¿Por qué la atmósfera terrestre es tan delgada?

Venus es algo más ligero que la Tierra, pero tiene una atmósfera mucho más gruesa. Uno podría imaginar que lo siguiente debería ser cierto:

1. Durante la fase de formación, todos los planetas internos habían capturado la mayor cantidad de gas que podían contener por equilibrio gravitacional / termodinámico. Después de todo, incluso el insignificante Marte logró capturar una atmósfera considerable.
2. La tasa de escape atmosférico debería ser mucho mayor para Venus:
   • Venus recibe más calor del sol, por lo tanto, una mayor tasa de escape de Jeans
   • Venus tiene un campo magnético insignificante, por lo que parte de su atmósfera debe perderse para ser expulsada directamente por el viento solar.

Sin embargo, es la Tierra la que aparentemente pierde una gran cantidad de volumen atmosférico. Entonces la pregunta es: ¿cuáles son las teorías actuales sobre el "adelgazamiento" de la atmósfera terrestre? ¿Cuándo y por qué los gases atmosféricos abandonaron el planeta?

La respuesta corta: los gases atmosféricos nunca abandonaron la Tierra, ¡están en ella!

La larga respuesta a esta pregunta no se trata solo de los estados actuales de los planetas, sino más bien de los procesos que los llevaron allí. Comencemos desde el principio (un muy buen lugar para comenzar).

Los primeros años

Cuando nuestro sistema solar comenzó a formarse hace 4.600 millones de años, la mayor parte de la masa de la porción colapsada de una nube molecular (ver hipótesis Nebular ) se reunió en el centro para formar el Sol. La masa que no colapsó en el Sol dejó un disco protoplanetario, una nube de polvo y gas, que rodea a la nueva estrella. Gradualmente, las partículas de polvo comenzaron a unirse a través de la acumulación, atrayendo más y más partículas a planetas incipientes.

Cerca del Sol, donde residen Venus y la Tierra, hacía demasiado calor para que muchas partículas se condensaran, por lo que los planetas de esta región se formaron con metales y silicatos, que tienen altos puntos de fusión. Esta es la razón por la cual los cuatro planetas del Sistema Solar interior se llaman planetas "rocosos" o "terrestres". Las primeras atmósferas en estos planetas comenzaron a formarse con la recolección gradual de gases de la nebulosa solar, principalmente hidrógeno.

Ricitos de oro y los dos planetas

En este punto de la evolución de los dos planetas, se veían bastante similares, pero hay una diferencia importante: la distancia al Sol. Parece que la Tierra tuvo la suerte de estar en la "zona de Ricitos de Oro", donde la temperatura es la adecuada para mantener la vida. Estar en esta zona tiene dos implicaciones principales: agua líquida y, como consecuencia, tectónica de placas activa. (Consulte este artículo para obtener una visión detallada de por qué los dos están relacionados).

Sumideros de carbono

En la Tierra, hay agua considerable contenida en los océanos líquidos. En Venus, este no es el caso. Simplemente hace demasiado calor tan cerca del Sol, por lo que toda el agua se evaporó a la atmósfera. (Es probable que Venus contuviera agua líquida en sus primeras etapas, pero todo se evaporó después de aproximadamente mil millones de años). También es probable que la Tierra joven alguna vez tuvo una atmósfera densa y castigante como la de Venus hoy. Sin embargo, los océanos superficiales y la tectónica de placas proporcionaron amplias vías para que los gases sean absorbidos en la superficie de la Tierra. Los océanos y la tectónica de placas ofrecen grandes cantidades de almacenamiento de carbonato, lo que permite la transferencia y el equilibrio de los compuestos de carbono hacia y desde la atmósfera.

Así que ahora tenemos dos cosas que refuerzan las diferencias entre las atmósferas de la Tierra y Venus:

• Evaporación de agua líquida : Hace demasiado calor en Venus para que exista agua líquida. Toda el agua se ha evaporado, dando como resultado una atmósfera más densa. En la Tierra, el agua puede residir en la superficie, disminuyendo la cantidad en la atmósfera.
• Fregaderos de carbono : el agua líquida y la tectónica de placas permiten que la Tierra absorba cantidades considerables de gas, permitiendo que la atmósfera se diluya de ciertos compuestos como el dióxido de carbono. No existe tal camino en Venus, lo que obliga a que todo el gas permanezca en la atmósfera.

Sin mecanismos importantes para que el planeta absorba los gases, Venus está experimentando un efecto invernadero desbocado.

Escape atmosférico

Mencionas el escape de Jeans. Es cierto que este efecto es mayor a temperaturas más altas; Sin embargo, es mucho más fácil que las moléculas más pequeñas escapen que las más grandes. El hidrógeno y el helio, siendo los dos elementos más pequeños, son los más afectados por este fenómeno. En comparación, el dióxido de carbono, que constituye la mayor parte de la atmósfera de Venus, no se ve muy afectado por el escape de Jeans.

