Mengapa atmosfer Bumi begitu tipis?

Venus agak lebih ringan dari Bumi, namun memiliki atmosfer yang jauh lebih tebal. Orang akan membayangkan bahwa yang berikut ini benar:

1. Selama fase pembentukan, semua planet bagian dalam telah menangkap gas sebanyak yang dapat mereka per keseimbangan gravitasi / termodinamika. Lagipula, bahkan Mars kecil pun berhasil menangkap atmosfer yang cukup besar.
2. Tingkat pelepasan atmosfer seharusnya jauh lebih tinggi untuk Venus:
   • Venus menerima lebih banyak panas dari matahari, sehingga tingkat pelarian Jeans lebih tinggi
   • Venus memiliki medan magnet yang dapat diabaikan, sehingga sebagian atmosfernya harus hilang untuk langsung "meledak" oleh angin matahari

Namun, itu adalah Bumi yang kelihatannya merindukan volume atmosfer yang besar. Jadi pertanyaannya adalah: apa teori saat ini mengenai "penipisan" atmosfer Bumi? Kapan dan mengapa gas atmosfer meninggalkan planet ini?

Jawaban singkat: Gas atmosfer tidak pernah meninggalkan Bumi, mereka ada di dalamnya!

Jawaban panjang untuk pertanyaan ini bukan hanya tentang kondisi planet saat ini, tetapi lebih pada proses yang membawa mereka ke sana. Mari kita mulai dari awal (tempat yang sangat bagus untuk memulai).

Tahun-tahun awal

Ketika tata surya kita mulai terbentuk 4,6 miliar tahun yang lalu, sebagian besar massa dari bagian awan molekul yang runtuh (lihat hipotesis Nebula ) dikumpulkan di pusat untuk membentuk Matahari. Massa yang tidak jatuh ke Matahari meninggalkan piringan protoplanet — awan debu dan gas — yang mengelilingi bintang baru. Secara bertahap, partikel debu mulai bersatu melalui pertambahan, menarik semakin banyak partikel ke dalam planet yang masih muda.

Dekat dengan Matahari, tempat Venus dan Bumi berada, terlalu panas bagi banyak partikel untuk mengembun, sehingga planet-planet di wilayah ini terbentuk dengan logam dan silikat, yang memiliki titik lebur tinggi. Inilah sebabnya mengapa empat planet di Tata Surya bagian dalam disebut planet "berbatu" atau "terestrial". Atmosfer paling awal di planet-planet ini mulai terbentuk dengan pengumpulan gas bertahap dari nebula matahari, sebagian besar hidrogen.

Goldilocks dan dua planet

Pada titik ini dalam evolusi kedua planet, mereka tampak sangat mirip, tetapi ada satu perbedaan utama: jarak ke Matahari. Bumi, tampaknya, beruntung berada di "zona Goldilocks", di mana suhunya tepat untuk mendukung kehidupan. Berada di zona ini memiliki dua implikasi utama: air cair dan, sebagai akibatnya, lempeng tektonik aktif. (Lihat artikel ini untuk pandangan mendalam mengapa keduanya terkait.)

Penyerap karbon

Di Bumi, ada banyak air yang terkandung dalam lautan cair. Di Venus, ini bukan masalahnya. Panasnya terlalu dekat dengan matahari, sehingga semua air menguap ke atmosfer. (Venus kemungkinan mengandung air cair pada tahap awalnya, tetapi semuanya menguap setelah satu miliar tahun atau lebih.) Kemungkinan juga bahwa Bumi muda pernah memiliki atmosfer yang padat dan menghukum seperti Venus sekarang. Namun, lautan permukaan dan lempeng tektonik keduanya menyediakan jalur yang cukup untuk gas untuk diserap ke permukaan bumi. Lautan dan lempeng tektonik menawarkan penyimpanan karbonat dalam jumlah besar, memungkinkan transfer dan keseimbangan senyawa karbon ke dan dari atmosfer.

