آموزش نجوم و اخترفیزیک مقدماتی: سیارات منظومه شمسی (۱۲)

بیگ بنگ: در این قسمت پیرامون جو سیارات منظومه شمسی و از جمله شکل گیری جو زمین صحبت می کنیم. به طور کلی جو سیارات در نزدیکی سطح آنها بیشترین مقدار چگالی را دارد و با افزایش ارتفاع به سرعت رقیق می‌شود. 

planets

قسمت دوازدهم: جو سیارات

ترکیب یک جو ممکن است لایه‌ای باشد، که از گازهای سنگین‌تر نزدیک به سطح سیاره‌ تشکیل شده باشد، اما اختلاط آشفته و بادها می‌تواند منجر به یک ناحیه یا ترکیب یکنواخت شوند. در فاصله‌ی دوری از سطح سیاره، پرتوهای فرابنفش و ایکس خورشیدی، اتم‌های جو را معمولاً یونیده می‌کنند و یا اینکه مولکول‌ها را می‌شکنند و لایه‌ی یون‌سپهر یا یونوسفر را به وجود می‌آورند. در تمامی موارد، سر منشأ ابتدایی جو یک سیاره، سحابی‌ خورشیدی بوده است که خورشید و سیارات از آن درست شدند. از این رو ترکیبی شبیه به خورشید داشته، به طور عمده از عناصر سبک هیدروژن و هلیوم تشکیل می‌شده است. هرچند که این سحابی تنها منبع جو سیارات بیرونی بود، اما نمی‌توانسته به سیارات درونی کمک زیادی کرده باشد. چرا که پیش از شکل‌گیری این سیاره‌ها، باد خورشیدی ستاره‌ی جوان، بیشتر سحابی خورشیدی را به خارج، آ‌ن طرف سیارات داخلی، پرتاب کرد. به اضافه، همانگونه که در ادامه خواهیم دید، سطح نسبتاً گرم و گرانش پایین این سیارات نمی‌توانسته اتمسفری متشکل از گازهای سبک را حفظ کند.

جوی را متشکل از چند نوع گاز مختلف، برخی با مولکو‌ل‌های سبک چون هیدروژن و هلیوم و برخی با مولکول‌های سنگین‌تر مانند دی‌اکسید کربن، آمونیاک و متان، در نظر بگیرید. بر اساس قانون ««هم‌پارشی انرژی»» به طور کلی تمام گونه‌های مولکولی در اتمسفر، انرژی جنبشی یکسانی دارند. یعنی این‌که در دمای یکسان، مولکول‌های سبک‌تر و با جرم کمتر، سریع‌تر از مولکول‌های سنگین‌تر حرکت می‌کنند. انرژی‌ جنبشی متوسط مولکول‌های گاز بستگی به دمای جو دارد، پس در دمای بالاتر مولکول‌ها سریع‌تر حرکت می‌کنند.

طبق رابطه‌ی انرژی جنبشی متوسط و دمای مطلق T، در دمای معین و بالطبع انرژی جنبشی معین، سرعت مولکول با ریشه‌ی دوم جرمش نسبت معکوس دارد. از این‌رو مولکول‌های هیدروژن (با جرم مولکولی ۲) به طور متوسط با سرعتی چهار برابر مولکول‌های اکسیژن (با جرم مولکولی ۳۲) حرکت می‌کنند. چنانچه مولکولی در قسمت بالایی اتمسفر به سمت بالا حرکت کند، در صورتی‌که از سرعت کافی برخوردار باشد، می‌تواند با گذر از سرعت فرار سیاره به فضا بگریزد. سرعت فرار سیاره به جرم سیاره بستگی دارد. از این‌رو واضح است که سیاره‌های داغ و سبک می‌توانستند تمام مولکول‌های سبک‌تری را که روزی احتمالاً در جو خود داشته‌اند، از دست بدهند، در حالی‌که سیاره‌های سرد‌تر و پرجرم‌تر قادر خواهند بود که حتی سبک‌ترین مولکول‌ها را در جو خود نگه‌ دارند.

طبق محاسبات برای نیتروژن با جرم مولکولی ۲۸ و اکسیژن با جرم مولکولی ۳۲ در جو زمین و دمای ۳۰۰ کلوین، سرعت مولکولی به ترتیب برابر است با ۰٫۵۲ و ۰٫۴۸ کیلومتر بر ثانیه. این ارقام بسیار کمتر از سرعت فرار از زمین یعنی ۱۱٫۲ کیلومتر بر ثانیه است و از این رو انتظار نداریم که این گازها از جو زمین فرار کنند. البته حقیقت ماجرا به این سادگی نیست. به علت برخورد بین مولکول‌ها، همه‌ی آنها با یک سرعت حرکت نمی‌کنند. برخی از سرعت میانگین سریع‌ترند و برخی کندتر. تعداد نسبی مولکول‌هایی که سرعت‌شان حول و حوش مقدار میانگین است، از توزیع ماکسول‌-‌بولتزمن به دست می‌آید. سرعت کسر بسیار کوچکی از مولکول‌های گاز به طور قابل ملاحظه‌ای بیشتر از متوسط است.

