Состав, структура и эволюция атмосфер в сравнительной планетологии
Атмосферы планет — это динамичные газовые оболочки, возникающие в результате сложного взаимодействия между гравитацией, извержениями недр, солнечным излучением и процессами потерь газов в космос. Исходный состав и последующая эволюция атмосферы планеты зависят от массы планеты, расстояния до звезды, химического состава и интенсивности геологических процессов.
Различают два основных типа атмосфер:
Атмосферы, сохранившие водород и гелий, считаются примитивными (газовые гиганты), тогда как у землеподобных тел атмосферы преимущественно состоят из более тяжелых молекул (CO₂, N₂, O₂ и др.).
Химический состав: Современная атмосфера Земли состоит из 78% азота, 21% кислорода и около 1% других газов (аргон, диоксид углерода, водяной пар и др.). Это результат биологической активности, фотохимии и устойчивого обмена с литосферой и гидросферой.
Структура: Земная атмосфера делится на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Главный механизм расслоения — температурный градиент и абсорбция солнечного излучения различными компонентами атмосферы (например, озоном в стратосфере).
Особенности:
Химический состав: Атмосфера Венеры чрезвычайно плотная и состоит более чем на 96% из CO₂ и около 3,5% азота. Следовые количества сернистого газа (SO₂), водяного пара и других соединений играют ключевую роль в химических процессах.
Давление и температура: Поверхностное давление составляет около 92 атмосфер, температура — свыше 460 °C. Это следствие мощного парникового эффекта.
Облачность: Венерианские облака состоят в основном из серной кислоты. Они полностью отражают солнечный свет, делая поверхность недоступной для наблюдений в видимом диапазоне.
Динамика атмосферы: Отмечается суперротация — атмосфера вращается в 60 раз быстрее поверхности. Сильные ветры на высотах 60–70 км могут достигать 360 км/ч.
Отсутствие магнитного поля: Из-за медленного вращения Венера практически не обладает внутренним магнитным полем, что делает её атмосферу уязвимой к солнечному ветру, однако плотная атмосфера и ионосфера обеспечивают некоторую защиту.
Химический состав: Марсианская атмосфера тонка и состоит на 95% из CO₂, 2,7% азота, 1,6% аргона, с небольшими количествами кислорода и водяного пара.
Давление и температура: Среднее давление — около 6 мбар (менее 1% земного), температура колеблется от –125 °C до +20 °C в экваториальных зонах.
Погодные явления:
Потери атмосферы: Слабое магнитное поле (остаточное, локальное) и низкое гравитационное притяжение делают атмосферу Марса уязвимой к эрозии под действием солнечного ветра. Миссии (например, MAVEN) показали, что за миллиарды лет Марс утратил значительную часть своей первоначальной атмосферы.
Газовые гиганты характеризуются сохранением первичных атмосфер, богатых водородом и гелием.
Юпитер:
Сатурн:
Эти планеты относят к ледяным гигантам. Их атмосферы также состоят в основном из водорода и гелия, но с повышенным содержанием метана, который придаёт голубоватый оттенок.
Уран:
Нептун:
Обе эти планеты практически лишены атмосферы в привычном понимании — присутствуют лишь разреженные экзосферы, состоящие из атомов, выбиваемых с поверхности солнечным ветром и микрометеоритами.
Отсутствие атмосферы связано с малой массой тел и близостью к Солнцу (в случае Меркурия), а также с отсутствием геологической активности.
Уникальность: Титан — единственное известное тело в Солнечной системе (после Земли) с плотной атмосферой и активным метаново-этановым циклом, аналогом земного гидрологического.
Состав: Основной компонент — азот (~98%), метан (~1,5%), с наличием органических молекул (C₂H₆, C₄H₁₀ и др.).
Особенности:
| Планета/Спутник | Главный газ | Давление (бар) | Температура (°C) | Парниковый эффект | Магнитное поле |
|---|---|---|---|---|---|
| Земля | N₂, O₂ | 1 | –50…+50 | Да | Да |
| Венера | CO₂ | 92 | ~+460 | Очень сильный | Нет |
| Марс | CO₂ | 0.006 | –125…+20 | Слабый | Остаточное |
| Юпитер | H₂, He | >100 | –110 (верхи) | Нет (неуместно) | Очень сильное |
| Сатурн | H₂, He | >100 | –140 | Нет | Сильное |
| Уран | H₂, He, CH₄ | >100 | –195 | Нет | Слабое |
| Нептун | H₂, He, CH₄ | >100 | –200 | Нет | Сильное |
| Титан | N₂, CH₄ | 1.5 | –180 | Да (метан) | Нет |
| Луна | — | ~10⁻¹² | –170…+120 | Нет | Нет |
| Меркурий | — | ~10⁻¹⁴ | –170…+430 | Нет | Нет |