Por que a atmosfera terrestre é tão fina?

Vênus é um pouco mais leve que a Terra, mas tem uma atmosfera muito mais espessa. Alguém poderia imaginar que o seguinte deveria ser verdade:

1. Durante a fase de formação, todos os planetas internos capturaram o máximo de gás possível por equilíbrio gravitacional / termodinâmico. Afinal, mesmo Marte insignificante conseguiu capturar uma atmosfera considerável.
2. A taxa de fuga atmosférica deve ser muito maior para Vênus:
   • Vênus recebe mais calor do sol, portanto, maior taxa de escape de Jeans
   • Vênus tem um campo magnético insignificante, portanto, parte de sua atmosfera deve ser perdida para direcionar a "descarga" pelo vento solar

No entanto, é a Terra que aparentemente perde uma grande quantidade de volume atmosférico. Portanto, a pergunta é: quais são as teorias atuais sobre o "afinamento" da atmosfera terrestre? Quando e por que os gases atmosféricos deixaram o planeta?

A resposta curta: gases atmosféricos nunca mais deixou a Terra, eles estão em -lo!

A longa resposta a essa pergunta não se refere apenas aos estados atuais dos planetas, mas aos processos que os levaram até lá. Vamos começar do começo (um ótimo lugar para começar).

Os primeiros anos

Quando nosso sistema solar começou a se formar 4,6 bilhões de anos atrás, a maior parte da massa da parte colapsada de uma nuvem molecular (veja a hipótese nebular ) coletada no centro para formar o Sol. A massa que não entrou em colapso no Sol deixou um disco protoplanetário - uma nuvem de poeira e gás - ao redor da nova estrela. Gradualmente, as partículas de poeira começaram a se unir através da acumulação, atraindo cada vez mais partículas para planetas incipientes.

Perto do Sol, onde Vênus e Terra residem, estava muito quente para condensar muitas partículas, de modo que os planetas nessa região se formaram com metais e silicatos, com altos pontos de fusão. É por isso que os quatro planetas no Sistema Solar interno são chamados de planetas "rochosos" ou "terrestres". As primeiras atmosferas nesses planetas começaram a se formar com a coleta gradual de gases da nebulosa solar, principalmente hidrogênio.

Cachinhos Dourados e os dois planetas

Nesse ponto da evolução dos dois planetas, eles pareciam bastante semelhantes, mas há uma grande diferença: a distância do Sol. Parece que a Terra teve sorte de estar na "zona Cachinhos Dourados", onde a temperatura é perfeita para sustentar a vida. Estar nesta zona tem duas implicações principais: água líquida e, como conseqüência, tectônica de placas ativa. (Consulte este artigo para uma visão detalhada do motivo pelo qual os dois estão relacionados.)

Dissipadores de carbono

Na Terra, há água considerável contida em oceanos líquidos. Em Vênus, este não é o caso. É simplesmente muito quente que perto do Sol, então toda a água evaporou na atmosfera. (Vênus provavelmente continha água líquida em seus estágios iniciais, mas tudo evaporou depois de um bilhão de anos ou mais.) Também é provável que a jovem Terra tenha uma vez uma atmosfera densa e penosa como a de Vênus hoje. No entanto, os oceanos da superfície e as placas tectônicas forneceram amplas vias para a absorção de gases na superfície da Terra. Os oceanos e as placas tectônicas oferecem grandes quantidades de armazenamento de carbonato, permitindo a transferência e o equilíbrio de compostos de carbono para e da atmosfera.

Então agora temos duas coisas que reforçam as diferenças entre as atmosferas da Terra e de Vênus:

• Evaporação da água líquida : Está muito quente em Vênus para que exista água líquida. Toda a água evaporou, resultando em uma atmosfera mais densa. Na Terra, a água pode residir na superfície, diminuindo a quantidade na atmosfera.
• Dissipadores de carbono : a água líquida e as tectônicas de placas permitem que a Terra absorva quantidades consideráveis ​​de gás, permitindo que a atmosfera seja diluída de certos compostos como o dióxido de carbono. Não existe esse caminho em Vênus, forçando todo o gás a permanecer na atmosfera.

Sem grandes mecanismos de absorção de gases pelo planeta, Vênus está experimentando um efeito estufa descontrolado.

Fuga atmosférica

Você menciona a fuga de Jeans. É verdade que esse efeito é maior em temperaturas mais altas; no entanto, é muito mais fácil escapar moléculas menores do que moléculas maiores. Hidrogênio e hélio, sendo os dois menores elementos, são os mais afetados por esse fenômeno. Em comparação, o dióxido de carbono, que compõe a maior parte da atmosfera de Vênus, não é muito afetado pela fuga de Jeans.

