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 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 
 Planeettatai kuu Lämpötila  Pakonopeuspinnalla m/s 1/6 pakonopeudesta Kaasun paine Maan ilmakehää Kaasun tiheyspinnalla kg/m3 Kaasukoostumus pääosin Keskimääräinenkaasun 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:

,

missä
 on pakonopeus, Maan pakonopeus 11190 m/s
 on gravitaatiovakio 6,67384E-11 N m2 kg-2
 on planeetan massa, Maan massa on 5,9737E24 kg 
ja  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:

,

missä
 on kaasun keskinopeus (keskimääräinen lämpöliike, äänen nopeus),
 on Boltzmannin vakio, 1,3806504E-23
 on keskilämpötila kelvineissä, Maan keskilämpötila 288 K
ja  on kaasumolekyylin keskimääräinen massa atomimassayksikköinä, Atomimassayksikkö on 1,660540E−27 kg.

Esimerkiksi vetymolekyylille  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  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  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

,

missä
 on planeetan pakonopeus,
 on Boltzmannin vakio,
 on lämpötila (Kelvineissä),
ja  on keskimääräinen molekyylipaino, joka on esim. vetymolekyylille 2 atomimassayksikköä eli noin 3,32 e -27

Jolloin kaasu pysyy kaasukehässä, jos sen molekyylipaino

,

missä
 on molekyylipaino,
 on Boltzmannin vakio,
 on planeetan säde,
 on planeetan massa,
 on gravitaatiovakio,
ja  on planeetan pintalämpötila.

Erään toisen teorian mukaan kaasu pysyy varmasti kaasukehässä Aurinkokunnan eliniän, jos sen keskimääräisen liikenopeuden kymmenesosa on suurempi kuin pakonopeus, . Kaasu pysyy jonkin aikaa, 
jos ., ja jos , kaasu karkaa nopeasti.

Maalle näyttää olevan ominaista, että se heliumin liikenopeus on suurempi kuin Maan pakonopeuden kuudesosa eli 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, 


 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