El escape atmosférico es la pérdida de gases atmosféricos planetarios al espacio exterior . Varios mecanismos diferentes pueden ser responsables del escape atmosférico; estos procesos se pueden dividir en escape térmico, escape no térmico (o supratérmico) y erosión por impacto. La importancia relativa de cada proceso de pérdida depende de la velocidad de escape del planeta , la composición de su atmósfera y su distancia de su estrella. El escape ocurre cuando la energía cinética molecular vence a la energía gravitacional ; en otras palabras, una molécula puede escapar cuando se mueve más rápido que la velocidad de escape de su planeta. Categorizar la tasa de escape atmosférico enLos exoplanetas son necesarios para determinar si una atmósfera persiste y, por lo tanto, la habitabilidad y la probabilidad de vida del exoplaneta .
Mecanismos de escape térmico
Se produce un escape térmico si la velocidad molecular debida a la energía térmica es suficientemente alta. El escape térmico ocurre en todas las escalas, desde el nivel molecular (escape de Jeans) hasta el flujo de salida atmosférico masivo (escape hidrodinámico).
Los jeans escapan
Un mecanismo de escape térmico clásico es el escape de Jeans, [1] llamado así por el astrónomo británico Sir James Jeans , quien describió por primera vez este proceso de pérdida atmosférica. [2] En una cantidad de gas , la velocidad promedio de cualquier molécula se mide por la temperatura del gas , pero las velocidades de las moléculas individuales cambian cuando chocan entre sí, ganando y perdiendo energía cinética. La variación de la energía cinética entre las moléculas se describe mediante la distribución de Maxwell . La energía cinética (), masa () y velocidad () de una molécula están relacionados por . Las moléculas individuales en la cola alta de la distribución (donde algunas partículas tienen velocidades mucho más altas que el promedio) pueden alcanzar la velocidad de escape y salir de la atmósfera, siempre que puedan escapar antes de sufrir otra colisión; esto ocurre predominantemente en la exosfera , donde el camino libre medio es comparable en longitud a la altura de la escala de presión . El número de partículas que pueden escapar depende de la concentración molecular en la exobase , que está limitada por la difusión a través de la termosfera .
Tres factores contribuyen en gran medida a la importancia relativa del escape de Jeans: la masa de la molécula, la velocidad de escape del planeta y el calentamiento de la atmósfera superior por la radiación de la estrella madre. Las moléculas más pesadas tienen menos probabilidades de escapar porque se mueven más lentamente que las moléculas más ligeras a la misma temperatura. Ésta es la razón por la que el hidrógeno se escapa de la atmósfera con más facilidad que el dióxido de carbono . En segundo lugar, un planeta con una masa más grande tiende a tener más gravedad, por lo que la velocidad de escape tiende a ser mayor y menos partículas obtendrán la energía necesaria para escapar. Esta es la razón por la que los planetas gigantes gaseosos aún retienen cantidades significativas de hidrógeno, que escapan más fácilmente de la atmósfera de la Tierra . Finalmente, la distancia que orbita un planeta desde una estrella también juega un papel; un planeta cercano tiene una atmósfera más caliente, con velocidades más altas y, por lo tanto, una mayor probabilidad de escape. Un cuerpo distante tiene una atmósfera más fría, con velocidades más bajas y menos posibilidades de escapar.
Escape hidrodinámico
Una atmósfera con alta presión y temperatura también puede sufrir un escape hidrodinámico. En este caso, una gran cantidad de energía térmica, generalmente a través de radiación ultravioleta extrema , es absorbida por la atmósfera. A medida que las moléculas se calientan, se expanden hacia arriba y se aceleran aún más hasta que alcanzan la velocidad de escape. En este proceso, las moléculas más ligeras pueden arrastrar moléculas más pesadas con ellas a través de colisiones a medida que se escapa una mayor cantidad de gas. [3] Se ha observado un escape hidrodinámico de exoplanetas cercanos a su estrella anfitriona, incluido el caliente Júpiter HD 209458b . [4]
Escape no térmico (supratérmico)
El escape también puede ocurrir debido a interacciones no térmicas. La mayoría de estos procesos ocurren debido a interacciones fotoquímicas o de partículas cargadas ( iones ).