Jadi sekarang kita memiliki dua hal yang memperkuat perbedaan antara atmosfer Bumi dan Venus:

• Penguapan air cair : Di Venus terlalu panas untuk ada air cair. Semua air telah menguap, menghasilkan atmosfer yang lebih padat. Di Bumi, air dapat berada di permukaan, mengurangi jumlah di atmosfer.
• Penyerap karbon : Air cair dan lempeng tektonik memungkinkan Bumi untuk menyerap sejumlah besar gas, memungkinkan atmosfer menipis senyawa tertentu seperti karbon dioksida. Tidak ada jalur seperti itu di Venus, memaksa semua gas tetap berada di atmosfer.

Dengan tidak adanya mekanisme utama untuk menyerap gas oleh planet ini, Venus mengalami efek rumah kaca yang tak terkendali.

Pelarian atmosfer

Anda menyebutkan Jeans melarikan diri. Memang benar bahwa efek ini lebih besar pada suhu yang lebih tinggi; Namun, jauh lebih mudah bagi molekul yang lebih kecil untuk lepas dari molekul yang lebih besar. Hidrogen dan helium, menjadi dua elemen terkecil, adalah yang paling banyak dipengaruhi oleh fenomena ini. Sebagai perbandingan, karbon dioksida, yang membentuk mayoritas atmosfer Venus, tidak banyak terpengaruh oleh pelarian Jeans.

Anda juga menyebutkan angin matahari. Sementara ini memainkan efek, terutama di planet-planet tanpa medan magnet, fenomena ini tidak sekuat yang Anda bayangkan. Sinar ultraviolet (yaitu radiasi photoionizing) menyebabkan ionisasi di wilayah paling atas atmosfer. Partikel bermuatan ini sekarang membentuk cangkang (disebut ionosfer) yang membelokkan angin matahari, seperti halnya medan magnet. Di Venus, atmosfer yang tebal memberikan lebih banyak partikel untuk ionisasi, menghasilkan defleksi yang lebih kuat. (Bandingkan dengan Mars, di mana angin matahari adalah mekanisme pelarian non-termal utama karena atmosfer tipis dengan beberapa partikel terionisasi.)

Mekanisme melarikan diri atmosfer utama untuk Venus sebenarnya sedikit lebih rumit. Dengan tidak adanya medan magnet, partikel bermuatan lebih mudah untuk melarikan diri. Secara khusus, elektron paling rentan karena massanya yang kecil. Ketika elektron melarikan diri, muatan bersih ionosfer bersandar positif, menyebabkan pengusiran ion positif, sebagian besar H ⁺ .

Kesimpulan

Sementara Bumi dan Venus terbentuk serupa, Bumi beruntung. Ia memiliki jalur untuk menghilangkan gas dari atmosfer, sedangkan Venus tidak. Selain itu, kedua planet tidak mengalami tingkat pelepasan atmosfer yang berbeda secara signifikan. Ini menghasilkan kepadatan atmosfer yang diketahui saat ini: 66 kg / m ³ untuk Venus dan hanya 1,2 kg / m ³ untuk Bumi.

Saya pikir jawaban dpwilson sangat bagus dan saya memilihnya, tetapi saya ingin memposting grafik ini dengan gambar lama bernilai sudut pandang seribu kata.

Venus agak lebih ringan dari Bumi, namun memiliki atmosfer yang jauh lebih tebal. Orang akan membayangkan bahwa yang berikut ini benar:

Selama fase pembentukan, semua planet bagian dalam telah menangkap gas sebanyak yang dapat mereka per keseimbangan gravitasi / termodinamika. Lagipula, bahkan Mars kecil pun berhasil menangkap atmosfer yang cukup besar.

Mungkin. Tetapi selama tata surya awal, setelah matahari terbentuk dan mulai memancarkan cahaya dan nyala matahari, (dan matahari awal kemungkinan jauh lebih aktif dalam menembakkan semburan matahari sebagian karena rotasi yang lebih cepat), faktor kunci untuk dipertimbangkan adalah Garis Frost - yang jauh melewati bumi.

