Planeettojen kaasukehät

thumb|right|350px|Maan kaasukehä avaruudesta nähtynä. Planeettojen kaasukehät ovat planeettojen ympärillä olevia kaasuvaippoja. Niiden koostumus riippuu saatavien aineiden lisäksi siitä, mitä aineita planeetta pystyy kaasukehässään pidättelemään. Hyvin suurilla planeetoilla raskas kaasukehä nesteytyy suurissa paineissa. Näin on muun muassa Jupiterilla. Kaasukehää tuottavat tulivuoren purkaukset, pinnalta tapahtuva haihtuminen tai sublimaatio ja kosmisen hiukkassäteilyn sekä Auringon säteilyn ja mikrometeorien kaasuosasia pinnasta irrottava vaikutus. Kaasua tuottaa myös kivien rapautuminen ja komeettatörmäykset. Kaasukehä karkaa avaruuteen muun muassa molekyylien lämpöliikkeen takiaMustelin 1980, s. 49 mihin monesti liittyy kosmisen säteilyn tai Auringon säteilyn molekyylejä hajottava vaikutus. Hajonneen molekyylin atomit ovat kevyempiä kuin alkuperäinen molekyyli ja karkaavat siksi helpommin avaruuteen. Esimerkiksi vesihöyry haihtuu avaruuteen, jos se nousee kyllin korkealla. Noin 20 kilometrin korkeudessa, otsonikerroksen yläpuolella Auringon ultraviolettisäteily alkaa hajottaa vesimolekyylejä vedyksi ja hapeksi. Yli 150 kilometrin korkeudessa vesihöyryn molekyylit ovat täysin ja varmasti hajonneetPetre D. Ward, Planeetta Maan elämä ja kuolema, Ursa 88,141. Jos planeetta on kevyt, se ei kykene pidättelemään kuin raskaita kaasuja, tai ei kaasuja ollenkaan. Esimerkiksi Maan Kuulla ei ole kaasukehää, koska sen painovoima ja pakonopeus ovat pieniä. Lähempänä Aurinkoa on kuumempaa ja kaasujen lämpöliike on nopeampaa joten kaasut karkaavat helpommin. Marsista happi ja typpi karkaavat melko nopeasti pois, koska planeetan painovoima ja pakonopeus ovat pienet. Maasta karkaavat vety ja helium. Lisäksi aurinkotuuli puhaltaa kaasukehää ja edistää sen karkaamista avaruuteen. Maalla sen magneettikenttä suojaa aurinkotuulelta mutta esimerkiksi Marsilla tätä ei ole. Kaasukehää tai sen osia voi tiivistyä tilapäisesti tai pysyvästi planeetan pinnalle lämpötilan laskiessa. Jotkin kivet voivat reagoida joidenkin kaasukehän kaasujen kanssa ja niin sitoa kaasua itseensä. == Planeettojen ja kuiden kaasukehiä == Planeetta tai kuu Lämpötila Pakonopeus pinnalla m/s 1/6 pakonopeudesta Kaasun paine Maan ilmakehää Kaasun tiheys pinnalla kg/m3 Kaasukoostumus pääosin Keskimääräinen kaasun atomimassa (amu) Venus 737 K (464 °C) 10 361 1 727 90 67 Hiilidioksidi CO2 96,5 %, Typpi N2 3,5 % noin 43,2 Maa 288 K (n. 15 °C) 11 181 1 863 1 1,293 Happi O2 20,9 %, Typpi N2 78,1 % 28,6 Mars 210 K (-63 °C) 5 026 838 0,007 (6,3 mbar) 0,018 95,3 % CO2, N2 2,7 % 42,5 Titan 95 K (-178 °C) 2 650 noin 1,5 90 % Typpi N2, 7 % Metaani CH4 Käytännössä kaasukehättömän Merkuriuksen pakonopeus on 4 400 m/s ja lämpötila 130–770 K. Sieltä niin kuin Kuustakin karkaa myös hiilidioksidi. Hyvin kuuma, mutta suunnilleen Maan kokoinen Venus ei kykene pidättelemään vesihöyryä kaasukehässään, mutta viileämpi, suunnilleen samankokoinen Maa pystyy.. Maassa ja Venuksessakin pysyvät happi ja typpi, mutteivät