Кіріспе

Атмосфералық газдардың ғарышқа жоғалуы
Атмосфералық қашу – планета атмосферасының газдарының ғарышқа жоғалуы. Атмосфералық қашуға бірнеше түрлі механизм себеп болуы мүмкін; осы процестерді жылулық қашу, жылулық емес (немесе суперақтивтік) қашу және соқтығысу эрозиясы деп бөлуге болады. Әрбір жоғалту процесінің салыстырмалы маңыздылығы планетаның қашу жылдамдығына, атмосфера құрамына және жұлдызынан қашықтығына байланысты. Қашу, молекулалық кинетикалық энергия гравитациялық энергияны басып өткен кезде пайда болады; яғни, молекула планетасының қашу жылдамдығынан артық жылдамдықпен қозғалғанда қашып кетуі мүмкін. Экзопланеталардағы атмосфералық қашу жылдамдығын санатқа бөлу, атмосфераның сақталуын, сондай-ақ экзопланетаның тіршілікке жарамдылығы мен оның мүмкіндіктерін анықтау үшін қажет.

Жылудан құтылу механизмдері

Термиялық қашу термиялық энергияның нәтижесінде молекулалық жылдамдық жеткілікті деңгейде жоғары болғанда жүзеге асады. Термиялық қашу барлық масштабтарда кездеседі, молекулалық деңгейде (Джинс қашуы) бастап, атмосфераның жаппай шығуына дейін (гидродинамикалық қашу).

Жанс құтылу

Бір классикалық жылулық қашу механизмі – Джинс қашуы, бұл процесс атмосфералық жоғалтуды алғаш рет сипаттаған британдық астроном сэр Джеймс Джинс есімімен аталады. Газдың белгілі бір көлемінде кез келген молекуланың орташа жылдамдығы газдың температурасымен өлшенеді, бірақ жеке молекулалардың жылдамдықтары бір-бірімен соқтығысқанда өзгереді, кинетикалық энергияны қосып алады және жоғалтады. Молекулалар арасындағы кинетикалық энергияның өзгеруін Максвелл таралуы сипаттайды. Молекуланың кинетикалық энергиясы, массасы және жылдамдығы бір-бірімен байланысты. Таралудың жоғары бөлігіндегі (бірнеше бөлшектердің орташа жылдамдықтан әлдеқайда жоғары жылдамдықтары бар) жеке молекулалар қашу жылдамдығына жетіп, атмосферадан шығып кетуі мүмкін, егер олар келесі соқтығысуға дейін қашып үлкерсе; бұл негізінен экзосферада болады, онда орташа еркін жүріс ұзындығы қысым шкаласының биіктігіне шамалас. Қашып кетуге қабілетті бөлшектердің саны экзобазадағы молекулалық концентрацияға байланысты, ол термосфера арқылы диффузиямен шектеледі. Джинс қашуының салыстырмалы маңыздылығына үш фактор күшті әсер етеді: молекуланың массасы, планетаның қашу жылдамдығы және ата-ана жұлдызынан келетін сәулелену арқасында жоғарғы атмосфераның қызуы. Ауыр молекулалар қашып кетуі аз мүмкін, өйткені бірдей температурада жеңіл молекулаларға қарағанда олар баяу қозғалады. Сондықтан сутегі көмірқышқыл газына қарағанда атмосферадан оңай қашып кетеді. Екіншіден, үлкен массасы бар планетада гравитация күші жоғары болады, сондықтан қашу жылдамдығы да жоғары болады, және қашу үшін қажетті энергияны алатын бөлшектердің саны азаяды. Осы себепті газды алып планеталар әлі де сутегінің көп мөлшерін сақтайды, ол Жер атмосферасынан тез қашып кетеді. Соңында, планетаның жұлдыздан орбиталық қашықтығы да маңызды рөл атқарады; жұлдызға жақын планетаның атмосферасы ыстық, жылдамдықтары жоғары және демек, қашу ықтималдығы жоғары. Ал алыс планетаның атмосферасы салқын, жылдамдықтары төмен және қашу мүмкіндігі азырақ.