Escape fotoquímico
En la atmósfera superior, los fotones ultravioleta de alta energía pueden reaccionar más fácilmente con las moléculas. La fotodisociación puede romper una molécula en componentes más pequeños y proporcionar suficiente energía para que esos componentes escapen. La fotoionización produce iones, que pueden quedar atrapados en la magnetosfera del planeta o sufrir una recombinación disociativa . En el primer caso, estos iones pueden sufrir los mecanismos de escape que se describen a continuación. En el segundo caso, el ion se recombina con un electrón, libera energía y puede escapar. [5]
Salpicaduras de escape
El exceso de energía cinética del viento solar puede impartir suficiente energía para expulsar partículas atmosféricas, similar al chisporroteo de una superficie sólida. Este tipo de interacción es más pronunciada en ausencia de una magnetosfera planetaria, ya que el viento solar cargado eléctricamente es desviado por campos magnéticos , lo que mitiga la pérdida de atmósfera. [6]
Escape de intercambio de carga
Los iones del viento solar o la magnetosfera pueden intercambiar cargas con moléculas de la atmósfera superior. Un ion de movimiento rápido puede capturar el electrón de un neutro atmosférico lento, creando un ion neutro rápido y uno lento. El ion lento queda atrapado en las líneas del campo magnético, pero el neutro rápido puede escapar. [5]
Escape del viento polar
Las moléculas atmosféricas también pueden escapar de las regiones polares de un planeta con magnetosfera, debido al viento polar . Cerca de los polos de una magnetosfera, las líneas del campo magnético están abiertas, lo que permite que los iones de la atmósfera se escapen al espacio. [8]
Erosión por impacto
El impacto de un gran meteoroide puede provocar la pérdida de atmósfera. Si una colisión es lo suficientemente enérgica, es posible que las eyecciones, incluidas las moléculas atmosféricas, alcancen la velocidad de escape. [9]
Para tener un efecto significativo en el escape atmosférico, el radio del cuerpo impactante debe ser mayor que la altura de la escala . El proyectil puede impartir impulso y, por lo tanto, facilitar el escape de la atmósfera de tres formas principales: (a) el meteoroide calienta y acelera el gas que encuentra a medida que viaja a través de la atmósfera, (b) eyecta sólida del cráter de impacto calor partículas atmosféricas a través del arrastre a medida que son expulsados, y (c) el impacto crea vapor que se expande lejos de la superficie. En el primer caso, el gas calentado puede escapar de una manera similar al escape hidrodinámico, aunque en una escala más localizada. La mayor parte del escape de la erosión por impacto se produce debido al tercer caso. [9] La atmósfera máxima que se puede expulsar está por encima de un plano tangente al lugar del impacto.
Procesos dominantes de escape y pérdida atmosférica en el Sistema Solar
tierra
El escape atmosférico de hidrógeno en la Tierra se debe al escape de Jeans (~ 10 - 40%), el escape por intercambio de carga (~ 60 - 90%) y el escape del viento polar (~ 10 - 15%), que actualmente pierde alrededor de 3 kg / s de hidrógeno. [1] La Tierra además pierde aproximadamente 50 g / s de helio principalmente a través del escape del viento polar. El escape de otros componentes atmosféricos es mucho menor. [1] Un equipo de investigación japonés en 2017 encontró evidencia de una pequeña cantidad de iones de oxígeno en la luna que provenían de la Tierra. [10]
En mil millones de años, el Sol será un 10% más brillante de lo que es ahora, lo que lo hará lo suficientemente caliente como para que la Tierra pierda suficiente hidrógeno en el espacio para hacer que pierda toda su agua (Ver El futuro de la Tierra # Pérdida de océanos ).