vety ja heliumNils Mustelin, elämää maailmankaikkeudessa sivu 51. Titan ei kykene pidättelemään kaasukehässä vesihöyryä, joka tosin jäätyy sen oloissa. Maan kaasukehälle on ominaista lämpötilan kasvu stratosfäärissä 7/18–50 km:n korkeudessa. Venuksella ja Marsilla ei ole Maan tyyppistä tropopaussia ja stratosfääriä, mesosfääri alkaa suoraan 45–55 km:n korkeudessa ja lämpötila putoaa jatkuvasti. Maassahan stratosfääriä lämmittää otsoni. ===Lisätietoja planeettojen/kuiden kaasukehistä=== Venus Maa Mars Titan Pintapaine (bar) 92 1 0,006 1,5 Skaalakorkeus (km) 16 8 11 Kaasupylvään massa (kg) 1,0E+06 1,0E+04 1,6E+02 Kokonaismassa (kg) 4,8E+20 5,2E+18 2,3E+16 Kaasupylvään molekyylitiheys (/m2) 1,5E+31 2,2E+29 2,3E+27 Molekyylitiheys pinnalla (/m3) 9,01E+26 2,52E+25 1,95E+23 Tiheys pinnalla (kg/m3) 6,58E+01 1,21E+00 1,42E-02 Kaasun molekyylimassa 44,01 28,97 44,01 28,67 Kaasukehän kaasupylväs on neliömetrin alainen kaasupylväs, joka ulottuu koko kaasukehän korkeudelle. Kun tämän massa kerrotaan koko planeetan alalla, saadaan kaasukehän massa. Todellisissa kaasukehissä kaasun tiheys vaihtelee eri puolilla planeettaa. Vertailutieto: tulivuoren purkauskaasujen koostumus *80 % H2O vesihöyryä *12 % CO2 *6.5 % SO2 *1.3 % N2 *0.6 % H2 *0.4 % CO == Planeettojen kaasukehiä == Merkurius Venus Maa Mars Jupiter Saturnus Uranus Neptunus Etäisyys Auringosta (AU) 0.387 0.723 1 1.524 5.203 9.538 19.18 30.06 Kiertoaika vuotta 0.24 0.61 1.00 1.88 11.87 29.46 84.00 164.81 Säde (km) 2 439 6 052 6 378 3 398 71 400 60 330 25 559 24 764 Massa (10^24 kg) 0.33 4.87 5.98 0.642 1 900 569 86.8 102 Painovoima pinnalla (m/s2) 3.70 8.87 9.81 3.71 24.86 10.43 8.86 11.09 Pakonopeus (km/s) 4.25 10.35 11.18 5.02 59.54 35.45 21.27 23.43 Pyörähdysaika (tuntia) 1 408 5 832 24 24.62 9.8 10.6 17.3 16.1 Kaasukehän koostumus He, O, Na CO2 N2, O2, CO2 H2, He H2, He H2, He H2, He Kaasun molekyylimassa (amu) 16 44 29 44 2.22 2.07 2.64 2.61 Albedo 0.12 0.59 0.39 0.15 0.44 0.46 0.56 0.51 Lämpötila (teoreettinen) 444 268 252 222 108 79 53 43 Todellinen lämpötila 100-700 740 288 223 125 95 60 50 Pintapaine (bar) 9.47E-15 92 1 0.006 1 1 1 1 Skaalakorkeus (km) 62 16 8 11 19 36 21 14 Kaasukehän korkeus/H 39 387 763 301 3 819 1 660 1 207 1 737 Kaasupylvään massa (kg) 2.6E-10 1.0E+06 1.0E+04 1.6E+02 4.0E+03 9.6E+03 1.1E+04 9.0E+03 Kaasukehän massa (kg) 1.9E+04 4.8E+20 5.2E+18 2.3E+16 2.6E+20 4.4E+20 9.3E+19 6.9E+19 Kaasupylvään molekyylitiheys (/m2) 1.0E+16 1.5E+31 2.2E+29 2.3E+27 1.1E+30 2.9E+30 2.7E+30 2.2E+30 Kaasun molekyylitiheys pinnalla (/m3) 1.55E+11 9.01E+26 2.52E+25 1.95E+23 5.80E+25 7.63E+25 1.21E+26 1.45E+26 Kaasukehän tiheys pinnalla(kg/m3) 4.11E-15 6.58E+01 1.21E+00 1.42E-02 2.14E-01 2.62E-01 5.29E-01 6.28E-01 Kuu Io Europa Ganymedes Kallisto Titan Triton Etäisyys Auringosta (AU) 1 5.2 5.2 5.2 5.2 9.538 30.06 Kiertoaika (yrs) Säde (km) 1 738 1 820 1 565 2 640 2 420 2 575 1 350 Massa (10^24 kg) 0.0735 0.0889 0.0479 0.148 0.108 0.135 0.0214 Painovoima pinnalla (m/s2) 1.62 1.79 1.30 1.42 1.23 1.36 0.78 