بیگ بنگ: در این قسمت پیرامون جو سیارات منظومه شمسی و از جمله شکل گیری جو زمین صحبت می کنیم. به طور كلي جو سيارات در نزديكي سطح آنها بيشترين مقدار چگالي را دارد و با افزايش ارتفاع به سرعت رقيق مي‌شود. 

قسمت دوازدهم: جو سيارات

تركيب يك جو ممكن است لايه‌اي باشد، كه از گازهاي سنگين‌تر نزديك به سطح سياره‌ تشکیل شده باشد، اما اختلاط آشفته و بادها مي‌تواند منجر به يك ناحيه يا تركيب يكنواخت شوند. در فاصله‌ي دوري از سطح سياره، پرتوهاي فرابنفش و ايكس خورشيدي، اتم‌هاي جو را معمولاً يونيده مي‌كنند و يا اينكه مولكول‌ها را مي‌شكنند و لايه‌ي يون‌سپهر يا يونوسفر را به وجود مي‌آورند. در تمامي موارد، سر منشأ ابتدايي جو يك سياره، سحابي‌ خورشيدي بوده است كه خورشيد و سيارات از آن درست شدند. از اين رو تركيبي شبيه به خورشيد داشته، به طور عمده از عناصر سبك هيدروژن و هليوم تشكيل مي‌شده است. هرچند كه اين سحابي تنها منبع جو سيارات بيروني بود، اما نمي‌توانسته به سيارات دروني كمك زيادي كرده باشد. چرا كه پيش از شكل‌گيري اين سياره‌ها، باد خورشيدي ستاره‌ي جوان، بيشتر سحابي خورشيدي را به خارج، آ‌ن طرف سيارات داخلي، پرتاب كرد. به اضافه، همانگونه كه در ادامه خواهيم ديد، سطح نسبتاً گرم و گرانش پايين اين سيارات نمي‌توانسته اتمسفري متشكل از گازهاي سبك را حفظ كند.

جوي را متشكل از چند نوع گاز مختلف، برخي با مولكو‌ل‌هاي سبك چون هيدروژن و هليوم و برخي با مولكول‌هاي سنگين‌تر مانند دي‌اكسيد كربن، آمونياك و متان، در نظر بگيريد. بر اساس قانون ««هم‌پارشي انرژي»» به طور كلي تمام گونه‌هاي مولكولي در اتمسفر، انرژي جنبشي يكساني دارند. يعني اين‌كه در دماي يكسان، مولكول‌هاي سبك‌تر و با جرم كمتر، سريع‌تر از مولكول‌هاي سنگين‌تر حركت مي‌كنند. انرژي‌ جنبشي متوسط مولكول‌هاي گاز بستگي به دماي جو دارد، پس در دماي بالاتر مولكول‌ها سريع‌تر حركت مي‌كنند.

طبق رابطه‌ي انرژي جنبشي متوسط و دماي مطلق T، در دماي معين و بالطبع انرژي جنبشي معين، سرعت مولكول با ريشه‌ي دوم جرمش نسبت معكوس دارد. از اين‌رو مولكول‌هاي هيدروژن (با جرم مولكولي 2) به طور متوسط با سرعتي چهار برابر مولكول‌هاي اكسيژن (با جرم مولكولي 32) حركت مي‌كنند. چنانچه مولكولي در قسمت بالايي اتمسفر به سمت بالا حركت كند، در صورتي‌كه از سرعت كافي برخوردار باشد، مي‌تواند با گذر از سرعت فرار سياره به فضا بگريزد. سرعت فرار سياره به جرم سياره بستگي دارد. از اين‌رو واضح است كه سياره‌هاي داغ و سبك مي‌توانستند تمام مولكول‌هاي سبك‌تري را كه روزي احتمالاً در جو خود داشته‌اند، از دست بدهند، در حالي‌كه سياره‌هاي سرد‌تر و پرجرم‌تر قادر خواهند بود كه حتي سبك‌ترين مولكول‌ها را در جو خود نگه‌ دارند.

