Planeettojen kaasukehät
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 takia[1] 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 hajonneet[2]. 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.[3]
Planeetta tai kuuLämpötilaPakonopeus pinnalla m/s1/6 pakonopeudestaKaasun paine Maan ilmakehääKaasun tiheys pinnalla kg/m3Kaasukoostumus pääosinKeskimääräinen kaasun atomimassa (amu)Venus750 K (460 °C)10361[4]17279067Hiilidioksidi CO2 96,5%, Typpi N2 3,5%noin 43,2Maa275 K (n. 15 °C)11181186311,293Happi O2 20,9%, Typpi N2 78,1%28,6Mars260 K (-55 °C)50268380,007 (6,3 mbar)0,01895,3% CO2, N2 2,7%42,5Titan95K (-178°C)2650[5]noin 1,590% Typpi N2, 7% Metaani CH4
Käytännössä kaasukehättömän Merkuriuksen pakonopeus on 4400 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.[6]. Maassa ja Venuksessakin pysyvät happi ja typpi, mutteivät vety ja helium[7]. 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.[8]
VenusMaaMarsTitanPintapaine (bar)9210,0061,5Skaalakorkeus (km)16811Kaasupylvään massa (kg)1,0E+061,0E+041,6E+02Kokonaismassa (kg)4,8E+205,2E+182,3E+16Kaasupylvään molekyylitiheys (/m2)1,5E+312,2E+292,3E+27Molekyylitiheys pinnalla (/m3)9,01E+262,52E+251,95E+23Tiheys pinnalla (kg/m3)6,58E+011,21E+001,42E-02Kaasun molekyylimassa[9]44,0128,9744,0128,67
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
MerkuriusVenusMaaMarsJupiterSaturnusUranusNeptunusEtäisyys Auringosta (AU)0.3870.72311.5245.2039.53819.1830.06Kiertoaika vuotta0.240.611.001.8811.8729.4684.00164.81Säde (km)243960526378339871400603302555924764Massa (10^24 kg)0.334.875.980.642190056986.8102Painovoima pinnalla (m/s2)3.708.879.813.7124.8610.438.8611.09Pakonopeus (km/s)4.2510.3511.185.0259.5435.4521.2723.43Pyörähdysaika (tuntia)140858322424.629.810.617.316.1Kaasukehän koostumusHe, O, NaCO2N2, O2,CO2H2, HeH2, HeH2, HeH2, HeKaasun molekyylimassa (amu)164429442.222.072.642.61Albedo0.120.590.390.150.440.460.560.51Lämpötila (teoreettinen)444268252222108795343Todellinen lämpötila100-700740288223125956050Pintapaine (bar)9.47E-159210.0061111Skaalakorkeus (km)621681119362114Kaasukehän korkeus/H393877633013819166012071737Kaasupylvään massa (kg)2.6E-101.0E+061.0E+041.6E+024.0E+039.6E+031.1E+049.0E+03Kaasukehän massa (kg)1.9E+044.8E+205.2E+182.3E+162.6E+204.4E+209.3E+196.9E+19Kaasupylvään molekyylitiheys (/m2)1.0E+161.5E+312.2E+292.3E+271.1E+302.9E+302.7E+302.2E+30Kaasun molekyylitiheys pinnalla (/m3)1.55E+119.01E+262.52E+251.95E+235.80E+257.63E+251.21E+261.45E+26Kaasukehän tiheys pinnalla(kg/m3)4.11E-156.58E+011.21E+001.42E-022.14E-012.62E-015.29E-016.28E-01KuuIoEuropaGanymedesKallistoTitanTritonEtäisyys Auringosta (AU)15.25.25.25.29.53830.06Kiertoaika (yrs)Säde (km)1738182015652640242025751350Massa (10^24 kg)0.07350.08890.04790.1480.1080.1350.0214Painovoima pinnalla (m/s2)1.621.791.301.421.231.360.78Pakonopeus (km/s)2.372.552.022.732.442.641.45PyörähdysaikaKoostumusHe, Na, OSO2O2O2O2N2, CH4N2Molekyylimassa amu23643232322828Albedo0.110.630.640.430.170.20.14Teoreettinen pintalämpötila27797971091198750Todellinen pintalämpötila100-40094~50Pintapaine (bar)1.2E-159.2E-103.3E-122.2E-121.9E-101.51.00E-05Skaalakorkeus km6171920251919Kaasukehän korkeus H28259821339713672COLUMN MASS (kg)7.4E-115.1E-052.6E-071.5E-071.5E-051.1E+051.3E+00Kaasukehän massa (kg)2.8E+032.1E+097.9E+061.3E+071.1E+099.2E+182.9E+13Kaasupylvään molekyylitiheys (/m2)2.0E+155.0E+205.0E+183.0E+183.0E+202.5E+302.9E+25Molekyylitiheys pinnalla(/m3)3.13E+106.81E+162.50E+141.45E+141.15E+161.16E+261.45E+21Kaasukehän tiheys pinnalla (kg/m3)1.19E-157.24E-091.33E-117.71E-126.10E-105.37E+006.73E-05