Гидродинамикалық құтылу

Жоғары қысым мен температуралы атмосфера да гидродинамикалық қашуға ұшырауы мүмкін. Бұл жағдайда, көбінесе ультракүлгін сәулелену арқылы атмосфераға көп мөлшерде жылу энергиясы сіңіріледі. Молекулалар қызған сайын жоғары қарай кеңейіп, қашу жылдамдығына жеткенше одан әрі үдемеленеді. Бұл процесте жеңіл молекулалар соқтығысу арқылы ауыр молекулаларды өздерімен бірге сүйреп әкетеді, нәтижесінде газдың көп мөлшері қашып кетеді. Гидродинамикалық қашу жұлдызына жақын экзопланеталарда, соның ішінде ыстық Юпитер HD 209458b планетасында байқалған.

Термиялық емес (супертермиялық) құтылу

Ажырасу термиялық емес өзара әрекеттесулердің нәтижесінде де болуы мүмкін. Мұндай процестердің көпшілігі фотохимиялық немесе зарядталған бөлшектердің (иондардың) әрекеттесуінен туындайды.

Фотохимиялық қашу

Жоғарғы атмосферада жоғары энергиялы ультракүлгін фотондар молекулалармен оңайрақ әрекеттеседі. Фотодиссоциация молекуланы кішірек құрамдас бөліктерге жіктеуге және олардың қашуына жеткілікті энергия беруге мүмкіндік береді. Фотоионизация иондарды жасайды, олар планетаның магнитосферасында тұтқындалуы немесе диссоциативтік рекомбинацияға түсуі мүмкін. Бірінші жағдайда, бұл иондар төменде сипатталған қашу механизмдерінен өтуі мүмкін. Екінші жағдайда ион электронмен бірігіп, энергияны бөліп шығарып, қашып кетеді.

Спэттингтік шығу

Күн желінің артық кинетикалық энергиясы атмосфералық бөлшектерді шығаруға жеткілікті күш түсіре алады, бұл қатты беттен шашырауға ұқсас. Мұндай өзара әрекеттесу планеталық магнитосфера болмағанда күштірек болады, себебі электр зарядталған күн желі магнит өрістерімен бұрылып, атмосфераның жоғалуын баяулатады.

Заряд алмасудан шығу

Күн желіндегі немесе магнитосферадағы иондар жоғарғы атмосферадағы молекулалармен заряд алмасуы мүмкін. Жылдам қозғалатын ион баяу атмосфералық бейтараптан электронды тартып алып, жылдам бейтарап пен баяу ионды құрайды. Баяу ион магнит өрісінің сызықтарында тұтқындалады, ал жылдам бейтарап одан босап шығуы мүмкін.

Тез соққыдан эрозия

Үлкен метеороидтың соққысы атмосфераның жоғалуына алып келуі мүмкін. Егер соқтығысу жеткілікті энергиялы болса, атмосфералық молекулаларды қоса алғанда, шығарылған материалдардың қашып шығу жылдамдығына жетуі мүмкін. Атмосферадан қашуға маңызды әсер ету үшін соққы тигізген дененің радиусы масштаб биіктігінен үлкен болуы керек. Оқпан (немесе соққы тигізуші дене) үш негізгі жолмен атмосфераның қашуына көмектесе алады: (а) метеороид атмосфера арқылы өтетін кезде кездесетін газды қыздырып, жылдамдатады; (б) соққы кратерінен шыққан қатты материалдар атмосфералық бөлшектерді соққы арқылы қыздырады; (в) соққы нәтижесінде пайда болған бу беттен кеңейіп таралады. Бірінші жағдайда, қыздырылған газ гидродинамикалық қашу сияқты, бірақ шағын ауқымда қашып кетуі мүмкін. Соққыдан болатын эрозиядан қашудың көп бөлігі үшінші жағдайға байланысты. 1 миллиард жыл ішінде Күн қазіргіден 10%-ға жарқырап, Жердің барлық суын жоғалтуына себеп болатын жеткілікті мөлшерде сутегін жоғалтуына жеткілікті ыстық болады (Қараңыз).

Венера

Соңғы модельдер көрсеткендей, Венерадағы сутегінің қашуы негізінен суператомдық механизмдерге байланысты, атап айтқанда фотохимиялық реакциялар мен күн желдерімен заряд алмасу арқылы жүзеге асады. Оттегінің қашуына заряд алмасу және шашырату үлесі басым. Venus Express Венера атмосферасынан қашу жылдамдығына короналық массалық шығарылымдардың (короналық массалық лақтырулардың) әсерін өлшеді, және зерттеушілер тыныш ғарыш күйімен салыстырғанда короналық массалық шығарылымдардың белсенді кезеңдерінде қашу жылдамдығы 1,9 есе артқанын анықтады.