Pakonopeus (km/s) 2.37 2.55 2.02 2.73 2.44 2.64 1.45 Pyörähdysaika Koostumus He, Na, O SO2 O2 O2 O2 N2, CH4 N2 Molekyylimassa amu 23 64 32 32 32 28 28 Albedo 0.11 0.63 0.64 0.43 0.17 0.2 0.14 Teoreettinen pintalämpötila 277 97 97 109 119 87 50 Todellinen pintalämpötila 100-400 94 ~50 Pintapaine (bar) 1.2E-15 9.2E-10 3.3E-12 2.2E-12 1.9E-10 1.5 1.00E-05 Skaalakorkeus km 61 7 19 20 25 19 19 Kaasukehän korkeus H 28 259 82 133 97 136 72 COLUMN MASS (kg) 7.4E-11 5.1E-05 2.6E-07 1.5E-07 1.5E-05 1.1E+05 1.3E+00 Kaasukehän massa (kg) 2.8E+03 2.1E+09 7.9E+06 1.3E+07 1.1E+09 9.2E+18 2.9E+13 Kaasupylvään molekyylitiheys (/m2) 2.0E+15 5.0E+20 5.0E+18 3.0E+18 3.0E+20 2.5E+30 2.9E+25 Molekyylitiheys pinnalla(/m3) 3.13E+10 6.81E+16 2.50E+14 1.45E+14 1.15E+16 1.16E+26 1.45E+21 Kaasukehän tiheys pinnalla (kg/m3) 1.19E-15 7.24E-09 1.33E-11 7.71E-12 6.10E-10 5.37E+00 6.73E-05 == Planeetan kaasukehän laskemista == Jotta kaasu pysyisi planeetan kaasukehässä, sen lämpöliikkeen eli äänen nopeuden kaasussa on oltava huomattavasti pienempi kuin planeetan pakonopeuden. Planeetan pakonopeus riippuu planeetan läpimitasta: V_{pako} = \sqrt{\frac{2GM}{R}}, missä *V_{pako} on pakonopeus, Maan pakonopeus 11190 m/s *G on gravitaatiovakio 6,67384E-11 N m2 kg-2 *M on planeetan massa, Maan massa on 5,9737E24 kg *ja R on planeetan säde, Maan päiväntasaajasäde on 6382640 m Jos kaasu liikkuu ilmakehässä pakonopeutta suuremmilla nopeuksilla, se karkaa avaruuteen. Kuulla on hyvin pieni pakonopeus Maahan verrattuna, koska se on maata kevyempi ja eikä niin tiheä kuin Maa. Siksi se ei kykene pidättelemään kaasukehää. Lämpimämmiltä planeetoilta karkaa enemmän kaasua pois ilmakehästä avaruuteen kuin kylmemmiltä, koska suuremmassa lämpötilassa kaasuosasten lämpöliike on voimakkaampaa. Auringon lämmittäessä kaasukehän kaasua sen osaset saavuttavat tietyn nopeusjakauman. Jotkin kaasuhiukkaset saattavat liikkua auringon säteilyn kiihdyttämänä jopa viisi kertaa kaasumolekyylien keskimääräistä nopeutta nopeammin. Kevyet kaasut kuten vety liikkuvat raskaampia kaasuja, esimerkiksi happea ja hiilidioksidia vikkelämmin. Ideaalisen kaasumolekyylin keskinopeus voidaan laskea seuraavasti: V_{keski}=\sqrt{\frac{3 k T_{keski}}{m}} \approx 157{,}93 \sqrt{\frac{T_{keski}}{m}}, missä *V_{keski} on kaasun keskinopeus (keskimääräinen lämpöliike, äänen nopeus), *k on Boltzmannin vakio, 1,3806504E-23 *T_{keski} on keskilämpötila kelvineissä, Maan keskilämpötila 288 K *ja m on kaasumolekyylin keskimääräinen massa atomimassayksikköinä, Atomimassayksikkö on 1,660540E−27 kg. Esimerkiksi vetymolekyylille H_2 molekyylimassa on 2, hapelle 32, hiilidioksidille 44 ja vesihöyrylle 18 atomimassayksikköä. Niinpä happimolekyylin massa on noin 5,3E-26 kg. Ideaalikaasun yksittäisten osasten keskinopeus noudattaa Maxwellin nopeusjakaumaa, jossa keskinopeuden yläpuolella liikkuu huomattava osa kaasumolekyyleistä. Näin ollen suuri osa kaasua karkaa avaruuteen, jos kaasuosaset liikkuvat planeetan pakonopeudella tai vaikkapa murto-osalla tästä. Jos