Jotta kaasu pysyisi planeetan kaasukehässä, sen lämpöliikkeen eli äänen nopeuden kaasussa on oltava huomattavasti pienempi kuin planeetan pakonopeuden.[10]
Planeetan pakonopeus riippuu planeetan läpimitasta:
V p a k o = 2 G M R {\displaystyle V_{pako}={\sqrt {\frac {2GM}{R}}}} ,
V p a k o {\displaystyle V_{pako}} on pakonopeus, Maan pakonopeus 11190 m/s G {\displaystyle G} on gravitaatiovakio 6,67384E-11 N m2 kg-2 M {\displaystyle M} on planeetan massa, Maan massa on 5,9737E24 kg ja R {\displaystyle 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 k e s k i = 3 k T k e s k i m ≈ 157 , 93 T k e s k i m {\displaystyle V_{keski}={\sqrt {\frac {3kT_{keski}}{m}}}\approx 157{,}93{\sqrt {\frac {T_{keski}}{m}}}} ,
V k e s k i {\displaystyle V_{keski}} on kaasun keskinopeus (keskimääräinen lämpöliike, äänen nopeus), k {\displaystyle k} on Boltzmannin vakio, 1,3806504E-23 T k e s k i {\displaystyle T_{keski}} on keskilämpötila kelvineissä, Maan keskilämpötila 288 K ja m {\displaystyle m} on kaasumolekyylin keskimääräinen massa atomimassayksikköinä, Atomimassayksikkö on 1,660540E−27 kg.
Esimerkiksi vetymolekyylille H 2 {\displaystyle 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 k e s k i {\displaystyle 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 k e s k i < 0 , 2 V p a k o {\displaystyle V_{keski}<0,2V_{pako}} eli kaasuhiukkasten keskinopeus on alle viidesosa pakonopeudesta.[11][12] Mutta jos kaasumolekyylit liikkuvat neljäsosan nopeudella, kaasu pysyy ilmakehässä vain muutamia tuhansia vuosia, ja kolmasosan nopeudella pakonopeudesta vain muutaman viikon[13].
Nyrkkisääntönä pidetään monesti, että planeetta pystyy pitämään pitkiä aikoja (miljardeja vuosia) kaasua, jos[13][14]
V p a k o > 6 3 k T m {\displaystyle V_{pako}>6{\sqrt {\frac {3kT}{m}}}} ,
V p a k o {\displaystyle V_{pako}} on planeetan pakonopeus, k {\displaystyle k} on Boltzmannin vakio, T {\displaystyle T} on lämpötila (Kelvineissä), ja m {\displaystyle m} on keskimääräinen molekyylipaino, joka on esim vetymolekyylille 2 atomimassaksikköä eli noin 3,32 e -27
Jolloin kaasu pysyy kaasukehässä, jos sen molekyylipaino
m > 54 k R M G T {\displaystyle m>54{\frac {kR}{MG}}T} ,
m {\displaystyle m} on molekyylipaino, k {\displaystyle k} on Boltzmannin vakio, R {\displaystyle R} on planeetan säde, M {\displaystyle M} on planeetan massa, G {\displaystyle G} on gravitaatiovakio, ja T {\displaystyle 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 p a k o {\displaystyle V_{k}/10>V_{pako}} . Kaasu pysyy jonkin aikaa, jos V k / 5 < V p a k o < V k / 9 {\displaystyle V_{k}/5<V_{pako}<V_{k}/9} .[15], ja jos V k / 5 < V p a k o {\displaystyle V_{k}/5<V_{pako}} , kaasu karkaa nopeasti.