Jadi, 1 dari 2 hal bisa terjadi dalam pembentukan awal Tata Surya. Satu, planet-planet membentuk dan mengumpulkan es dan gas yang tersedia sebelum matahari mulai mencair / menjauhkan es dan gas di dalam garis es, atau 2, matahari terbentuk terlebih dahulu dan planet-planet dalam memiliki gas dan air yang sangat sedikit ketika terbentuk. . Mereka dibombardir oleh hidrogen yang dikeluarkan dari matahari, tetapi sebagian besar planet bagian dalam tidak pandai memegang hidrogen ini. Dalam skenario ke-2, setiap atmosfer dan air yang mereka dapatkan harus berasal dari dampak komet.

Atmosfer awal planet-planet dalam kebanyakan adalah CO2, CH4, NH3, mungkin beberapa N2. Jika Venus dikejutkan oleh beberapa komet tambahan, itu saja yang akan menjelaskannya dan itu tidak masuk akal secara statistik. Sekarang, saya tidak mengatakan ini yang terjadi, hanya itu mungkin. Venus mempertahankan sebagian besar CO2-nya, tetapi bisa kehilangan sebagian besar H20, CH3, NH3, mungkin N2 jika ada, yang mengarah ke sebagian besar atmosfer CO2 yang dimilikinya saat ini.

Secara teori juga mungkin bahwa dampak raksasa yang membentuk bulan juga menghempaskan banyak atmosfer awal Bumi. (tidak yakin akan hal itu tetapi penambahan panas dan rotasi yang sangat besar, itu mungkin).

Pada grafik di atas, ini menunjukkan Venus tidak akan kehilangan banyak H20, tetapi grafik lain memiliki Venus lebih dekat ke garis H20. (Google gas escape planet kecepatan untuk grafik lainnya)

Tingkat pelepasan atmosfer harus jauh lebih tinggi untuk Venus: Venus menerima lebih banyak panas dari matahari, sehingga tingkat pelarian Jeans yang lebih tinggi Venus memiliki medan magnet yang dapat diabaikan, sehingga sebagian atmosfernya harus hilang untuk mengarahkan "hembusan" oleh angin matahari.

Ini benar. Mungkin menjelaskan mengapa Venus memiliki begitu sedikit air yang umum di tata surya. Tetapi pada poin terakhir Anda, Venus memiliki medan magnet yang diinduksi - lihat di sini . dpwilson menjelaskan ini secara lebih rinci.

Namun, itu adalah Bumi yang kelihatannya merindukan volume atmosfer yang besar. Jadi pertanyaannya adalah: apa teori saat ini mengenai "penipisan" atmosfer Bumi? Kapan dan mengapa gas atmosfer meninggalkan planet ini?

Saya kumpulkan masih ada ketidakpastian tentang persisnya atmosfer Bumi miliaran tahun yang lalu. Ini mungkin dimulai dengan atmosfer yang lebih padat daripada Venus saat ini, tetapi sulit untuk mengetahui dengan pasti (setidaknya, tidak ada yang saya baca menunjukkan kepastian pada subjek).

Patut ditunjukkan bahwa batu bara, minyak, dan gas alam tidak terbentuk secara alami, tetapi mereka adalah produk dari tanaman mati dan kehidupan laut yang terkubur selama ratusan juta tahun. Juga, banyak batuan yang kita lihat di sekitar kita mengandung Oksigen di dalamnya. Granit mengandung Oksigen, misalnya. (Tidak ada, atau setidaknya, sangat sedikit Granit di Venus). Penyerapan atmosfer oleh kehidupan di bumi dan dengan pengikatan Oksigen ke permukaan dan mineral lautan yang larut kemungkinan memainkan peran besar dalam menipiskan atmosfer Bumi. Kehidupan di bumi, dengan sendirinya, bisa cukup menjelaskan perbedaan di Bumi dengan atmosfer Venus.

Komet:

1) Komet dulunya lebih besar. Setiap melewati matahari, komet menyusut. Selain itu, bukan hanya komet, melainkan juga bulan yang berair seperti benda dan asteroid, yang, ketika Yupiter bermigrasi dan pemboman yang dahsyat terjadi, beberapa di antaranya mungkin cukup besar.