nopeusjakauman keskiarvo V_{keski} on sama kuin planeetan pakonopeus, kaasukehä karkaa hyvin nopeasti. Koska kaasumolekyylien nopeusjakauma on liukuva, ei osata sanoa tarkkaa rajaa sille, missä ajassa ja miten suurelta planeetalta tietyistä kaasuista, esimerkiksi hapesta ja typestä koostuva kaasukehä karkaa. Käytännössä voidaan sanoa, että puolet kaasukehästä pysyy planeetan pinnalla 1000 miljoonaa vuotta jos V_{keski} < 0,2 V_{pako} eli kaasuhiukkasten keskinopeus on alle viidesosa pakonopeudesta.Karttunen et al 2010, s. 224, luku 7.7 Mutta jos kaasumolekyylit liikkuvat neljäsosan nopeudella, kaasu pysyy ilmakehässä vain muutamia tuhansia vuosia, ja kolmasosan nopeudella pakonopeudesta vain muutaman viikonMustelin 1980, s. 52. Nyrkkisääntönä pidetään monesti, että planeetta pystyy pitämään pitkiä aikoja (miljardeja vuosia) kaasua, jos V_{pako} > 6 \sqrt{ \frac {3kT}{m} } , missä * V_{pako} on planeetan pakonopeus, *k on Boltzmannin vakio, *T on lämpötila (Kelvineissä), *ja m on keskimääräinen molekyylipaino, joka on esim. vetymolekyylille 2 atomimassayksikköä eli noin 3,32 e -27 Jolloin kaasu pysyy kaasukehässä, jos sen molekyylipaino m > 54 \frac {kR}{MG} T, missä *m on molekyylipaino, *k on Boltzmannin vakio, *R on planeetan säde, *M on planeetan massa, *G on gravitaatiovakio, *ja T on planeetan pintalämpötila. Erään toisen teorian mukaan kaasu pysyy varmasti kaasukehässä Aurinkokunnan eliniän, jos sen keskimääräisen liikenopeuden kymmenesosa on suurempi kuin pakonopeus, V_k/10>V_{pako}. Kaasu pysyy jonkin aikaa, jos V_k/5., ja jos V_k/5, kaasu karkaa nopeasti. Maalle näyttää olevan ominaista, että se heliumin liikenopeus on suurempi kuin Maan pakonopeuden kuudesosa eli V_{keskiHe} > \frac{1}{6} V_{pako}Mustelin 1980, s. 51 . Happi liikkuu Maan ilmakehässä suunnilleen nopeudella 0,46 km/s 0-asteessa ja vety nopeudella 1,84 km/s. Maan pakonopeus on 11,2 km/s. Jos siis planeetta on huomattavasti kevyempi kuin Maa, sen pinnalta karkaa suuri osa kaasusta pois kuten Marsissa on käynyt. Marsin massa on noin 0,15 Maan massasta. Pakonopeus on siellä noin 5 km/s. Keskilämpötila on 210 kelviniä. Näissä oloissa Marsilla on vain ohut ilmakehä, jonka paine on alle prosentin maan ilmanpaineesta eli 0,7–0,9 kPa. == Kaasun paine planeetan pinnalla == Kaasun painetta planeetan pinnalla ei kyetä laskemaan, jos ei tunneta kaasuosasten määrää. Silti voidaan laskea skaalakorkeus H, jonka pohjalta voidaan päätellä, että esimerkiksi planeetan, jonka painovoima pinnalla on 0,5 g ja joka omaa samankaltaisen ilmamäärän kuin Maa, ilmanpaine pinnalla on 0,5 ilmakehää, eli juuri ja juuri hengityskelpoinen. Joissain yhteyksissä on käytetty Maan ja Marsin ilmanpaineista johdettua arviota, jonka mukaan ilmanpaine olisi suunnilleen planeetan massa potenssiin kaksi. . Toisaalta jos samantyyppisen ilmakehän omaavia Marsia ja Venusta verraten tullaan siihen tulokseen, että potenssi onkin suunnilleen 4. == Kaasujen liikenopeuksia eri lämpötiloissa == Lämpötila K Lämpötila °C Vety H2 2 amu Helium He 