Мобилизация веществ в экзосфера

Экзосфера - внешний слой атмосферы, из которого быстро движущиеся лёгкие атомы водорода могут вылетать (ускользать) в космическое пространство. Температура достигает уровня более 3000 К. На больших расстояниях от Земли (2—3 тыс. км и более) нейтральную экзосферу образуют почти исключительно атомы водорода, на более низких высотах заметную долю составляют атомы гелия, а ещё ниже — также и атомы кислорода.

Экзосфера находится на расстоянии 800-1000 км от поверхности Земли. Экзосфера выделяется на основе изменения температур и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по орбите под воздействием силы притяжения планеты, но многие молекулы рассеиваются, поэтому экзосферу еще называют зоной рассеивания.

Нижняя граница экзосферы — экзобаза — определяется из соотношения равенства длины свободного пробега высоте однородной атмосферы. Частицы экзосферы двигаются в основном по баллистическим траекториям, поэтому при наличии у них второй космической скорости достаточно высока вероятность покинуть планету без столкновений.

 Протяжённую экзосферу планеты  часто называют короной; она состоит  из атомов водорода, «улетучивающихся»  из верхней атмосферы. Геокорона  распространяется вплоть до высот порядка 100 тыс. км, а корона Венеры — до 200 тыс.км.

Экзосфера Земли состоит из ионизированного газа (плазмы); у её основания отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1, в верхней части экзосферы газ почти полностью ионизирован. Нижняя и средняя части экзосферы в основном состоят из атомов О и N, с увеличением же высоты быстро растет относительная концентрация лёгких газов, особенно ионизированного водорода. Газокинетическая температура составляет 1500-3000 К, она слабо растет с высотой. Рост солнечной активности приводит к потеплению экзосферы и к увеличению её толщины.

Самый крайний слой экзосферы, состоящий из рассеивающихся атомов водорода, называют «короной» планеты, которая может простираться на расстояние до 10 000 км от поверхности планеты. Экзосфера Земли состоит из ионизированного газа (плазмы); у её основания отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1, в верхней части экзосферы газ почти полностью ионизирован.

Нижняя и средняя части экзосферы в основном состоят из атомов О и N, с увеличением же высоты быстро растет относительная концентрация лёгких газов, особенно ионизированного водорода. Газокинетическая температура составляет 1500—3000 К, она слабо растет с высотой. Рост солнечной активности приводит к потеплению экзосферы и к увеличению её толщины.

Таким образом, была рассмотрена экзосфера - внешний слой атмосферы, граничащий с термосферой с одной стороны и открытым космосом с другой. В экзосфере частицы газов рассеиваются в космическое пространство.

 

2. Мобилизация веществ  в экзосфера

2.1. Общая характеристика  веществ в экзосфере

 

Экзосфера, как Земли, так и других планет изобилует различными веществами. Верхний разряжённый слой атмосферы Земли (экзосфера) как бы сливается с этим потоком летящих от солнца горячих газов. Рассмотрим их более подробно. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а из-за сильной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою.

Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической скоростью будет 11,2 км/сек.Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, «ускользать», рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния.

Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам.

Солнечный ветер перестал сдувать с экзосферы Земли летучие молекулы, водород, к примеру. В результате вода оказалась защищена гораздо лучше. И это несмотря на то, что мощность первичного магнитного поля составляла 50-70 процентов от существующей ныне. Водород в экзосфере находится преимущественно в виде:

1)CH4

2)H2O

3)NH3

4)H+

5)H2S

В экзосфере так же происходит фиксация азота из воздуха осуществляется группами анаэробных и цианобактерий - 1 млрд. т в N2 в год.

Недавно предполагалось, что экзосфера и с нею вообще земная атмосфера кончается на высотах порядка 2000-3000 км.Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20000 км.Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.

С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц – протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия – порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.

Итак, была обозначена и рассмотрена общая характеристика веществ в экзосфере.