یک مولکول از هر دو میلیون مولکول، سرعتی سه برابر مقدار متوسط دارد و از هر ده به توان ۱۶ مولکول یکی با سرعت بیش از ۵ برابر حرکت می‌کند. نتیجه اینکه حتی در صورت پایین‌ بودن سرعت متوسط مولکولی، تعداد کمی از آنها شانس فرار دارند. محاسبه نشان می‌دهد که اگر سرعت فرار سیاره‌ای بیش از شش برابر سرعت متوسط یک مولکول معین باشد، در آن صورت در طول حیات منظومه‌ی شمسی مقدار قابل توجهی از آن مولکول فرار نکرده است. در جو زمین سرعت متوسط مولکولی اکسیژن و نیتروژن بسیار کمتر از یک ششم سرعت فرار است. حال ماه را با سرعت فرار ۲٫۴ کیلومتر بر ثانیه در نظر بگیرید. با فرض اینکه اگر هم اتمسفری داشته، دمای آن به اندازه‌ی جو زمین بوده است، سرعت متوسط مولکولی نیتروژن و اکسیژن تنها حدود یک پنجم سرعت فرار می‌باشد و بنابراین عجیب نیست که الان جوی ندارد. اگر عطارد جو داشت، دمای آن حدود ۷۰۰ کلوین بود و در نتیجه سرعت متوسط مولکولی نیتروژن و اکسیژن حدود ۰٫۸ می‌شد که خیلی بیشتر از یک ششم سرعت فرار عطارد، یعنی ۴٫۲ کیلومتر بر ثانیه است. این مولکول‌ها به اندازه‌ی کافی فرصت داشتند تا فرار کنند.

planet1

بر پایه‌ی همین استدلال‌ها متوجه می‌شویم چرا میزان هیدروژن در اتمسفر زمین اینقدر کم است. مولکول‌های هیدروژن به طور متوسط با سرعت حدود ۲ کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند که کمی بیشتر از یک ششم سرعت فرار زمین است. بنابراین هیدروژن می‌توانسته فرار کند و حالا تنها ۰٫۰۰۰۰۵۵ درصد از جو را تشکیل می‌دهد. در عوض مشتری را در نظر بگیرید. سرعت فرار آن ۶۰ کیلومتر بر ثانیه است با دمای سطح ۱۰۰ درجه کلوین. سرعت حرکت مولکول‌های هیدروژن در جو مشتری تنها حدود یک کیلومتر در ثانیه است. یعنی یک شصتم سرعت فرار. به همین دلیل هیدروژن بیشترین سهم را در جو مشتری دارد.

به طور خلاصه:
۱- عطارد و ماه و دیگر قمرها، به استثنای تیتان و تریتون، جو موثری ندارند، هرچند که عطارد جوی گذرا و بی‌نهایت رقیق دارد که از هیدروژن و هلیومی که به طور موقت از باد خورشیدی به تله می‌اندازد، درست می‌شود.

۲- دیگر سیارات زمین‌گونه نمی‌توانند هیدروژن یا هلیوم را نگه دارند، لذا همه‌ی جو ابتدایی ناشی از سحابی خورشیدی را از دست داده‌اند.

۳- سیاره‌های بیرونی هم پر جرم هستند و هم سرد. از این‌رو توانسته‌اند همه‌ی گازهایی را که از سحابی خورشیدی کسب کرده‌اند، حفظ کنند. اگرچه جرم تایتان و تریتون مشابه ماه است اما به دلیل سرمای کافی توانسته‌اند جوی، عمدتاً از نیتروژن برای خود نگه دارند.

۴- سیاره‌های کوتوله پلوتو و اریس آنقدر سرد هستند که نیتروژن و هر گاز دیگری در آنجا منجمد شده، قسمتی از پوسته می‌شود.