4 amu Vesihöyry H20 18 amu Typpi N2 28 amu Hiilidioksidi CO2 44 amu 0 -273 0 0 0 0 0 10 -263 353 249 117 94 75 20 -253 499 353 166 133 106 30 -243 611 432 203 163 130 40 -233 706 499 235 188 150 50 -223 789 558 263 211 168 60 -213 865 611 288 231 184 70 -203 934 660 311 249 199 80 -193 998 706 332 266 212 90 -183 1059 749 353 283 225 100 -173 1116 789 372 298 238 110 -163 1171 828 390 313 249 120 -153 1223 865 407 326 260 130 -143 1273 900 424 340 271 140 -133 1321 934 440 353 281 150 -123 1367 967 455 365 291 160 -113 1412 998 470 377 301 170 -103 1456 1029 485 389 310 180 -93 1498 1059 499 400 319 190 -83 1539 1088 513 411 328 200 -73 1579 1116 526 422 336 210 -63 1618 1144 539 432 345 220 -53 1656 1171 552 442 353 230 -43 1693 1197 564 452 361 240 -33 1730 1223 576 462 368 250 -23 1765 1248 588 471 376 260 -13 1800 1273 600 481 383 270 -3 1834 1297 611 490 391 280 7 1868 1321 622 499 398 290 17 1901 1344 633 508 405 300 27 1934 1367 644 516 412 310 37 1966 1390 655 525 419 320 47 1997 1412 665 533 425 330 57 2028 1434 676 542 432 340 67 2059 1456 686 550 439 350 77 2089 1477 696 558 445 360 87 2118 1498 706 566 451 370 97 2148 1518 716 574 457 380 107 2176 1539 725 581 464 390 117 2205 1559 735 589 470 400 127 2233 1579 744 596 476 410 137 2261 1598 753 604 482 420 147 2288 1618 762 611 487 430 157 2315 1637 771 618 493 440 167 2342 1656 780 626 499 450 177 2368 1675 789 633 505 460 187 2395 1693 798 640 510 470 197 2421 1711 807 647 516 480 207 2446 1730 815 653 521 490 217 2471 1747 823 660 527 500 227 2497 1765 832 667 532 510 237 2521 1783 840 674 537 520 247 2546 1800 848 680 542 530 257 2570 1817 856 687 548 540 267 2595 1834 865 693 553 550 277 2618 1851 872 699 558 560 287 2642 1868 880 706 563 570 297 2666 1885 888 712 568 580 307 2689 1901 896 718 573 590 317 2712 1918 904 724 578 600 327 2735 1934 911 731 583 610 337 2758 1950 919 737 588 620 347 2780 1966 926 743 592 630 357 2802 1982 934 749 597 640 367 2825 1997 941 755 602 650 377 2847 2013 949 760 607 660 387 2868 2028 956 766 611 670 397 2890 2043 963 772 616 680 407 2912 2059 970 778 620 690 417 2933 2074 977 783 625 700 427 2954 2089 984 789 629 710 437 2975 2104 991 795 634 720 447 2996 2118 998 800 638 730 457 3017 2133 1005 806 643 740 467 3037 2148 1012 811 647 750 477 3058 2162 1019 817 652 760 487 3078 2176 1026 822 656 770 497 3098 2191 1032 828 660 780 507 3118 2205 1039 833 664 790 517 3138 2219 1046 838 669 == Katso myös == *Ilmakehä *Elinkelpoinen vyöhyke *Elinkelpoinen planeetta *Pakonopeus *Pintagravitaatio *Skaalakorkeus *Lämpöliike *Kaasukehän pako ==Lähteet== *Tähtitieteen perusteet, Hannu Karttunen et al, 5. laitos, Ursa Helsinki 2010, Ursan julkaisuja 119, ISBN 978-952-5329-82-7 * == Aiheesta muualla == *Prof. Bagenal, Fran: "Planetary Atmospheres ASTR3720" (kurssimateriaali), Spring 2005. *Sanchez-Lavega, Agustin, Perez-Hoyos, Santiago, Hueso, Ricardo: "Clouds in planetary atmospheres: A useful application of the Clausios-Clapeyron equation", 23.6.2003. Luokka:Planeetat