферы для планеты аналога Земли и суперземли с радиусом в 2 раза больше и массой в 10 раз больше при разных условиях (поток XUV и эффективности нагрева).
https://europepmc.org/backend/ptpmcrender.fcgi?accid=PMC3865622&blobtype=pdf
Может я сильно не правильно понял, но там во многом вдохновившись примером Кеплер-11 (а эти 6 планет ближе чем Венера к Солнцу, звезде такой же яркой как Кеплер-11 в пределах погрешности, но Кеплер-11 скорее всего более старая звезда чем Солнце по параметрам), делают заключение что в таких и более экстремальных условиях водородные атмосферы у планет земной массы раз уж сформированы изначально, не улетучатся миллиарды лет. То есть экстраполируют Кеплер-11 в более жёсткие условия, а не что там будет вдали от звезды. Хотя некоторые термины, сокращения я мог понять совершенно неверно.
Carthago restituenda est

Оффлайн Rattus

  • Модератор
  • *****
  • Сообщений: 12 629
  • Благодарностей: 482
  • Души прекрасные порывы!
    • Сообщения от Rattus
Поэтому атмосферы небольших тел за орбитой Юпитера в Солнечной системе или преимущественно, или полностью азотные
И не только за орбитой Юпитера и даже Марса. ;) Атмосфера Земли кагбе тоже преимущественно азотная - более чем на 3/4.
Да и в атмосфере Венеры парциальное давление азота того же порядка.
Всякий флудер в ВЖР да опасно ходит. Толковый же принесёт пруфлинк.

Ннапыльн%х тpапинкахъ далиокихъ плонеттъ астануцца нашшы погадкиъ! (ЙожЪ, SKL)
Скоро у людей закончится космос. (П.Лемтыбож - "Теоремы Пафнуция")
Я брала города, я стану - еда! (Серебряная Свадьба - "Пищевая цепочка")
Уранизация естественным образом снижает численность человечества (Вика Воробьёва, ВЖР, 30.10.2012)

Оффлайн vika vorobyeva

  • ASTRONOMY.RU
  • *****
  • Сообщений: 8 638
  • Благодарностей: 612
    • Сообщения от vika vorobyeva
    • Записки Вики Воробьевой
Атмосферы планет земной группы азотные, только если из них удалить углекислый газ. В составе солнечного вещества на 100 атомов азота приходится 851 атом кислорода и 398 атомов углерода, т.е. в среднем на 50 молекул азота придется ~400 молекул углекислого газа. (Источник: http://infofiz.ru/index.php/mirastr/ss/282-solnce)
Поэтому азотная атмосфера Земли – скорее аномалия, чем норма. Атмосферы землеподобных планет в большинстве своем должны быть углекислотными с примесью азота на уровне нескольких процентов.
А вот за условным главным поясом астероидов углекислота вымерзает, и остаются азот с аргоном.
я не заметила момента
когда мой замок из песка
стал превращаться в криворожский
железорудный комбинат

Оффлайн Dayan

  • *****
  • Сообщений: 5 112
  • Благодарностей: 274
    • Сообщения от Dayan
Атмосферы планет земной группы азотные, только если из них удалить углекислый газ. В составе солнечного вещества на 100 атомов азота приходится 851 атом кислорода и 398 атомов углерода, т.е. в среднем на 50 молекул азота придется ~400 молекул углекислого газа. (Источник: http://infofiz.ru/index.php/mirastr/ss/282-solnce)
Поэтому азотная атмосфера Земли – скорее аномалия, чем норма. Атмосферы землеподобных планет в большинстве своем должны быть углекислотными с примесью азота на уровне нескольких процентов.
А вот за условным главным поясом астероидов углекислота вымерзает, и остаются азот с аргоном.
Но это, я так понимаю, если не учитывать водород, который связывает кислород в воду прежде всего, а углерод – в различные органические соединения (что в межзвёздных облаках, что в протопланетном облаке). Из остатков уже получается углекислый и угарный газы.
Потом, в протопланетном диске, что вода, что углекислый газ выметаются за пределы снеговых линий (линия водяного льда в Солнечной системе находится в Главном поясе астероидов), причём линия сухого льда находится дальше.
Тут возникает много вопросов.
Если на Земле изначально было много углекислого газа, то как она сразу не скатилась в устойчивый парник наподобие Венеры (только влажный, а это ещё хуже)? Ещё до процессов связывания в горных породах. А этого газа по количеству на Земле должно было быть сравнимо с тем, что есть на Венере, или даже больше. Напрашивается вывод, что углекислого газа на Земле изначально было мало, ведь она никогда не была парником. Углерода много, да. Только, видимо, не в форме углекислого газа, а, например, в виде каких-то органических соединений.
Тогда получается именно на Венере углекислого газа аномально много? Я могу предположить, что на молодой Венере углекислого газа было не очень много, но много углерода было в виде органических соединений. Затем цепь химических преобразований привела к образованию большого количества углекислого газа, который не связывался водой и горными породами.

Марс – отдельная загадка. Почему азота на нём мало? Планета вполне могла бы удержать его, но, вероятно, сформировалась в области протопланетного диска с уже выметенными летучими веществами (включая воду и углекислый газ). Другое объяснение – серия гигантских столкновений в раннюю эпоху могла лишить Марс летучих веществ. А нынешняя углекислотная атмосфера появилась в результате всё тех же (фото)химических процессов и дегазации недр.
« Последнее редактирование: 30 Дек 2022 [11:08:06] от Dayan »