Pourquoi l'atmosphère terrestre est-elle si mince?

Vénus est un peu plus légère que la Terre, mais a une atmosphère beaucoup plus épaisse. On pourrait imaginer que ce qui suit devrait être vrai:

1. Pendant la phase de formation, toutes les planètes internes avaient capturé autant de gaz qu'elles pouvaient en contenir par équilibre gravitationnel / thermodynamique. Après tout, même Mars, chétif, a réussi à capturer une atmosphère assez importante.
2. Le taux de fuite atmosphérique devrait être beaucoup plus élevé pour Vénus:
   • Vénus reçoit plus de chaleur du soleil, donc un taux d'échappement de jeans plus élevé
   • Vénus a un champ magnétique négligeable, donc une partie de son atmosphère doit être perdue pour être directement "soufflée" par le vent solaire

Pourtant, c'est la Terre qui manque apparemment beaucoup de volume atmosphérique. La question est donc: quelles sont les théories actuelles concernant «l'amincissement» de l'atmosphère terrestre? Quand et pourquoi les gaz atmosphériques ont quitté la planète?

La réponse courte: gaz atmosphériques ne ont quitté la Terre, ils sont en elle!

La longue réponse à cette question ne concerne pas seulement les états actuels des planètes, mais plutôt les processus qui les y ont conduites. Commençons par le tout début (un très bon point de départ).

Les toutes premières années

Lorsque notre système solaire a commencé à se former il y a 4,6 milliards d'années, la majeure partie de la masse de la partie effondrée d'un nuage moléculaire (voir l' hypothèse nébulaire ) s'est accumulée au centre pour former le Soleil. La masse qui ne s'est pas effondrée dans le Soleil a laissé un disque protoplanétaire - un nuage de poussière et de gaz - entourant la nouvelle étoile. Progressivement, les particules de poussière ont commencé à se rassembler par accrétion, attirant de plus en plus de particules dans les planètes naissantes.

Près du Soleil, où Vénus et la Terre résident, il faisait trop chaud pour que de nombreuses particules se condensent, de sorte que les planètes de cette région se sont formées de métaux et de silicates, qui ont des points de fusion élevés. C'est pourquoi les quatre planètes du système solaire interne sont appelées planètes "rocheuses" ou "terrestres". Les premières atmosphères sur ces planètes ont commencé à se former avec la collecte progressive des gaz de la nébuleuse solaire, principalement de l'hydrogène.

Boucle d'or et les deux planètes

À ce stade de l'évolution des deux planètes, elles semblaient assez similaires, mais il y a une différence majeure: la distance au Soleil. La Terre, semble-t-il, a eu la chance de se trouver dans la «zone des Boucles d'or», où la température est propice à la vie. Être dans cette zone a deux implications majeures: l'eau liquide et, par conséquent, la tectonique active des plaques. (Voir cet article pour une vue détaillée de la raison pour laquelle les deux sont liés.)

Puits de carbone

Sur Terre, il y a beaucoup d'eau contenue dans les océans liquides. Sur Vénus, ce n'est pas le cas. Il fait tout simplement trop chaud près du Soleil, donc toute l'eau s'est évaporée dans l'atmosphère. (Vénus contenait probablement de l'eau liquide à ses débuts, mais tout s'est évaporé après environ un milliard d'années.) Il est également probable que la jeune Terre avait autrefois une atmosphère dense et punitive comme celle de Vénus aujourd'hui. Cependant, les océans de surface et la tectonique des plaques ont tous deux fourni de larges voies pour que les gaz soient absorbés à la surface de la Terre. Les océans et la tectonique des plaques offrent d'énormes quantités de stockage de carbonate, permettant le transfert et l'équilibre des composés de carbone vers et depuis l'atmosphère.

Alors maintenant, nous avons deux choses renforçant les différences entre les atmosphères de la Terre et de Vénus:

• Évaporation de l'eau liquide : Il fait trop chaud sur Vénus pour que l'eau liquide existe. Toute l'eau s'est évaporée, créant une atmosphère plus dense. Sur Terre, l'eau peut résider à la surface, diminuant la quantité dans l'atmosphère.
• Puits de carbone : L'eau liquide et la tectonique des plaques permettent à la Terre d'absorber des quantités considérables de gaz, permettant à l'atmosphère d'être amincie de certains composés comme le dioxyde de carbone. Il n'y a pas une telle voie sur Vénus, forçant tous les gaz à rester dans l'atmosphère.

Sans aucun mécanisme majeur pour que les gaz soient absorbés par la planète, Vénus connaît un effet de serre galopant.

Évasion atmosphérique

Vous mentionnez l'évasion des jeans. Il est vrai que cet effet est plus important à des températures plus élevées; cependant, il est beaucoup plus facile pour les petites molécules de s'échapper que pour les plus grosses. L'hydrogène et l'hélium, étant les deux plus petits éléments, sont les plus affectés par ce phénomène. En comparaison, le dioxyde de carbone, qui constitue la majorité de l'atmosphère de Vénus, n'est pas très affecté par l'évasion des jeans.

Vous mentionnez également les vents solaires. Bien que ceux-ci jouent un effet, en particulier sur les planètes sans champ magnétique, ce phénomène n'est pas aussi puissant qu'on pourrait le penser. La lumière ultraviolette (c'est-à-dire le rayonnement photoionisant) provoque l'ionisation dans la région la plus élevée de l'atmosphère. Ces particules chargées forment maintenant une coquille (appelée ionosphère) qui dévie les vents solaires, tout comme le ferait un champ magnétique. Sur Vénus, l'atmosphère épaisse fournit plus de particules pour l'ionisation, résultant en une déviation plus puissante. (Comparez cela à Mars, où le vent solaire est le principal mécanisme d'échappement non thermique en raison de la mince atmosphère avec peu de particules ionisées.)

Le principal mécanisme d'échappement atmosphérique de Vénus est en fait un peu plus compliqué. En l'absence de champ magnétique, il est plus facile pour les particules chargées de s'échapper. En particulier, les électrons sont les plus sensibles en raison de leur petite masse. Au fur et à mesure que les électrons s'échappent, la charge nette de l'ionosphère se penche positive, provoquant l'éjection d'ions positifs, principalement H ⁺ .

Conclusion

Alors que la Terre et Vénus se sont formées de manière similaire, la Terre a eu de la chance. Il a des voies pour éliminer les gaz de l'atmosphère, contrairement à Vénus. De plus, les deux planètes ne connaissent pas de taux de fuite atmosphérique significativement différents. Il en résulte des densités atmosphériques que l'on connaît aujourd'hui: 66 kg / m ³ pour Vénus et seulement 1,2 kg / m ³ pour la Terre.

Je pense que la réponse de dpwilson est excellente et j'ai voté pour lui, mais je voulais poster ce tableau avec la vieille photo vaut mille mots de vue.

Vénus est un peu plus légère que la Terre, mais a une atmosphère beaucoup plus épaisse. On pourrait imaginer que ce qui suit devrait être vrai:

Pendant la phase de formation, toutes les planètes internes avaient capturé autant de gaz qu'elles pouvaient en contenir par équilibre gravitationnel / thermodynamique. Après tout, même Mars, chétif, a réussi à capturer une atmosphère assez importante.

Peut être. Mais au début du système solaire, une fois que le soleil s'est formé et commence à pomper la lumière et les éruptions solaires, (et que le soleil précoce était probablement beaucoup plus actif pour tirer sur les éruptions solaires en partie en raison d'une rotation plus rapide), un facteur clé à considérer est la Frost Line - qui est bien au-delà de la terre.