Você também menciona ventos solares. Embora isso tenha algum efeito, especialmente em planetas sem campo magnético, esse fenômeno não é tão poderoso quanto você imagina. A luz ultravioleta (isto é, radiação fotoionizante) causa ionização na região mais alta da atmosfera. Essas partículas carregadas agora formam uma concha (chamada ionosfera) que desvia os ventos solares, como faria um campo magnético. Em Vênus, a atmosfera espessa fornece mais partículas para ionização, resultando em uma deflexão mais poderosa. (Compare isso com Marte, onde o vento solar é o principal mecanismo de escape não térmico devido à fina atmosfera com poucas partículas ionizadas.)

O principal mecanismo de escape atmosférico de Vênus é realmente um pouco mais complicado. Na ausência de um campo magnético, é mais fácil escapar partículas carregadas. Em particular, os elétrons são mais suscetíveis devido à sua pequena massa. À medida que os elétrons escapam, a carga líquida da ionosfera se inclina positiva, causando a ejeção de íons positivos, principalmente H ⁺ .

Conclusão

Enquanto a Terra e Vênus se formaram da mesma forma, a Terra teve sorte. Possui caminhos para remover gases da atmosfera, enquanto Vênus não. Além disso, os dois planetas não experimentam taxas significativamente diferentes de fuga atmosférica. Isso resulta nas densidades atmosféricas onde hoje se conhece: 66 kg / m ³ para Vênus e apenas 1,2 kg / m ³ para a Terra.

Eu acho que a resposta de dpwilson é excelente e votei nele, mas eu queria publicar este gráfico com a imagem antiga que vale o ponto de vista de mil palavras.

Vênus é um pouco mais leve que a Terra, mas tem uma atmosfera muito mais espessa. Alguém poderia imaginar que o seguinte deveria ser verdade:

Durante a fase de formação, todos os planetas internos capturaram o máximo de gás possível por equilíbrio gravitacional / termodinâmico. Afinal, mesmo Marte insignificante conseguiu capturar uma atmosfera considerável.

Talvez. Porém, durante o início do sistema solar, uma vez que o sol se formou e começou a bombear luz e explosões solares (e o sol do início era provavelmente muito mais ativo em disparar explosões solares em parte devido a uma rotação mais rápida), um fator chave a ser considerado é a linha Frost - que é muito além da terra.

Assim, 1 de 2 coisas podem acontecer na formação inicial do sistema solar. Primeiro, os planetas formam e coletam gelados e gases disponíveis antes que o sol comece a derreter / afastar qualquer gelo e gás dentro da linha de geada, ou 2, o sol se forma primeiro e os planetas internos têm muito pouco gás e água à medida que formam . Eles são bombardeados pelo hidrogênio ejetado do sol, mas principalmente os planetas internos não são bons em reter esse hidrogênio. No segundo cenário, qualquer atmosfera e água que receberem teriam que vir de impactos de cometas.

A atmosfera inicial dos planetas internos era principalmente CO2, CH4, NH3, talvez algum N2. Se Vênus foi atingido por alguns cometas extras, isso por si só explicaria e não é estatisticamente irracional. Agora, não estou dizendo que foi isso que aconteceu, apenas que é possível. Vênus retém a maior parte do CO2, mas pode perder com o tempo a maior parte dele é H20, CH3, NH3, talvez N2, se estiver presente, levando à atmosfera predominantemente de CO2 que possui hoje.

Também é teoricamente possível que o impacto gigante que formou a lua também tenha destruído grande parte da atmosfera primitiva da Terra. (não tenho certeza disso, mas a enorme adição de calor e rotação, é possível).

No gráfico acima, sugere que Vênus não perderá muito H20, mas outros gráficos têm Vênus mais perto da linha H20. (planetas da velocidade de escape do gás do Google para mais gráficos)

A taxa de escape atmosférico deve ser muito maior para Vênus: Vênus recebe mais calor do sol; portanto, maior taxa de escape de Jeans Vênus possui um campo magnético desprezível; portanto, parte de sua atmosfera deve ser perdida para direcionar o "sopro" pelo vento solar

Isso é verdade. Isso pode explicar por que Vênus tem tão pouca água que é comum no sistema solar. Mas em seu último ponto, Vênus tem um campo magnético induzido - veja aqui . dpwilson explicou isso com mais detalhes.

No entanto, é a Terra que aparentemente perde uma grande quantidade de volume atmosférico. Portanto, a pergunta é: quais são as teorias atuais sobre o "afinamento" da atmosfera terrestre? Quando e por que os gases atmosféricos deixaram o planeta?

