Атмосфера планети

Інфрачервоний знімок атмосфери Юпітера, зроблений зондом «Нові обрії», 2007

Атмосфера. Шари

Атмосфе́ра плане́ти — зовнішня пило-газово-аерозольна оболонка різної густини й хімічного складу, що утримується гравітаційною силою навколо планети і обертається разом з нею. У ній пилинки і частинки аерозолю певним чином розподілені у газовій оболонці. Тверді частки в атмосфері — це пил космічного й вулканічного походження та кристали замерзлих краплин.

Умови утримання газової оболонки планетами

Сонячне випромінювання, внутрішній нагрів і випромінювальні властивості атмосферних складових визначають її вертикальну структуру, тобто залежність тиску, температури, густини та хімічного складу від відстані до центру (чи висоти над поверхнею).

Процеси конвекції й турбулентність приводять до перемішування атмосферних газів, що веде до встановлення для них єдиної шкали висот H = RT/(μg) (R — універсальна газова стала, T — температура термодинамічна, μ — середня молярна маса, g — прискорення вільного падіння). Перешкоджає цьому дифузії явище, котра прагне встановити свою шкалу висот для кожного газу. Дифузія починає переважати над перемішуванням при концентраціях молекул n ~ (1012–1013) см-3. Завжди деяка кількість молекул має значення енергії, яке нескінченно збільшується. А тому жодна планета не буде в змозі утримати її біля себе, і молекула дисипує у міжпланетний простір. Не існує чіткої межі між атмосферою і оточуючим космічним простором.

Походження й еволюція атмосфери планет встановлені досить чітко у випадку планет-гігантів, в яких атмосфери утворилися разом із планетою і надалі практично не змінювалися. Для того, щоб планета могла захоплювати газ, швидкість дисипації повинна бути в кілька разів більшою від середньої теплової швидкості. Для планети, яка б стійко зберігала свій газ, швидкість дисипації повинна в 5 і більше разів перевищувати середню теплову швидкість. Тобто стійкість атмосфери планет залежить від співвідношення між найімовірнішою швидкістю руху молекул атмосфери V і другою космічною швидкістю V2. Атмосфера буде стійкою, якщо V хоча б у 6 разів буде меншою від V2. Якщо поповнення газу в атмосфері відбувається швидше, ніж його втрата, то маса планети і параболічна швидкість молекул будуть рости, а в міру нагромадження газу швидко ростиме й розмір планети. Це сприятиме подальшому нагромадженню газу й пилу доти, поки не вичерпається речовина навколо планети.

Склад та стратифікація атмосфери планет

Склад атмосфери планет залежить від багатьох факторів: розміру небесного тіла, його маси і величезної кількості інших параметрів. Найважливішою газовою складовою на початку процесу захоплення газу масивною планетою є гелій, тому що його багато у протопланетній хмарі, й при тій же рівноважній температурі його легше захопити, ніж водень. Після захоплення деякої кількості гелію планетою масою понад 3 маси Землі — розпочинається швидкий процес захоплення водню, що нагадує ріст «сніжної лавини». Внаслідок таких процесів у Сонячній системі з’явилися планети-гіганти Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун.

Чим більша маса планети, тим легший газ в її атмосфері буде утримуватися. Наприклад, якщо в атмосферах планет земного типу (Меркурій, Венера, Земля, Марс) міститься азот, вуглекислий газ, кисень тощо, то в атмосферах планет-гігантів — утримується навіть гелій і водень.

Нижня межа атмосфер планет земного типу проходить по їх поверхні. Глибина атмосфери планет, що складаються здебільшого з газів (планети-гіганти), може бути дуже великою. Адже у планет-гігантів немає твердої поверхні, і тропосфера плавно переходить в океан мантії. Стан атмосфери характеризують такі параметри, як температура, тиск, густина, газовий склад, вологість, концентрація твердих і рідких аерозолів, швидкість вітру.