Venus
Los modelos recientes indican que el escape de hidrógeno en Venus se debe casi en su totalidad a mecanismos supratérmicos, principalmente reacciones fotoquímicas e intercambio de carga con el viento solar. El escape de oxígeno está dominado por el intercambio de carga y el escape por pulverización catódica. [11] Venus Express midió el efecto de las eyecciones de masa coronal en la tasa de escape atmosférico de Venus, y los investigadores encontraron un factor de aumento de 1.9 en la tasa de escape durante períodos de mayor eyección de masa coronal en comparación con un clima espacial más tranquilo. [12]
Marte
El Marte primordial también sufrió los efectos acumulativos de múltiples eventos de erosión de pequeño impacto, [13] y observaciones recientes con MAVEN sugieren que el 66% de los 36 Ar en la atmósfera marciana se ha perdido durante los últimos 4 mil millones de años debido a un escape supratérmico, y la cantidad de CO 2 que se pierde durante el mismo período de tiempo es de alrededor de 0,5 bar o más. [14]
La misión MAVEN también ha explorado la tasa actual de escape atmosférico de Marte. El escape de los jeans juega un papel importante en el escape continuo de hidrógeno en Marte, contribuyendo a una tasa de pérdida que varía entre 160 - 1800 g / s. [15] La pérdida de oxígeno está dominada por métodos supratérmicos: fotoquímicos (~ 1300 g / s), intercambio de carga (~ 130 g / s) y pulverización catódica (~ 80 g / s) se combinan para una tasa de pérdida total de ~ 1500 g /s. Otros átomos pesados, como el carbono y el nitrógeno, se pierden principalmente debido a reacciones e interacciones fotoquímicas con el viento solar. [1] [11]
Titán e Io
La luna de Saturno, Titán, y la luna de Júpiter, Io, tienen atmósferas y están sujetas a procesos de pérdida atmosférica. No tienen campos magnéticos propios, sino planetas en órbita con poderosos campos magnéticos, lo que protege a estas lunas del viento solar cuando su órbita está dentro del arco de choque . Sin embargo, Titán pasa aproximadamente la mitad de su tiempo de tránsito fuera del arco de choque, sujeto a vientos solares sin obstáculos. La energía cinética obtenida de la captación y el chisporroteo asociados con los vientos solares aumenta el escape térmico durante el tránsito de Titán, lo que hace que escape hidrógeno neutro. [16] El hidrógeno escapado mantiene una órbita siguiendo la estela de Titán, creando un toro de hidrógeno neutro alrededor de Saturno. Io, en su tránsito alrededor de Júpiter, se encuentra con una nube de plasma. [17] La interacción con la nube de plasma induce la pulverización catódica, expulsando partículas de sodio . La interacción produce una nube de sodio cargada en forma de plátano estacionaria a lo largo de una parte de la órbita de Io.
Observaciones del escape atmosférico de un exoplaneta
Los estudios de exoplanetas han medido el escape atmosférico como un medio para determinar la composición atmosférica y la habitabilidad. El método más común es la absorción de la línea Lyman-alfa . Al igual que los exoplanetas se descubren mediante la atenuación del brillo ( tránsito ) de una estrella distante , mirar específicamente las longitudes de onda correspondientes a la absorción de hidrógeno describe la cantidad de hidrógeno presente en una esfera alrededor del exoplaneta. [18] Este método indica que los Júpiter calientes HD209458b [19] y HD189733b [20] y el Neptuno caliente GJ436b [21] están experimentando un escape atmosférico significativo.
Otros mecanismos de pérdida atmosférica
El secuestro no es una forma de escape del planeta, sino una pérdida de moléculas de la atmósfera hacia el planeta. Ocurre en la Tierra cuando el vapor de agua se condensa para formar lluvia o hielo glacial , cuando el dióxido de carbono es secuestrado en sedimentos o circula a través de los océanos , o cuando las rocas se oxidan (por ejemplo, aumentando los estados de oxidación de las rocas férricas de Fe 2+ a Fe 3+ ). Los gases también pueden secuestrarse por adsorción , donde las partículas finas del regolito capturan el gas que se adhiere a las partículas de la superficie.
Referencias
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