Марс

Бастапқы Марс бірнеше шағын соққы эрозия оқиғаларының жиынтық әсерінен зардап шекті, және MAVEN аппаратының соңғы байқаулары Марс атмосферасындағы 36Ar-дың 66% соңғы 4 миллиард жылда супертермальдық қашу арқылы жоғалғандығын, ал сол кезеңде жоғалған CO2 мөлшері шамамен 0,5 бар немесе одан да көп екенін көрсетеді. MAVEN миссиясы сонымен қатар Марстың атмосферасының қашу жылдамдығын зерттеді. Жанс қашуы Марстағы сутегінің үздіксіз қашуына маңызды рөл атқарады, бұл 160–1800 г/с аралығында өзгеретін жоғалу деңгейіне әсер етеді. Сутегінің шығындарын төменгі атмосфералық процестер, мысалы, гравитациялық толқындар, конвекция және шаң дауылдары айтарлықтай реттей алады. Оттегінің жоғалуы супертермальдық әдістермен доминирленеді: фотохимиялық (~1300 г/с), заряд алмасу (~130 г/с) және шашырату (~80 г/с) қашуларының жалпы жоғалу жылдамдығы ~1500 г/с құрайды. Көміртек және азот сияқты басқа ауыр атомдар негізінен фотохимиялық реакциялар мен күн желдерімен өзара әрекеттесу нәтижесінде жоғалады. Қашқан сутек Титанның орбитасын ұстап, Сатурнның айналасында бейтарап сутек сақинасын құрайды. Ио, Юпитердің айналасындағы орбитасында плазмалық бұлтқа кездеседі. Плазмалық бұлтпен өзара әрекеттесу натрий бөлшектерін шашыратып, шығарып жібереді. Бұл өзара әрекеттесу Ио орбитасының бір бөлігі бойында стационарлық, банан тәрізді зарядталған натрий бұлтын жасайды.

Экзопланетаның атмосферадан қашуын бақылау

Экзопланеталарды зерттеу атмосфералық құрамын және өмір сүруге жарамдылығын анықтау үшін атмосфералық қашуды өлшеуді қолданады. Ең көп қолданылатын әдіс – Лайман-альфа сызығының сіңірілуі. Экзопланеталардың алыстағы жұлдыздың жарықтығының (транзит) әлсіреуі арқылы табылуы сияқты, сутектің сіңірілуіне сәйкес келетін толқын ұзындығын қарастыру экзопланетаның айналасындағы сферадағы сутектің мөлшерін анықтайды. Бұл әдіс HD209458b және HD189733b ыстық Юпитерлері мен GJ436b ыстық Нептунының айтарлықтай атмосфералық қашуын көрсетеді. 2018 жылы Хаббл ғарыш телескопы арқылы атмосфералық қашуды 1083 нм гелий триплетімен өлшеуге болатыны анықталды. Бұл толқын ұзындығы, ультракүлгін Лайман-альфа сызықтарымен салыстырғанда, жердегі жоғары ажыратымдылық спектрографтарынан алу әлдеқайда оңай. Гелий триплетінің айналасындағы толқын ұзындығының тағы бір артықшылығы – ол Лайман-альфа үшін мәселе тудыратын жұлдызаралық сіңіруге қатты сезімтал емес. Алайда, гелийдің бір кемшілігі бар: атмосфераның массалық жоғалуын модельдеу үшін сутегі-гелий арақатынасы туралы мәлімет қажет. Гелийдің қашуы WASP 107b, WASP 69b және HD 189733b сияқты көптеген алып экзопланеталардың айналасында өлшенді. Сондай-ақ, ол TOI 560 b және HD 63433 c сияқты кейбір шағын Нептундардың айналасында да анықталды.

Басқа атмосфералық жоғалту механизмдері

Бұл планетадан қашу емес, атмосферадан планетаға молекулалардың жоғалуы. Жерде бұл су буы конденсацияланып жаңбыр немесе мұздыққа айналғанда, көмірқышқыл газы шөгінділерде жиналғанда немесе мұхиттар арқылы айналымға түскенде, немесе тау жыныстары тотыққанда (мысалы, темірлі тау жыныстарының тотығу деңгейі Fe2+ -ден Fe3+ -ке өскенде) болады. Газдар адсорбция арқылы да тоқтатылуы мүмкін, яғни реголиттегі ұсақ бөлшектер газды ұстап, беткі бөлшектерге жабысады.