Фізичні властивості

Атмосфери планет є неоднорідними у вертикальному і горизонтальному напрямах. Особливо суттєво вони змінюються у вертикальному напрямі. Атмосфера має шарувату будову: тропосфера, стратосфера, верхні шари атмосфери. Кожен шар відрізняється густиною повітря, хімічним складом, температурою тощо. Для планет земного типу за характером взаємодії з поверхнею у тропосфері виділяють граничний шар або шар тертя. У ньому швидкість вітру зменшується тим більше, чим ближче до поверхні.

Між тропосферою і наступною стратосферою існує перехідний шар, який називається тропопауза. Нижньою межею тропопаузи є рівень, де температура повітря з висотою починає підвищуватись, або не змінюється, або ж знижується дуже повільно. Стратосфера — це шар атмосфери, розташований над тропопаузою. У цьому шарі температура повітря з висотою спочатку не змінюється, а потім підвищується. Повітря в ній розріджене, холодне й сухе. Хмар у стратосфері майже немає; лише інколи утворюється туман.

Вище стратосфери розміщені верхні шари атмосфери. Мезосфера — шар атмосфери, що розташований над стратосферою, де температура з висотою знову знижується. Перехідний шар між стратосферою і мезосферою називається стратопаузою.

Термосфера (іоносфера) — це шар атмосфери дуже розрідженого іонізованого газу, який розташований над мезопаузою і простягається до висоти, де температура повітря на верхній межі термосфери сягає тисяч Кельвінів. Атоми атмосферних газів рухаються тут з дуже великими швидкостями, але густина повітря дуже мала; тому температура тут характеризує лише їх кінетичну енергію руху.

Екзосфера — це зовнішня частина атмосфери, шар розсіювання, що простягається до так званої корони, де атмосфера поступово переходить у міжпланетний космічний вакуум.

Атмосфера Меркурія

Атмосфера Меркурія не те щоб відсутня, але інша, сильно відрізняючись від того, що ми розуміємо власне під атмосферою. Оригінальна атмосфера цієї планети була розсіяна 4.6 млрд. років тому внаслідок дуже слабкої гравітації Меркурія, яка не змогла утримати її. Проте слабка і непостійна атмосфера на Меркурії збереглася. Склад атмосфери Меркурія включає в себе гелій, кисень, калій, натрій, також водяну пару.

Атмосфера планети періодично поповнюється з різних джерел, таких, як: частинки сонячного вітру, вулканічна дегазація, радіоактивний розпад елементів. Атмосферу Меркурія можна розділити на такі частини: нижню, середню, верхню і екзосферу. Його нижня атмосфера містить значну кількість пилу, яка надає Меркурію червоно-коричневого кольору; вона прогрівається до високої температури, завдяки відбитому від поверхні теплу; середня атмосфера має значну горизонтальну швидкість; верхня атмосфера Меркурія активно взаємодіє з сонячним вітром, який також нагріває її до високих температур.

Атмосфера Венери

Атмосфера Венери має щільний хмарний покрив. Він розташований на висотах 30–60 км, містить концентровану (75–80 %) сірчану кислоту. Температура і тиск спочатку падають зі збільшенням висоти від значення на поверхні 740 К і 93 бар, відповідно; мінімум температури — 150–170 К — на висоті 100–120 км, а надалі росте, досягаючи на висоті 12 тис км значення 600–800 К.

Встановлено, що легких ізотопів аргону на Венері на два порядки більше, ніж на Землі. Вітер, досить слабкий на поверхні планети (не більш 1 м/с), на висоті понад 50 км підсилюється до 150 м/с. Газова оболонка складається переважно із діоксиду вуглецю (96,5 %) і азоту (3.5 %), а також слідів діоксиду сірки, аргону, водяної пари, чадного газу, гелію тощо. Атмосфера Венери характеризується високою електричною активністю.