۵- زهره(ناهید)، زمین و مریخ، بعدها و در ادامه‌ی حیات خود، جو دیگری را از گازهای خروجی آتشفشانی به دست آورند. تصور می‌شود که تنها یک درصد از اتمسفر کنونی زمین باقی‌مانده‌ از جو اولیه‌ی آن باشد. انفجارهای آتشفشانی مقادیر مختلفی از گاز را که از ذوب لایه‌های زیرین سیاره سرچشمه می‌گیرد، تولید می‌کند. فوران‌ها متفاوتند. اما در کل گازهایی چون بخار آب، دی‌اکسید کربن، دی‌اکسید گوگرد، سولفید هیدروژن، آمونیاک، نیتروژن و اکسید نیتروژن آزاد می‌کنند. عقیده بر این است که نور فرابنفش، بخار آب را در لایه‌های بالایی جو زهره و مریخ به هیدروژن و هیدروکسیل شکسته است. با فرار مولکول‌های هیدروژن، بخار آب از جو سیاره حذف شده است.

Earth

۶- جو ابتدایی زمین، که اساساً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده بود، از بین رفت و جو دیگری در نتیجه‌ی گازهای خروجی آتشفشانی جایگزین آن شد. این جو در ابتدا از دی‌اکسید کربن و بخار آب همراه با مقداری نیتروژن، ولی بدون هیچ اکسیژنی تشکیل شده بود و احتمالا ۱۰۰ برابر مقدار کنونی گاز داشت. با سرد شدن زمین، بیشتر دی‌اکسید کربن در آب حل شد و به صورت کربنات در آن رسوب کرد. تغییر اساسی حدود ۳٫۳ میلیارد سال قبل آغاز شد، زمانی‌ که اولین باکتری‌های مولد اکسیژن در زمین پدید آمد که طی چند میلیارد سال بیشترین اکسیژن را در جو ما به وجود آوردند. سپس با واکنش باکتری‌ها و اکسیژن بر روی آمونیاک خروجی از آتشفشان‌ها، نیتروژن بیشتری شکل گرفت. بقیه‌ی نیتروژن نیز با تأثیر اشعه‌ی فرابنفش بر آمونیاک، در فرایندی به نام ««تجزیه‌ی نور»» تولید شد. با گسترش پوشش گیاهی، میزان اکسیژن جو به طور قابل ملاحظه‌ای بالا رفت و لایه‌ی اوزون تشکیل شد.

این لایه حیات نوشکفته‌ زمین را از گزند پرتو فرابنفش محافظت می‌نمود و آنها را قادر ساخت در خشکی و اقیانوس‌ها به زندگی ادامه دهند. تقریباً ۲۰۰ میلیون سال قبل، حدود ۳۵ درصد اتمسفر را اکسیژن تشکیل می‌داد. باقیمانده‌ی آن عمدتاً نیتروژن بود، زیرا بر خلاف دیگر گازهای موجود در جو ثانوی، در آب حل نمی‌شود. فعالیت آتشفشانی در یک چرخه تکرار می‌شود و ذخیره‌ی مولکولی جو را بازسازی می‌نماید. به ویژه با تجدید گاز گلخانه‌ای دی‌اکسید کربن، گرمای لازم برای ادامه‌ی حیات در سطح زمین تأمین شده است. کربنات‌هایی که از حل شدن دی‌اکسید کربن در آب به وجود می‌آیند و صدف جانوران دریایی ساخته‌ شده از کربنات کلسیم، در بستر اقیانوس ته‌نشین می‌شوند. به این ترتیب شاید انتظار این باشد که میزان دی‌اکسید کربن در جو کاهش یابد و در نتیجه زمین سرد‌تر شود. اما حرکت صفحات اقیانوسی آن‌ها را به صفحات قاره‌ای نزدیک می‌کند. با توجه به چگالی بالاتر صفحات اقیانوسی، آنها به زیر صفحات قاره‌ای نفوذ می‌کنند و فعالیت آتشفشانی دی‌اکسید کربن را به جو باز می‌گرداند.

یون سپهر: Ionsphere
هم‌پارشی انرژی: Equipartition Of Energy
توزیع ماکسول‌-‌بولتزمن: Maxwell-Boltzmann Distribution
تجزیه‌ی نور: Photolysisg

نویسنده: اسماعیل جوکار- سایت علمی بیگ بنگ

منبع: کتاب نجوم دینامیکی، نوشته رابرت تی دیکسون، ترجمه احمد خواجه نصیر طوسی،‌ مرکز نشر دانشگاهی

image_pdfimage_print
(10 نفر , میانگین : 4٫70 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=22720
اسماعیل جوکار

اسماعیل جوکار

نویسنده این مطلب: اسماعیل جوکار، دانشجوی مقطع کارشناسی فیزیک، علاقمند به فیزیک، نجوم و کیهان شناسی می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

یک پاسخ

  1. M hk گفت:

    جالب بود خصوصا نحوه تشکیل لایه ازن

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *