Осознав важность утечки атмосфер, мы меняем свое представление о будущем Солнечной системы. Десятилетиями ученые пытались понять, почему у Марса столь тонкая атмосфера, но теперь мы удивлены, что у него вообще сохранилась хоть какая-то атмосфера. Не обусловлено ли различие между Титаном и Каллисто тем, что Каллисто потеряла свою атмосферу прежде,чем на Титане появился воздух? Была ли раньше атмосфера Титана более плотной, чем сегодня? Как Венера сохранила азот и диоксид углерода, но полностью потеряла воду? Способствовала ли утечка водорода зарождению жизни на Земле? Превратится ли когда-нибудь наша планета во вторую Венеру?
Когда становится жаркоЕсли ракета набрала вторую космическую скорость, то она движется так быстро, что способна преодолеть притяжение планеты. То же самое можно сказать об атомах и молекулах, хотя обычно они достигают скорости убегания, не имея определенной цели. При тепловом испарении газы становятся настолько горячими, что их невозможно удержать. В нетепловых процессах атомы и молекулы выбрасываются в результате химических реакций или взаимодействия заряженных частиц. Наконец, при столкновении с астероидами и кометами отрываются целые куски атмосферы.
Самый распространенный процесс из этих трех – тепловое испарение. Все тела в Солнечной системе нагреваются солнечным светом. Избавляются от этого тепла они двумя путями: испусканием инфракрасного излучения и испарением вещества. У долгоживущих объектов, таких как Земля, доминирует первый процесс, а, например, у комет – второй. Если нарушится баланс между нагревом и охлаждением, то даже крупное тело размером с Землю может довольно быстро нагреться, и при этом его атмосфера, обычно содержащая малую долю массы планеты, может весьма быстро испариться. Наша Солнечная система заполнена телами, лишенными воздуха, по-видимому, в основном по причине теплового испарения. Тело становится безвоздушным, если солнечный нагрев превосходит определенный порог, зависящий от силы гравитации тела.
Тепловое испарение происходит двумя путями. Первый называют испарением Джинса в честь английского астрофизика Джеймса Джинса (James Jeans), описавшего это явление в начале XX в. При этом воздух из верхнего слоя атмосферы испаряется буквально атом за атомом, молекула за молекулой. В более низких слоях взаимные соударения удерживают частицы, но выше уровня, называемого экзобазой (у Земли он лежит на высоте 500 км от поверхности), воздух настолько разрежен, что частицы газа почти никогда не сталкиваются. Выше экзобазы уже ничто не может остановить атом или молекулу, имеющие достаточную скорость для вылета в космос.
Водород как самый легкий газ проще других преодолевает притяжение планеты. Но сначала он должен добраться до экзобазы, а на Земле это долгий процесс. Молекулы с водородом обычно не поднимаются выше нижних слоев атмосферы: водяной пар (H2O) конденсируется и падает вниз в виде дождя, а метан (CH4) окисляется и превращается в диоксид углерода (CO2). Некоторые молекулы воды и метана добираются до стратосферы и разрушаются, выделяя водород, который медленно диффундирует вверх, пока не доберется до экзобазы. Некоторая часть водорода утекает, о чем свидетельствуют ультрафиолетовые снимки, демонстрирующие гало из атомов водорода вокруг нашей планеты.
Температура на высоте экзобазы Земли колеблется вблизи 1000 К, что соответствует средней скорости атомов водорода около 5 км/с. Это меньше второй космической скорости для Земли на этой высоте (10,8 км/с); но скорости атомов вокруг среднего значения распределены широко, поэтому некоторые атомы водорода имеют шанс преодолеть притяжение планеты. Утечка частиц из высокоскоростного «хвоста» в их распределении по скоростям объясняет от 10 до 40 % потерь Землей водорода. Испарением Джинса частично объясняется и отсутствие атмосферы у Луны: газы, выходящие из-под поверхности Луны, легко испаряются в космос.
Второй путь теплового испарения более эффектен. В то время как при испарении Джинса газ улетает молекула за молекулой, нагретый газ может улетать целиком. Верхние слои атмосферы могут поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, нагреваться и, расширяясь, выталкивать воздух вверх. Поднимаясь, воздух ускоряется, преодолевает скорость звука и достигает скорости убегания. Эта форма теплового испарения называется гидродинамическим оттоком, или планетным ветром (по аналогии с солнечным ветром – потоком заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем в космос).
Основные положенияМногие газы, составляющие атмосферу Земли и других планет, медленно утекают в космос. Горячие газы, в особенности легкие, испаряются, химические реакции и столкновения частиц приводят к выбросу атомов и молекул, а кометы и астероиды иногда отрывают большие куски атмосферы.
Утечкой объясняются многие загадки Солнечной системы. Например, Марс красный из-за того, что его водяной пар расщепился на водород и кислород; водород улетел в космос, а кислород окислил (покрыл ржавчиной) грунт. Подобный процесс на Венере привел к появлению плотной атмосферы из диоксида углерода. Удивительно, но могучая атмосфера Венеры – результат утечки газа.