Атмосфера Землі

Атмосфера Землі — суміш газів, що в основному складається з азоту (N2, 78,08 %) і кисню (O2, 20,95 %). Решта — це аргон (0,93 %) та вуглекислий газ (CO2,0,03 %) з неоном, гелієм, метаном, криптоном, воднем та невеликими домішками інших газів (разом до 0,01 %). Крім того атмосфера містить близько (1,3—1,5)·1016 кг води, основну масу якої зосереджено у тропосфері.

Атмосфера Землі утворилися внаслідок дегазації мантії. Основними компонентами газів, що виділялися з надр Землі, були вуглекислий газ і водяна пара, інші компоненти були присутні лише у вигляді слідів. Склад первинної атмосфери Землі, що утворилася за рахунок виділення газів і води під час розплавлення планетної речовини, був аналогічний складу летких компонентів у сучасних вулканічних виверженнях: водяна пара, вуглекислий газ, HCl, HF, сірка та її сполуки (H2S, SO2), кислота борна і амонію солі.

Нинішня киснево-азотна атмосфера Землі – наслідок життєдіяльності живих організмів. Атмосфера складається з таких шарів (знизу вгору): тропосфера (до висоти 18 км), стратосфера (до 50), мезосфера (до 80), термосфера (1000), екзосфера (1900), геокорона (умовно до 20 тис км); далі атмосфера поступово переходить у міжпланетний космічний вакуум.

Основна маса повітря (90 %) зосереджена в тропосфері. Тут же відбуваються найінтенсивніші теплові процеси, причому атмосфера нагрівається знизу, від поверхні океанів і суходолу. Надзвичайно важливе екологічне значення для біосфери має озоновий шар у стратосфері, повітря якого збагачене триатомним киснем (О3). Він розташований на висоті (20–50) км і захищає все живе на Землі від згубної дії «жорсткого» ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Атмосфера Землі — це дуже важлива частина нашої планети, яка залишається вирішальним фактором у появі життя. Вона забезпечує життєдіяльність, підтримує існування гідросфери (водної оболонки планети) і захищає від ультрафіолетових випромінювань. Тобто, тільки оболонка Землі містить компоненти, які обумовлюють існування життя.

Атмосфера Марса

Атмосфера Марса становить не більше 1 % від об’єму земної атмосфери. Марс, сформований з того ж матеріалу, що й Земля, мав колись рідке і гаряче металеве ядро. Але він набагато менший Землі, і остигав він швидше. Коли рідке ядро охололо і затверділо, завершився процес конвекції, а разом з ним зник і магнітний щит планети — магнітосфера. Внаслідок цього планета залишилася беззахисною перед згубною енергією Сонця, і атмосфера Марса була практично повністю віднесена сонячним вітром.

Зараз атмосфера на Марсі — це тонка газова оболонка, що має дуже мале значення теплоємності, формує більш різко виражені середньодобові показники швидкості вітру. Вона характеризується дуже високим вмістом вуглекислого газу (95 %), містить азот (близько 2,7 %), аргон (приблизно 1,6 %), незначну кількість кисню (не більше 0,13 %) і деяку кількість водяної пари та метану. Особливість цього газу полягає в його швидкому розкладанні. Це означає, що на планеті повинне існувати джерело поповнення метану: або геологічна активність, сліди якої поки не виявлені, або життєдіяльність мікроорганізмів. Характерним ефектом марсіанської атмосфери є пилові бурі, які можуть тривати місяцями. Такий затяжний ефект обумовлений низькою гравітацією Марса.

Атмосфера Юпітера

Атмосфера Юпітера — газово-аерозольна оболонка навколо найбільшої планети в Сонячній системі. Вона не має чіткої нижньої межі й плавно переходить в океан з рідкого водню. В атмосфері Юпітера виділяють (знизу вгору) тропосферу, стратосферу, термосферу й екзосферу. Тропосфера містить складну систему з хмар і туманів, включаючи шари аміаку, гідросульфіду аміаку і води. Видимий шар хмар складається з аміаку. Атмосфера переважно складається з водню й гелію. Інші компоненти наявні у невеликих кількостях: метан, аміак, сірководень і вода.