Lihat: Di Sini dan Di Sini dan Di Sini .

Selain itu, saya tidak mengatakannya sebagai definitif, saya mengatakan mungkin sebagian besar atmosfer Venus berasal dari serangan komet besar.

Tampaknya, ada teori-teori solid yang mengejutkan tentang mengapa Bumi dan Mars berhasil kehilangan sebagian besar gas atmosfernya, sementara Venus berhasil mempertahankan atmosfer yang paling menakjubkan.

Satu teori yang masuk akal dikemukakan oleh seorang ahli kimia terkemuka Octave Levenspiel et alii, berdasarkan penelitian Soviet lama tentang komposisi kerak bumi yang dilakukan pada 1950-an (saya tidak dapat menemukan pembaruan substansial untuk model komposisi kerak yang dikembangkan sejak saat itu).

Sekilas, teorinya bekerja sebagai berikut:

1. Bumi telah terbentuk dengan atmosfer yang mirip atau lebih padat dari Venus. Bahan yang paling melimpah adalah CO2 (analog dengan Venus dan Mars).
2. Atmosfer bumi berhasil cukup mendinginkan air sehingga mulai terkondensasi menjadi fase cair. Mekanisme yang tepat untuk ini tidak begitu jelas bagi saya (terlepas dari zona Goldilocks) karena atmosfer CO2 / H2O yang panas dan padat seharusnya menyebabkan efek "rumah kaca" yang menonjol, mencegah permukaan planet dari pendinginan (kecuali model efek "rumah kaca" terlalu berlebihan).
3. CO2 atmosferik mulai larut dalam air cair (ini saja akan menyebabkan sekitar 50% penurunan tekanan CO2 parsial). Air yang sangat asam mulai mengikis kalsium dari kerak, memulai proses pembentukan batu kapur.
4. Kehidupan yang muncul telah mempercepat proses, mengasingkan CO2 atmosfer yang tersisa ke dalam batu kapur raksasa dan endapan batubara yang lebih kecil.

Garis besar teori ini dapat dilihat di sini: http://pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

Saya berharap bahwa beberapa jawaban di sini dapat menyarankan teori alternatif yang masuk akal. Khususnya:

1. "Lempeng tektonik" mungkin tidak ada hubungannya dengan komposisi dan parameter atmosfer saat ini. Sejauh yang saya tahu tidak ada yang pernah menyarankan bahwa mantel dapat menyerap kembali gas dari atmosfer - sebaliknya, gas yang dilepaskan dari mantel pendingin melalui aktivitas vulkanik harus berkontribusi pada atmosfer yang lebih padat (jelas, proses ini tidak pernah membantu Mars dan juga tidak banyak membantu Bumi). Gas vulkanik sebagian besar terdiri dari CO2 dan uap air (hingga 90% menurut massa), sementara kedua zat tersebut hampir tidak ada di atmosfer modern (CO2 - ~ 350ppm, uap - 0,4%, sebagian besar dari penguapan yang tidak terkait dengan daur ulang vulkanik) .
2. Komet adalah benda yang relatif ringan (komet yang layak berbobot 10.000-100.000 kali lebih sedikit dari atmosfer Bumi yang lebih tipis sekalipun) dengan kepadatan rendah. Dampak energi kinetik yang tinggi dari sebuah komet dengan sebuah planet kemungkinan besar akan menghasilkan pelarian dari sebagian besar komet yang mengandung gas kembali ke angkasa (dan pemanasan dampak juga akan menambahkan beberapa gas planet ke dalam campuran yang terlepas - sebuah proses yang dikenal sebagai "dampak erosi"). "). Sudah lama diyakini bahwa tidak ada transfer substansial yang mungkin terjadi antara komet dan planet ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. "Atmosfer tipis awal" - atmosfer terkikis atau hilang tak lama setelah pembentukan Bumi (Bulan) tidak masuk akal karena alasan yang jelas: dari mana batu kapur / batu bara berasal? Jika atmosfer Bumi hilang dan kemudian diisi kembali melalui aktivitas tektonik, ini membawa kita kembali ke pertanyaan awal.