 

2.2. Потери планетами веществ из экзосферы

 

Итак, рассмотрим возможные потери планетами веществ из экзосферы на примере Земли и небесного тела, называемого Желтый карлик WASP-12. в первую очередь будет рассмотрена потеря веществ из земной экзосферы. Земля теряла значительный объем летучих веществ из экзосферы. Группа геофизиков из США, Южно-Африканской Республики и Китая, выяснила, что магнитное поле древней Земли было едва ли не в два раза слабее, чем нынешнее.

Характеристики поля удалось определить благодаря изучению пород возрастом более трех миллиардов лет, которые были найдены в Африке. Внимание ученых привлекли вулканические породы (дациты), содержащие миллиметровые кристаллы кварца, в которых, в свою очередь, обнаруживаются наноразмерные магнитные включения, хранящие информацию о поле Земли. Они извлекли из породы возрастом в 3,40–3,45 миллиарда лет частицы полевого шпата и кварца.

С помощью модифицированных сверхчувствительных СКВИД-магнитометров было проведено ряд измерений. Выяснилось, что 3,5 миллиарда лет назад поле Земли было на 30–50 процентов слабее, чем сейчас. Геофизики предполагают, что в те времена средняя интенсивность солнечного ветра приблизительно в 20 раз превосходила современное значение.

Таким образом, в условиях ослабленного поля магнитопауза нашей планеты должна была проходить на расстоянии менее пяти земных радиусов от ее центра. Сейчас она находится приблизительно в два раза дальше. При этом под воздействием солнечного ветра Земля потеряла внушительный объем летучих веществ из экзосферы.

Кроме того, на молодой планете должны были наблюдаться гигантские полярные сияния. "Обычной ночью 3,5 миллиарда лет назад полярное сияние распространялось бы на юг до Нью-Йорка", - утверждает участник исследования Джон Тардуно из Рочестерского университета.

Данные, полученные с орбитального телескопа "Хаббл", подтвердили, что самую горячую из известных экзопланет - WASP-12b действительно пожирает ее собственная звезда, постепенно "высасывая" вещество из верхних слоев ее атмосферы.

В феврале группа ученых под руководством Шу-лин Ли из Института астрономии и астрофизики Кавли в Пекине, изучив свойства необычной двойной системы WASP-12, пришла к выводу, что притяжение звезды искажает форму планеты, а возникающие гравитационные приливные волны так сильно разогревают ее изнутри, что вокруг образуется облако вещества, которое постепенно оттягивает звезда. Из-за этого WASP-12b примерно через 10 миллионов лет полностью исчезнет.

Кэрол Хасвелл из Открытого университета в Великобритании и ее коллеги подтвердили эти предположения с помощью ультрафиолетового спектрографа Cosmic Origins Spectrograph телескопа "Хаббл". Они выяснили, что планету окружает экзосфера, облако вещества, "оторванного" притяжением звезды.

По мнению Хэсвелла, можно видеть огромное облако вещества вокруг планеты, которое постепенно "перетягивает" звезда. В нем ученые идентифицировали химические элементы, которые раньше никогда не обнаруживались на планетах за пределами Солнечной системы", - сказала.

Ученые получили с "Хаббла" спектроскопические данные о планете. В ее экзосфере они обнаружили следы марганца, иттербия, скандия, алюминия, ванадия и некоторых других химических элементов.

Желтый карлик WASP-12, удаленный от Земли примерно на 700 световых лет, по массе и размерам похож на Солнце. Однако планета, которая обращается вокруг него, почти в полтора раза массивнее Юпитера, а ее радиус - в три раза больше. Температура на ее поверхности составляет более 2,5 тысячи градусов Цельсия, что обнаруживается рекордом для планеты: такую температуру имеют красные карлики, небольшие звезды.

Так сильно планету нагревает близость к звезде: WASP-12b совершает полный оборот вокруг нее чуть более, чем за сутки, двигаясь на расстоянии в 75 раз меньшем, чем расстояние от Земли до Солнца. WASP-12b открыли европейские и американские астрономы в 2008 году в рамках проекта по поиску экзопланет SuperWASP.

