УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАНЕТНЫХ АТМОСФЕР ВО ВРЕМЕНИ

В заключение этого параграфа рассмотрим один важный теоретический вопрос, имеющий отношение ко всем планетам сразу — вопрос об устойчивости планетных атмосфер во времени. Внешняя атмосфера планеты, ее экзосфера, настолько разрежена, что столкновения молекул и атомов, ее составляющих, между собой редки, и длина свободного пробега имеет тот же порядок, что и толщина экзосферы. Это значит, что какая-либо частица могла бы свободно покинуть планету и стать межпланетной частицей, если бы не притяжение планеты: оно искривит траекторию частицы и вернет частицу в экзосферу. Если же скорость самостоятельного движения частицы превышает вторую космическую скорость для данной планеты, т. е. ее параболическую скорость, то частица покинет планету совсем. Параболическая скорость на поверхности планеты, масса которой , а радиус р, определяется равенством

    (33.42)

если и выражать в единицах земной массы и радиуса. В применении к данной задаче получила название скорости ускользания. В таблице 22 скорости ускользания приведены для всех планет.

В то же время скорости беспорядочного движения частиц в газе определяются распределением Максвелла [см. формулу (2.20)], при котором наивероятнейшая скорость частицы

Очевидно, что если реальная скорость движения частицы, находящейся в экзосфере, превышает , то частица имеет много шансов покинуть планету. Если же для атмосферы планеты в целом , то вся атмосфера неминуемо и быстро практически до конца рассеется в межпланетном пространстве. Последнее условие — слишком сильное. При распределении Максвелла всегда имеется некоторое число частиц со скоростями, значительно превышающими скорость а, и если, например, , то частицы со скоростями, большими 2а, покинут экзосферу. В атмосфере будут появляться все новые и новые частицы, случайно приобретшие скорости, большие 2а, и они тоже будут покидать планету, находясь в экзосфере. Атмосфера и в этом случае будет рассеиваться, только этот процесс замедлен тем больше, чем меньше а по сравнению с . Когда , процесс этот бесконечно долог. Точные подсчеты затруднительны в случае химически неоднородной атмосферы, так как различные в химическом отношении молекулы имеют различные массы, и, следовательно, разные значения а. Атмосфера может сравнительно быстро потерять легкие газы и сохранить тяжелые. Дело облегчается тем, что как раз легкие газы простираются на наибольшую высоту. Для планетной атмосферы, находящейся в состоянии гидростатического равновесия, справедливо то же уравнение (4.4), которое было приведено нами для атмосферы Солнца, а именно, изменение давления с высотой следует формуле

    (33.44)

где Н — высота однородной атмосферы:

    (33.45)

Чем легче газ, т. е. чем меньше и чем выше температура атмосферы, тем больше и тем медленнее падают давление и плотность с высотой. Для самых легких газов, имеющихся в земной атмосфере — гелия и водорода — Н особенно велика, в результате чего экзосфера содержит в основном только эти газы, что видно из таблицы 8. Сильное возбуждение корпускулярным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, типичное для экзосферы, приводит к тому, что здесь и температура высока, так что ускользание водорода и гелия в мировое пространство облегчается. Иначе обстоит дело на планете Меркурий и Луне, где для легких газов, а также у астероидов и многих спутников больших планет, у которых .

У них атмосфера вся или в части легких газов не могла удержаться и была растеряна на протяжении миллионов или сотен миллионов лет. Рассеяние атмосферы у той или иной планеты, даже когда для нее , могло произойти в прошлом, если планета была ранее горячей. Наоборот, выделение газов из горных пород, составляющих поверхность планеты, под действием солнечного излучения (электромагнитного или корпускулярного) может поддерживать слабую атмосферу из тяжелых газов на таких планетах, как Меркурий, или на Луне.

Таблица 25. Время рассеяния различных составляющих атмосфер Земли и Марса при разных предположениях о температуре экзосферы. Приведены значения времени, в течение которого мощность атмосферы убывает в раз

Таблица 25 показывает, в течение какого времени атмосферы Земли и Марса уменьшаются по массе в раз, т. е. до 36,8 % первоначального значения. Числа приведены, конечно, раздельно для атмосфер разного химического состава и в предположении, что температура экзосферы равна 1000 и 2000 К. В случае Марса последнее значение может быть преувеличено, но если проинтерполировать между двумя столбцами на более низкое значение , то можно заметить, что время испарения азота на 63 % из атмосферы Марса составляет немного миллионов лет. У земной атмосферы неустойчив только водород. Устойчивость атмосферы Венеры такая же, как у Земли. У больших планет устойчивость атмосфер огромна как вследствие высокого значения скорости ускользания, так и из-за низкой температуры их верхних атмосфер.