Вода, ймовірно, перебуває в нижніх шарах атмосфери; її безпосередньо виміряна концентрація дуже мала. Поширеність вуглецю, азоту, сірки та інертних газів перевищує відповідні показники Сонця приблизно втричі. Відносна кількість гелію — 0,157 по відношенню до молекулярного водню по числу молекул.

Атмосфера Сатурна

Атмосфера Сатурна в зовнішній частині по об’єму складається на 96.3 % з молекулярного водню і на 3.3 % з гелію. Тобто частка гелію в атмосфері Сатурна значно менша ніж на Сонці. В атмосфері було знайдено сліди аміаку, ацетилену, етану, пропану, фосфіну і метану. Верхні видимі шари хмар складаються з льоду аміачного; нижче розташовані хмари із замерзлого гідросульфіду амонію (NH4SH). При тиску 10–20 бар та температурою 270–330 К містяться хмари з крапель водно-аміачного розчину. Ультрафіолетове випромінювання Сонця у верхніх шарах атмосфери викликає фотоліз метану.

Атмосфера Урана

Атмосфера Урана у верхніх шарах через низьку температуру складається переважно з водню й гелію; на певній глибині вона містить значні кількості аміаку, метану, води тощо. Атмосфера Урана ділиться на три основні шари. За нульовий рівень висоти прийнято умовну межу, де тиск становить 1 бар. Тропосфера охоплює проміжок висот від 300 км у глибину до 50 км вище умовної межі з тиском 1 бар (діапазон тиску від 100 до 0,1 бар). Стратосфера простягається від висоти 50 до 4000 км (тиск між 0,1 і 10−10 бар); від висоти 4000 км до кількох радіусів планети простягається екзосфера з майже нульовим тиском.

Атмосфера Урана не має мезосфери. Тропосфера Урану складається з таких шарів хмар: водних кристаликів льоду нижче тиску 50 бар, хмар з гідросульфіду амонію при тиску 20–40 бар, сірководневих й аміачних хмар при тиску 3–10 бар і метанових хмар при тиску 1,2 бар. У верхній тропосфері для молярної долі гелію приймають значення 0,15, водню — 0,82; також велика частка в атмосфері Урана належить метану (2.3 %.)

Атмосфера Нептуна

Атмосфера Нептуна у верхніх шарах складається на 80 % з водню, на 19 % з гелію та з незначної кількості домішок речовин, що є результатом фотолізу метану (якого близько 2 %). До цих домішок відносять: ацетилен C2H2, діацетилен C4H2, етилен C2H4 й етан C2H6, чадний газ CO і молекулярний азот N2. У невеликих кількостях є аміак, заморожена вода та інші хімічні елементи. На відміну від інших великих планет, в атмосфері Нептуна міститься дуже багато речовини у замороженому стані, що зумовлено його віддаленим від Сонця розташуванням.

Література

1. Атмосфера планети // Астрономічний енциклопедичний словник / За заг. ред. І. А. Климишина, А. О. Корсунь. Львів : Львівський національний університет імені Івана Франка, 2003. С. 42.
2. Відьмаченко А. П., Мороженко О. В. Порівняльна планетологія. Київ : ТОВ ДІА, 2013. 552 с.
3. Відьмаченко А. П., Мороженко О. В. Фізичні характеристики поверхонь планети земного типу, карликових і малих планет та їх супутників за даними дистанційних досліджень. Київ : Профі, 2014. 388 с.
4. Encyclopedia of the Solar System / Ed. by T. Spohn, D. Breuer, T. Johnson. Amsterdam; Boston : Elsevier, 2014. 1336 p.

Автор ВУЕ

А. П. Відьмаченко

Відео

Атмосфери інших планет
Warning: touch(): Utime failed: Permission denied in /var/www/wiki.new/extensions/Widgets/vendor/smarty/smarty/libs/sysplugins/smarty_template_compiled.php on line 178