طبق محاسبات براي نيتروژن با جرم مولكولي 28 و اكسيژن با جرم مولكولي 32 در جو زمين و دماي 300 كلوين، سرعت مولكولي به ترتيب برابر است با 0.52 و 0.48 كيلومتر بر ثانيه. اين ارقام بسيار كمتر از سرعت فرار از زمين يعني 11.2 كيلومتر بر ثانيه است و از اين رو انتظار نداريم كه اين گازها از جو زمين فرار كنند. البته حقيقت ماجرا به اين سادگي نيست. به علت برخورد بين مولكول‌ها، همه‌ي آنها با يك سرعت حركت نمي‌كنند. برخي از سرعت ميانگين سريع‌ترند و برخي كندتر. تعداد نسبي مولكول‌هايي كه سرعت‌شان حول و حوش مقدار ميانگين است، از توزيع ماكسول‌-‌بولتزمن به دست مي‌آيد. سرعت كسر بسيار كوچكي از مولكول‌هاي گاز به طور قابل ملاحظه‌اي بيشتر از متوسط است.

يك مولكول از هر دو ميليون مولكول، سرعتي سه برابر مقدار متوسط دارد و از هر ده به توان 16 مولكول يكي با سرعت بيش از 5 برابر حركت مي‌كند. نتيجه اينكه حتي در صورت پايين‌ بودن سرعت متوسط مولكولي، تعداد كمي از آنها شانس فرار دارند. محاسبه نشان مي‌دهد كه اگر سرعت فرار سياره‌اي بيش از شش برابر سرعت متوسط يك مولكول معين باشد، در آن صورت در طول حيات منظومه‌ي شمسي مقدار قابل توجهي از آن مولكول فرار نكرده است. در جو زمين سرعت متوسط مولكولي اكسيژن و نيتروژن بسيار كمتر از يك ششم سرعت فرار است. حال ماه را با سرعت فرار 2.4 كيلومتر بر ثانيه در نظر بگيريد. با فرض اينكه اگر هم اتمسفري داشته، دماي آن به اندازه‌ي جو زمين بوده است، سرعت متوسط مولكولي نيتروژن و اكسيژن تنها حدود يك پنجم سرعت فرار مي‌باشد و بنابراين عجيب نيست كه الان جوي ندارد. اگر عطارد جو داشت، دماي آن حدود 700 كلوين بود و در نتيجه سرعت متوسط مولكولي نيتروژن و اكسيژن حدود 0.8 مي‌شد كه خيلي بيشتر از يك ششم سرعت فرار عطارد، يعني 4.2 كيلومتر بر ثانيه است. اين مولكول‌ها به اندازه‌ي كافي فرصت داشتند تا فرار كنند.

بر پايه‌ي همين استدلال‌ها متوجه مي‌شويم چرا ميزان هيدروژن در اتمسفر زمين اينقدر كم است. مولكول‌هاي هيدروژن به طور متوسط با سرعت حدود 2 كيلومتر بر ثانيه حركت مي‌كنند كه كمي بيشتر از يك ششم سرعت فرار زمين است. بنابراين هيدروژن مي‌توانسته فرار كند و حالا تنها 0.000055 درصد از جو را تشكيل مي‌دهد. در عوض مشتري را در نظر بگيريد. سرعت فرار آن 60 كيلومتر بر ثانيه است با دماي سطح 100 درجه كلوين. سرعت حركت مولكول‌هاي هيدروژن در جو مشتري تنها حدود يك كيلومتر در ثانيه است. يعني يك شصتم سرعت فرار. به همين دليل هيدروژن بيشترين سهم را در جو مشتري دارد.

به طور خلاصه:
1- عطارد و ماه و ديگر قمرها، به استثناي تيتان و تريتون، جو موثري ندارند، هرچند كه عطارد جوي گذرا و بي‌نهايت رقيق دارد كه از هيدروژن و هليومي كه به طور موقت از باد خورشيدي به تله مي‌اندازد، درست مي‌شود.

2- ديگر سيارات زمين‌گونه نمي‌توانند هيدروژن يا هليوم را نگه دارند، لذا همه‌ي جو ابتدايي ناشي از سحابي خورشيدي را از دست داده‌اند.

3- سياره‌هاي بيروني هم پر جرم هستند و هم سرد. از اين‌رو توانسته‌اند همه‌ي گازهايي را كه از سحابي خورشيدي كسب كرده‌اند، حفظ كنند. اگرچه جرم تايتان و تريتون مشابه ماه است اما به دليل سرماي كافي توانسته‌اند جوي، عمدتاً از نيتروژن براي خود نگه دارند.

4- سياره‌هاي كوتوله پلوتو و اريس آنقدر سرد هستند كه نيتروژن و هر گاز ديگري در آنجا منجمد شده، قسمتي از پوسته مي‌شود.