Ainsi, 1 des 2 choses peuvent se produire au début de la formation du système solaire. Premièrement, les planètes se forment et collectent les glaces et les gaz disponibles qu'elles peuvent avant que le soleil ne commence à fondre / repoussant la glace et le gaz à l'intérieur de la ligne de gel, ou 2, le soleil se forme d'abord et les planètes intérieures ont très peu de gaz et d'eau pendant leur formation . Ils sont bombardés par l'hydrogène éjecté du soleil, mais la plupart du temps les planètes intérieures ne sont pas douées pour retenir cet hydrogène. Dans le deuxième scénario, toute atmosphère et eau qu'ils obtiendraient devraient provenir des impacts de comètes.

L'atmosphère primitive des planètes intérieures était principalement du CO2, du CH4, du NH3, peut-être du N2. Si Vénus était frappée par quelques comètes supplémentaires, cela seul expliquerait cela et ce n'est pas statistiquement déraisonnable. Maintenant, je ne dis pas que c'est ce qui s'est passé, mais seulement que c'est possible. Vénus conserve la plus grande partie de son CO2, mais elle pourrait perdre au fil du temps la plupart de ses H20, CH3, NH3, peut-être N2 si elle était présente, conduisant à l'atmosphère principalement en CO2 qu'elle a aujourd'hui.

Il est également théoriquement possible que l'impact géant qui a formé la lune ait également emporté une grande partie de l'atmosphère primitive de la Terre. (pas certain de ça mais l'énorme apport de chaleur et de rotation, c'est possible).

Dans le graphique ci-dessus, cela suggère que Vénus ne perdra pas beaucoup de H20, mais d'autres graphiques ont Vénus plus proche de la ligne H20. (Google planètes de vitesse d'échappement de gaz pour plus de graphiques)

Le taux de fuite atmosphérique devrait être beaucoup plus élevé pour Vénus: Vénus reçoit plus de chaleur du soleil, donc le taux de fuite des jeans plus élevé Vénus a un champ magnétique négligeable, donc une partie de son atmosphère doit être perdue pour être directement "soufflée" par le vent solaire

C'est vrai. Cela pourrait bien expliquer pourquoi Vénus a si peu d'eau qui est commune dans le système solaire. Mais sur votre dernier point, Vénus a un champ magnétique induit - voir ici . dpwilson a expliqué cela plus en détail.

Pourtant, c'est la Terre qui manque apparemment beaucoup de volume atmosphérique. La question est donc: quelles sont les théories actuelles concernant «l'amincissement» de l'atmosphère terrestre? Quand et pourquoi les gaz atmosphériques ont quitté la planète?

Je suppose qu'il y a encore de l'incertitude sur la nature exacte de l'atmosphère terrestre il y a des milliards d'années. Cela pourrait bien avoir commencé avec une atmosphère encore plus dense que celle de Vénus actuellement, mais il est difficile de le savoir avec certitude (du moins, rien de ce que j'ai lu ne suggère une certitude sur le sujet).

Il convient de souligner que le charbon, le pétrole et le gaz naturel ne se forment pas naturellement, mais ils sont le produit de plantes mortes et de vie marine enfouies sur des centaines de millions d'années. De plus, bon nombre des roches que nous voyons tout autour de nous contiennent de l'oxygène. Le granit a de l'oxygène, par exemple. (Il n'y a pas, ou du moins, très peu de granit sur Vénus). L'absorption de l'atmosphère par la vie sur terre et par la liaison de l'oxygène à la surface et aux minéraux océaniques dissous a probablement joué un rôle énorme dans l'éclaircissement de l'atmosphère terrestre. La vie sur terre, à elle seule, pourrait suffire à expliquer la différence entre l'atmosphère de la Terre et celle de Vénus.

Comètes:

1) Les comètes étaient plus grandes. A chaque passage près du soleil, les comètes se rétrécissent. De plus, ce ne sont pas seulement des comètes, c'est une lune glacée comme des objets et des astéroïdes qui, à mesure que Jupiter a migré et que le bombardement lourd tardif a eu lieu, certains d'entre eux auraient pu être assez importants.

Voir: Ici et ici et ici .