También mencionas los vientos solares. Si bien estos tienen un efecto, especialmente en planetas sin campo magnético, este fenómeno no es tan poderoso como podría pensar. La luz ultravioleta (es decir, la radiación fotoionizante) causa ionización en la región más alta de la atmósfera. Estas partículas cargadas ahora forman una capa (llamada ionosfera) que desvía los vientos solares, como lo haría un campo magnético. En Venus, la atmósfera espesa proporciona más partículas para la ionización, lo que resulta en una desviación más potente. (Compare esto con Marte, donde el viento solar es el principal mecanismo de escape no térmico debido a la delgada atmósfera con pocas partículas ionizadas).

El principal mecanismo de escape atmosférico para Venus es en realidad un poco más complicado. En ausencia de un campo magnético, es más fácil que las partículas cargadas escapen. En particular, los electrones son más susceptibles debido a su pequeña masa. A medida que los electrones escapan, la carga neta de la ionosfera se inclina positivamente, causando la expulsión de iones positivos, principalmente H ⁺ .

Conclusión

Mientras que la Tierra y Venus se formaron de manera similar, la Tierra tuvo suerte. Tiene vías para eliminar gases de la atmósfera, mientras que Venus no. Además, los dos planetas no experimentan tasas significativamente diferentes de escape atmosférico. Esto da como resultado las densidades atmosféricas que hoy se conocen: 66 kg / m ³ para Venus y solo 1.2 kg / m ³ para la Tierra.

Creo que la respuesta de dpwilson es excelente y lo voté, pero quería publicar este cuadro con la imagen anterior vale más que mil palabras.

Venus es algo más ligero que la Tierra, pero tiene una atmósfera mucho más gruesa. Uno podría imaginar que lo siguiente debería ser cierto:

Durante la fase de formación, todos los planetas internos habían capturado la mayor cantidad de gas que podían contener por equilibrio gravitacional / termodinámico. Después de todo, incluso el insignificante Marte logró capturar una atmósfera considerable.

Tal vez. Pero durante el sistema solar temprano, una vez que el sol se ha formado y comienza a bombear luz y erupciones solares (y el sol temprano probablemente fue mucho más activo en disparar las erupciones solares en parte debido a una rotación más rápida), un factor clave a considerar es la línea Frost , que está más allá de la Tierra.

Entonces, 1 de 2 cosas pueden suceder en la formación temprana del sistema solar. Uno, los planetas forman y recogen los hielos y gases disponibles que pueden antes de que el sol comience a derretirse / alejar cualquier hielo y gas dentro de la línea de escarcha, o 2, el sol se forma primero y los planetas interiores tienen muy poco gas y agua a medida que se forman. . Los bombardea el hidrógeno expulsado del sol, pero la mayoría de los planetas internos no son buenos para retener este hidrógeno. En el segundo escenario, cualquier atmósfera y agua que obtengan tendría que provenir de los impactos del cometa.

La atmósfera primitiva de los planetas internos era principalmente CO2, CH4, NH3 y quizás algo de N2. Si Venus fue golpeado por un par de cometas adicionales, eso solo lo explicaría y no es estadísticamente irracional. Ahora, no digo que esto haya sucedido, solo que es posible. Venus retiene la mayor parte de su CO2, pero podría perder con el tiempo la mayor parte de su H20, CH3, NH3, tal vez N2 si estuviera presente, lo que llevaría a la atmósfera de CO2 en su mayoría actual.

También es teóricamente posible que el impacto gigante que formó la luna también destruyó gran parte de la atmósfera primitiva de la Tierra. (No estoy seguro de eso, pero es posible la enorme adición de calor y rotación).

En el cuadro anterior, sugiere que Venus no perderá mucho H20, pero otros cuadros tienen a Venus más cerca de la línea H20. (planetas de velocidad de escape de gas de Google para más gráficos)

La tasa de escape atmosférico debería ser mucho más alta para Venus: Venus recibe más calor del sol, por lo tanto, la tasa de escape de Jeans más alta Venus tiene un campo magnético insignificante, por lo que parte de su atmósfera debe perderse directamente por el "viento" solar.

Esto es verdad. Bien podría explicar por qué Venus tiene tan poca agua que es común en el sistema solar. Pero en su último punto, Venus tiene un campo magnético inducido, vea aquí . dpwilson explicó esto con más detalle.

Sin embargo, es la Tierra la que aparentemente pierde una gran cantidad de volumen atmosférico. Entonces la pregunta es: ¿cuáles son las teorías actuales sobre el "adelgazamiento" de la atmósfera terrestre? ¿Cuándo y por qué los gases atmosféricos abandonaron el planeta?