Acho que ainda há incertezas sobre exatamente como era a atmosfera da Terra bilhões de anos atrás. Pode muito bem ter começado com uma atmosfera ainda mais densa do que Vênus atualmente, mas é difícil saber com certeza (pelo menos, nada que eu tenha lido sugere certeza sobre o assunto).

Vale ressaltar que carvão, petróleo e gás natural não se formam naturalmente, mas são o produto de plantas mortas e da vida marinha enterrada por centenas de milhões de anos. Além disso, muitas das rochas que vemos ao nosso redor têm oxigênio. O granito possui oxigênio, por exemplo. (Não há, ou pelo menos, muito pouco granito em Vênus). A absorção da atmosfera pela vida na Terra e a ligação do oxigênio à superfície e aos minerais dissolvidos do oceano provavelmente desempenharam um papel enorme na redução da atmosfera da Terra. A vida na Terra, por si só, poderia ser suficiente para explicar a diferença entre a atmosfera da Terra e a de Vênus.

Cometas:

1) Os cometas costumavam ser maiores. A cada passo perto do sol, os cometas encolhem. Além disso, não são apenas os cometas, é a lua gelada como objetos e asteróides, que, à medida que Júpiter migrou e o bombardeio pesado tardio, alguns deles poderiam ter sido muito grandes.

Veja: Aqui e Aqui e Aqui .

Além disso, eu não disse isso como definitivo, mas disse que era possível que grande parte da atmosfera de Vênus viesse de um grande ataque de cometa.

Parece que existem surpreendentemente poucas teorias sólidas sobre por que a Terra e Marte conseguiram perder a maioria de seus gases atmosféricos, enquanto Vênus conseguiu reter uma atmosfera magnífica.

Uma teoria plausível foi apresentada por um químico proeminente Octave Levenspiel et alii, com base nas antigas pesquisas soviéticas sobre a composição da crosta terrestre realizadas na década de 1950 (não pude encontrar nenhuma atualização substancial no modelo de composição da crosta desenvolvido desde então).

À primeira vista, a teoria funciona da seguinte maneira:

1. A Terra se formou com uma atmosfera semelhante ou mais densa que Venusiana. Seu ingrediente mais abundante deveria ter sido o CO2 (analogamente a Vênus e Marte).
2. A atmosfera terrestre conseguiu esfriar o suficiente para a água começar a condensar na fase líquida. O mecanismo exato para isso não está muito claro para mim (apesar da zona Goldilocks) porque a atmosfera quente e densa de CO2 / H2O deveria ter causado um efeito de "estufa" proeminente, impedindo que a superfície planetária se esfriasse (a menos que os modelos de efeito "estufa" são muito exagerados).
3. O CO2 atmosférico começou a se dissolver na água líquida (isso por si só representaria uma redução de cerca de 50% na pressão parcial de CO2). Água fortemente ácida começou a corroer o cálcio da crosta, dando início ao processo de formação de calcário.
4. A vida emergente acelerou o processo, sequestrando o CO2 atmosférico restante no gigantesco calcário e depósitos de carvão um pouco menores.

O esboço detalhado da teoria pode ser visto aqui: http://pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

Eu esperava que algumas respostas aqui possam sugerir teorias alternativas plausíveis. Em particular:

1. A "placa tectônica" provavelmente não tem nada a ver com a composição e os parâmetros da atmosfera atual. Até onde eu sei, ninguém jamais sugeriu que o manto possa reabsorver gases da atmosfera - pelo contrário, os gases liberados de um manto de resfriamento por uma atividade vulcânica devem contribuir para uma atmosfera mais densa (claramente, esse processo nunca ajudou Marte e também não está ajudando tanto a Terra). Os gases vulcânicos são compostos principalmente de CO2 e vapor de água (até 90% em massa), enquanto essas duas substâncias dificilmente estão presentes na atmosfera moderna (CO2 - ~ 350ppm, vapor - 0,4%, principalmente por evaporação não relacionada à reciclagem vulcânica) .
2. Os cometas são objetos relativamente leves (um cometa decente pesa 10000-100000 vezes menos que a atmosfera terrena atual e fina) com baixa densidade. O alto impacto de energia cinética de um cometa com um planeta provavelmente resultará na fuga da maioria dos gases contidos no cometa de volta ao espaço (e o aquecimento por impacto também adicionará alguns dos gases planetários à mistura de escape - um processo conhecido como "erosão do impacto"). "). Há muito tempo se acredita que nenhuma transferência substancial de matéria é possível entre cometas e planetas ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. "Atmosfera fina inicial" - a atmosfera sendo erodida ou perdida logo após a formação da Terra (Lua) não é plausível pela razão óbvia: de onde vem o calcário / carvão? Se a atmosfera terrestre foi perdida e depois reabastecida através da atividade tectônica, isso nos leva a voltar a uma pergunta original.