D'ailleurs, je ne l'ai pas dit comme définitif, j'ai dit qu'il était possible qu'une grande partie de l'atmosphère de Vénus provienne d'une grande frappe de comète.

Il semble donc qu'il existe étonnamment peu de théories solides expliquant pourquoi la Terre et Mars ont réussi à perdre la majorité de leurs gaz atmosphériques, tandis que Vénus a réussi à conserver une atmosphère des plus magnifiques.

Une théorie plausible a été avancée par un éminent chimiste Octave Levenspiel et alii, basée sur les anciennes recherches soviétiques sur la composition de la croûte terrestre menées dans les années 1950 (je n'ai trouvé aucune mise à jour substantielle du modèle de composition de la croûte développé depuis cette époque).

En un coup d'œil, la théorie fonctionne comme suit:

1. La Terre s'était formée avec une atmosphère similaire ou plus dense que Vénusienne. Son ingrédient le plus abondant aurait dû être le CO2 (par analogie avec Vénus et Mars).
2. L'atmosphère terrestre a réussi à se refroidir suffisamment pour que l'eau commence à se condenser en phase liquide. Le mécanisme exact pour cela n'est pas tout à fait clair pour moi (zone Goldilocks nonobstant) car l'atmosphère chaude et dense de CO2 / H2O aurait dû provoquer un effet de "serre" important, empêchant la surface planétaire de se refroidir (à moins que les modèles à effet de "serre") sont trop exagérés).
3. Le CO2 atmosphérique a commencé à se dissoudre dans l'eau liquide (cela représenterait à lui seul une réduction d'environ 50% de la pression partielle de CO2). L'eau fortement acide a commencé à éroder le calcium de la croûte, déclenchant ainsi le processus de formation du calcaire.
4. La vie émergente avait accéléré le processus, séquestrant le CO2 atmosphérique restant dans le gigantesque calcaire et des gisements de charbon un peu plus petits.

Le plan détaillé de la théorie peut être consulté ici: http://pubs.acs.org/subscribe/archive/ci/30/i12/html/12learn.html

J'espérais que certaines réponses ici pourraient suggérer des théories alternatives plausibles. En particulier:

1. La "tectonique des plaques" n'a probablement rien à voir avec la composition et les paramètres de l'atmosphère actuelle. Pour autant que je sache, personne n'avait jamais suggéré que le manteau puisse réabsorber les gaz de l'atmosphère - au contraire, les gaz libérés d'un manteau de refroidissement par une activité volcanique devraient contribuer à une atmosphère plus dense (clairement, ce processus n'a jamais aidé Mars et n'aide pas beaucoup la Terre non plus). Les gaz volcaniques sont principalement composés de CO2 et de vapeur d'eau (jusqu'à 90% en masse), tandis que ces deux substances sont à peine présentes dans l'atmosphère moderne (CO2 - ~ 350ppm, vapeur - 0,4%, principalement par évaporation non liée au recyclage volcanique) .
2. Les comètes sont des objets relativement légers (une comète décente pèse 10 000 à 100 000 fois moins que même une atmosphère terrestre mince, actuelle) avec une faible densité. L'impact à énergie cinétique élevée d'une comète avec une planète entraînera très probablement la fuite de la majorité des gaz contenus dans les comètes vers l'espace (et le chauffage par impact ajoutera également une partie des gaz planétaires au mélange qui s'échappe - un processus appelé «érosion par impact»). "). On pense depuis longtemps qu'aucun transfert substantiel de matière n'est possible entre les comètes et les planètes ( http://adsabs.harvard.edu/full/1998ASPC..148..364Z ).
3. "Première atmosphère mince" - l'atmosphère étant érodée ou perdue peu de temps après la formation de la Terre (Lune) n'est pas plausible pour la raison évidente: d'où vient le calcaire / charbon? Si l'atmosphère terrestre était perdue puis reconstituée par l'activité tectonique, cela nous ramène à une question originale.