5- زهره(ناهید)، زمين و مريخ، بعدها و در ادامه‌ي حيات خود، جو ديگري را از گازهاي خروجي آتشفشاني به دست آورند. تصور مي‌شود كه تنها يك درصد از اتمسفر كنوني زمين باقي‌مانده‌ از جو اوليه‌ي آن باشد. انفجارهاي آتشفشاني مقادير مختلفي از گاز را كه از ذوب لايه‌هاي زيرين سياره سرچشمه مي‌گيرد، توليد مي‌كند. فوران‌ها متفاوتند. اما در كل گازهايي چون بخار آب، دي‌اكسيد كربن، دي‌اكسيد گوگرد، سولفيد هيدروژن، آمونياك، نيتروژن و اكسيد نيتروژن آزاد مي‌كنند. عقيده بر اين است كه نور فرابنفش، بخار آب را در لايه‌هاي بالايي جو زهره و مريخ به هيدروژن و هيدروكسيل شكسته است. با فرار مولكول‌هاي هيدروژن، بخار آب از جو سياره حذف شده است.

6- جو ابتدايي زمين، كه اساساً از هيدروژن و هليوم تشكيل شده بود، از بين رفت و جو ديگري در نتيجه‌ي گازهاي خروجي آتشفشاني جايگزين آن شد. اين جو در ابتدا از دي‌اكسيد كربن و بخار آب همراه با مقداري نيتروژن، ولي بدون هيچ اكسيژني تشكيل شده بود و احتمالا 100 برابر مقدار كنوني گاز داشت. با سرد شدن زمين، بيشتر دي‌اكسيد كربن در آب حل شد و به صورت كربنات در آن رسوب كرد. تغيير اساسي حدود 3.3 ميليارد سال قبل آغاز شد، زماني‌ كه اولين باكتري‌هاي مولد اكسيژن در زمين پديد آمد كه طي چند ميليارد سال بيشترين اكسيژن را در جو ما به وجود آوردند. سپس با واكنش باكتري‌ها و اكسيژن بر روي آمونياك خروجي از آتشفشان‌ها، نيتروژن بيشتري شكل گرفت. بقيه‌ي نيتروژن نيز با تأثير اشعه‌ي فرابنفش بر آمونياك، در فرايندي به نام ««تجزيه‌ي نور»» توليد شد. با گسترش پوشش گياهي، ميزان اكسيژن جو به طور قابل ملاحظه‌اي بالا رفت و لايه‌ي اوزون تشكيل شد.

اين لايه حيات نوشكفته‌ زمین را از گزند پرتو فرابنفش محافظت مي‌نمود و آنها را قادر ساخت در خشكي و اقيانوس‌ها به زندگي ادامه دهند. تقريباً 200 ميليون سال قبل، حدود 35 درصد اتمسفر را اكسيژن تشكيل مي‌داد. باقيمانده‌ي آن عمدتاً نيتروژن بود، زيرا بر خلاف ديگر گازهاي موجود در جو ثانوي، در آب حل نمي‌شود. فعاليت آتشفشاني در يك چرخه تكرار مي‌شود و ذخيره‌ي مولكولي جو را بازسازي مي‌نمايد. به ويژه با تجديد گاز گلخانه‌اي دي‌اكسيد كربن، گرماي لازم براي ادامه‌ي حيات در سطح زمين تأمين شده است. كربنات‌هايي كه از حل شدن دي‌اكسيد كربن در آب به وجود مي‌آيند و صدف جانوران دريايي ساخته‌ شده از كربنات كلسيم، در بستر اقيانوس ته‌نشين مي‌شوند. به اين ترتيب شايد انتظار اين باشد كه ميزان دي‌اكسيد كربن در جو كاهش يابد و در نتيجه زمين سرد‌تر شود. اما حركت صفحات اقيانوسي آن‌ها را به صفحات قاره‌اي نزديك مي‌كند. با توجه به چگالي بالاتر صفحات اقيانوسي، آنها به زير صفحات قاره‌اي نفوذ مي‌كنند و فعاليت آتشفشاني دي‌اكسيد كربن را به جو باز مي‌گرداند.

يون سپهر: Ionsphere
هم‌پارشي انرژي: Equipartition Of Energy
توزيع ماكسول‌-‌بولتزمن: Maxwell-Boltzmann Distribution
تجزيه‌ي 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