Supongo que todavía hay incertidumbre sobre cómo era exactamente la atmósfera de la Tierra hace miles de millones de años. Bien podría haber comenzado con una atmósfera aún más densa que la que tiene Venus actualmente, pero es difícil saberlo con certeza (al menos, nada de lo que he leído sugiere certeza sobre el tema).

Vale la pena señalar que el carbón, el petróleo y el gas natural no se forman naturalmente, pero son producto de plantas muertas y vida marina enterrada durante cientos de millones de años. Además, muchas de las rocas que vemos a nuestro alrededor contienen oxígeno. El granito tiene oxígeno, por ejemplo. (No hay, o al menos, muy poco Granito en Venus). La absorción de la atmósfera por la vida en la tierra y por la unión del oxígeno a los minerales oceánicos superficiales y disueltos probablemente jugó un papel enorme en el adelgazamiento de la atmósfera de la Tierra. La vida en la tierra, por sí sola, podría ser suficiente para explicar la diferencia en la atmósfera de la Tierra con la de Venus.

Cometas:

1) Los cometas solían ser más grandes. Cada pase cerca del sol, los cometas se encogen. Además, no se trata solo de cometas, es una luna helada como objetos y asteroides, que, a medida que Júpiter migró y tuvo lugar el bombardeo pesado tardío, algunos de ellos podrían haber sido bastante grandes.

Ver: aquí y aquí y aquí .

Además, no lo dije como definitivo, dije que era posible que gran parte de la atmósfera de Venus proveniera de un gran ataque de un cometa.

Parece ser que existen sorprendentemente pocas teorías sólidas sobre por qué la Tierra y Marte lograron perder la mayoría de sus gases atmosféricos, mientras que Venus había logrado retener la atmósfera más magnífica.

Una destacada teoría fue presentada por un destacado químico, Octave Levenspiel et alii, basada en la antigua investigación soviética sobre la composición de la corteza terrestre realizada en la década de 1950 (no pude encontrar actualizaciones sustanciales al modelo de composición de la corteza desarrollado desde ese momento).

De un vistazo, la teoría funciona de la siguiente manera:

1. La Tierra se había formado con una atmósfera similar o más densa que la venusiana. Su ingrediente más abundante debería haber sido CO2 (análogamente a Venus y Marte).
2. La atmósfera terrestre logró enfriarse lo suficiente como para que el agua comenzara a condensarse en fase líquida. El mecanismo exacto para esto no está del todo claro para mí (a pesar de la zona de Ricitos de Oro) porque la atmósfera cálida y densa de CO2 / H2O debería haber causado un efecto prominente de "invernadero", evitando que la superficie planetaria se enfríe (a menos que los modelos de efecto de "invernadero" son demasiado exagerados).
3. El CO2 atmosférico comenzó a disolverse en agua líquida (esto solo representaría una reducción del 50% en la presión parcial de CO2). El agua fuertemente ácida comenzó a erosionar el calcio de la corteza, iniciando el proceso de formación de piedra caliza.
4. La vida emergente había acelerado el proceso, secuestrando el CO2 atmosférico restante en la piedra caliza gigantesca y depósitos de carbón algo más pequeños.

El esquema detallado de la teoría se puede ver aquí: http://pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

Esperaba que algunas respuestas aquí puedan sugerir teorías alternativas plausibles. En particular:

1. La "tectónica de placas" probablemente no tenga nada que ver con la composición y los parámetros de la atmósfera actual. Hasta donde sé, nadie había sugerido que el manto pueda reabsorber gases de la atmósfera; por el contrario, los gases liberados por un manto de enfriamiento a través de una actividad volcánica deberían contribuir a una atmósfera más densa (claramente, este proceso nunca ayudó a Marte y tampoco está ayudando mucho a la Tierra). Los gases volcánicos están compuestos principalmente de CO2 y vapor de agua (hasta 90% en masa), mientras que esas dos sustancias apenas están presentes en la atmósfera moderna (CO2 - ~ 350ppm, vapor - 0.4%, principalmente por evaporación no relacionada con el reciclaje volcánico) .
2. Los cometas son objetos relativamente ligeros (un cometa decente pesa entre 10000 y 100000 veces menos que incluso una atmósfera terrestre actual más delgada) con baja densidad. El impacto de alta energía cinética de un cometa con un planeta muy probablemente dará como resultado el escape de la mayoría de los gases contenidos en el cometa hacia el espacio (y el calentamiento por impacto también agregará algunos de los gases planetarios a la mezcla que se escapa, un proceso conocido como "erosión por impacto"). "). Hace tiempo que se cree que no es posible una transferencia sustancial de materia entre cometas y planetas ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. "Atmósfera delgada temprana": la atmósfera que se erosiona o pierde poco después de la formación de la Tierra (Luna) no es plausible por la razón obvia: ¿de dónde viene la piedra caliza / carbón? Si la atmósfera terrestre se perdió y luego se repone a través de la actividad tectónica, esto nos lleva de vuelta a una pregunta original.