В 2008 г. году европейские учёные обнаружили первую планету за пределами Солнечной системы, которая состоит из камня, как наша Земля. Она расположена слишком близко к своей звезде, что исключает возможность существования на ней каких-либо форм жизни. Тем не менее это большое открытие для тех, кто пытается найти жизнь во Вселенной: в ней могут существовать и другие подобные планеты, где условия окажутся более благоприятными.

Новая планета, получившая название CoRoT-7b, - первая, плотность которой почти такая же, как у Земли - 4,7 г на кубический см. Это дает основания считать, что она имеет каменистую структуру. Такие планеты труднее найти, поскольку они гораздо меньше по размерам, чем газообразные.

Таким образом, в данном параграфе курсовой работы были рассмотрены потери планетами веществ из экзосферы на примере Земли и небесного тела, называемого Желтый карлик WASP-12.

 

2.3. Вещества в экзосфере Меркурия

 

Ученые НАСА из Центра космических полётов им. Р. Годдарда всерьез занимаются изучением такой планеты Солнечной системы, как Меркурий. Солнечный ветер и многочисленные метеориты заставляют экзосферу планеты постоянно меняться. Эта изменчивость может о многом рассказать астрономам. Маленький Меркурий переживает большие катастрофы: мощный солнечный ветер и высокоскоростные микрометеориты.

В качестве инструментов по изучению экзосферы Меркурия применялся  атмосферный и поверхностный спектрометр MASCS. Для сравнения на этом обзоре показаны графики с плотностью атомов натрия в экзосфере Меркурия, зарегистрированной в течение первого и второго пролета планеты космическим аппаратом MESSENGER. Выбросы натрия менее симметричны во время первого пролета, с большей концентрацией в северном полушарии по отношению к югу. Во время второго пролета наблюдалась симметрия северного и южного полушария.

Рис. 1. Изменение экзосферы на Меркурии.

Меркурианская экзосфера в значительной степени обязана своим существованием Солнцу. Тонкая газовая оболочка планеты, экзосфера, немногим плотнее вакуума и не может защитить планету. Она постоянно меняется и пополняется натрием, калием, кальцием, магнием и другими элементами, которые освобождаются из почвы Меркурия солнечным ветром. Насыщенная разнообразными элементами, экзосфера активно реагирует на солнечный свет, ветер и магнитное поле, и ее удивительная изменчивость может многое рассказать астрономам.

Суммировав данные, полученные в ходе миссии космического зонда Messenger, ученые НАСА из Центра космических полётов им. Р. Годдарда составили "портрет" Меркурия и представили его широкой публике в сентябрьском издании Icarus.

Моделирование Меркурия представляется весьма сложной задачей. Ни один космический аппарат не садился на его поверхность, поэтому астрономам приходится искать косвенные способы исследования. Например, изучать Луну. Как и Меркурий, Луна имеет схожие процессы переноса вещества с поверхности в очень тонкую экзосферу. Когда ученые захотели выяснить, какая почва может привести к повышенной концентрации натрия и калия в экзосфере Меркурия, они изучили образцы лунного грунта, привезенного 16-ю советскими аппаратами серии "Луна".

Чтобы понять, как изучить экзосферу, вначале рассмотрим как атомы и молекулы в атмосфере Земли совершают резкие движения и все время сталкиваются друг с другом, но в экзосфере Меркурия это скорее исключение - они чаще падают на поверхность, чем "находят" друг друга. Наблюдения с наземных телескопов и MESSENGER-а показывают, что натрий, кальций и магний, освобождаются из почвы в результате различных процессов и ведут себя в экзосфере по-разному.

Теперь рассмотрим натрий в экзосфере. Новые модели продемонстрировали удивительные силы, высвобождающие огромные количества натрия. Исследователи считали, что основным фактором, влияющим на этот процесс, является удар заряженных частиц о поверхность планеты, который освобождает натрий в процессе, называемом ионным распылением (бомбардировка объекта некоторыми частицами, имеющими энергию большую, чем связи атома объекта, в результате чего объект распыляется). Но оказалось, что основным фактором является фотостимулированная десорбция (отделение поглощённого вещества в результате колебательного движения), усиленная ударами ионов.