Maalle näyttää olevan ominaista, että se heliumin liikenopeus on suurempi kuin Maan pakonopeuden kuudesosa eli V k e s k i H e > 1 6 V p a k o {\displaystyle V_{keskiHe}>{\frac {1}{6}}V_{pako}} [16] . 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 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 yhteksissä on käytetty Maan ja Marsin ilmanpaineista johdettua arviota, jonka mukaan ilmanpaine olisi suunnilleen planeetan massa potenssiin kaksi. [17]. Toisaalta jos samantyyppisen ilmakehän omaavia Marsia ja Venusta verraten tullaan siihen tulokseen, että potenssi onkin suunnilleen 4.
Lämpötila KLämpötila °CVety H2 2 amuHelium He 4 amuVesihöyry H20 18 amuTyppi N2 28 amuHiilidioksidi CO2 44 amu0-2730000010-263353249117947520-25349935316613310630-24361143220316313040-23370649923518815050-22378955826321116860-21386561128823118470-20393466031124919980-19399870633226621290-1831059749353283225100-1731116789372298238110-1631171828390313249120-1531223865407326260130-1431273900424340271140-1331321934440353281150-1231367967455365291160-1131412998470377301170-10314561029485389310180-9314981059499400319190-8315391088513411328200-7315791116526422336210-6316181144539432345220-5316561171552442353230-4316931197564452361240-3317301223576462368250-2317651248588471376260-1318001273600481383270-3183412976114903912807186813216224993982901719011344633508405300271934136764451641231037196613906555254193204719971412665533425330572028143467654243234067205914566865504393507720891477696558445360872118149870656645137097214815187165744573801072176153972558146439011722051559735589470400127223315797445964764101372261159875360448242014722881618762611487430157231516377716184934401672342165678062649945017723681675789633505460187239516937986405104701972421171180764751648020724461730815653521490217247117478236605275002272497176583266753251023725211783840674537520247254618008486805425302572570181785668754854026725951834865693553550277261818518726995585602872642186888070656357029726661885888712568580307268919018967185735903172712191890472457860032727351934911731583610337275819509197375886203472780196692674359263035728021982934749597640367282519979417556026503772847201394976060766038728682028956766611670397289020439637726166804072912205997077862069041729332074977783625700427295420899847896297104372975210499179563472044729962118998800638730457301721331005806643740467303721481012811647750477305821621019817652760487307821761026822656770497309821911032828660780507311822051039833664790517313822191046838669
Ilmakehä Elinkelpoinen vyöhyke Elinkelpoinen planeetta Pakonopeus Pintagravitaatio Skaalakorkeus Lämpöliike Kaasukehän pako
Tähtitieteen perusteet, Hannu Karttunen et al, 5. laitos, Ursa Helsinki 2010, Ursan julkaisuja 119, ISBN 978-952-5329-82-7 Citation error, replace with{{cite book| author = Mustelin, Nils| title = Elämää maailmankaikkeudessa?| location = Porvoo Helsinki Juva| publisher = WSOY| year = 1980| version = (Liv bland miljarder stjärnor: Civilisationer i Vintergatan – och där bortom?, 1978.) Suomentanut Olli Siltanen| id = ISBN 951-0-09051-4}}