Как известно, газ стремится заполнить весь предоставленный ему объем. Но почему тогда атмосфера Земли, представляющая собой смесь различных газов не улетает от нас, заполняя пустоту межзвездного пространства?
Давайте сначала разберемся почему газы стремятся занять весь предоставленный объем.
Молекулы в газах удалены друг от друга настолько, что между ними не действуют силы взаимного притяжения. Это дает молекулам возможность двигаться хаотично и с довольно большими скоростями.
Но ведь молекулы иногда сталкиваются? Да, если речь идет не об идеальном газе, молекулы которого не взаимодействуют между собой, а о реальном, то молекулы могут столкнуться.
Почему же тогда при сближении молекулы не начинают образовывать связи другом с другом? Потому что кинетическая энергия движущихся молекул газа настолько высока, что после упругого столкновения друг с другом силы, которые заставят их разлетаться будут больше сил притяжения.
Кстати, а какую скорость имеют молекулы газа?
Три кота на мясо
Для приблизительного представления можно воспользоваться формулой для среднеквадратичной скорости, которую легко запомнить как 3 kоТа на mясо
В этой формуле k - универсальная газовая постоянная
Ясно, что при одинаковой температуре Т самую большую скорость могут иметь самые легкие молекулы. А самые легкие молекулы это молекулы водорода.
Ясно также, что молекулы любого газа при нулевой температуре прекратят всякое движение (в данном случае при нулевой температуре по шкале Кельвина или -273 по Цельсию.)
Так вот, если подставить в эту формулу числовые значения и посчитать, то получится,что скорость молекул водорода около 2 км/с.
Получается что шансов нет?
На молекулы атмосферы действуют силы гравитационного взаимодействия с нашей планетой, которые не дают им покинуть Землю.
Как известно, для того чтобы объект преодолел гравитационное взаимодействие и отправился в далекое космическое путешествие он должен развить вторую космическую скорость. Для планеты Земля вторая космическая скорость составляет 11,2 км/c.
Сравните со скоростью движения молекул водорода - 2 км/c.
Получается что самая легкая молекула атмосферы - молекула водорода - не может покинуть планету?
На самом деле может. Не все молекулы движутся с одинаковой скоростью.
Приведенная формула выражает среднеквадратичную скорость,как наиболее вероятную.
Это означает, что молекулы могут иметь какие угодно скорости, как больше так и меньше среднеквадратичной. И в реальности так и будет - значения скоростей будут распределены по закону Максвела - Больцмана.
Так что некоторые из молекул смогут - таки развить вторую космическую и покинуть нашу планету.
Немногие смогут
Несмотря на то, что некоторые молекулы водорода развивают вторую космическую скорость, для того,чтобы покинуть планету им нужно вылететь за пределы атмосферы, не столкнувшись с другими молекулами. Иначе произойдет перераспределение энергии между столкнувшимися молекулами, скорость может уменьшиться, а направление движение измениться.
С одной стороны, шансы вылететь за пределы атмосферы, не встретив на своем пути другие молекулы, более высокие у тех молекул, что находятся в высоких слоях, так как там молекул меньше. Кроме того, с ростом высоты сильно повышается температура, что сообщает молекулам необходимую энергию.
Поскольку в высоких слоях атмосферы преобладают молекулы легких газов - водорода (Н) и гелия (He), то они в первую очередь и покидают атмосферу.
Этот процесс называется диссипацией атмосферы.
Каждую секунду в межпланетное пространство улетает около 3 кг водорода и 50 г гелия. Это около 100 млн тонн водорода в год. Такая масса составляет миллионную долю процента массы атмосферы
Если бы запасы водорода в атмосфере постоянно не пополнялись благодаря диссоциации молекул воды, то весь водород улетел бы в межпланетное пространство (откуда он собственно и был захвачен при формировании первичной атмосферы) в течение нескольких тысяч нет.
Когда-то Земля потеряет атмосферу?
К сожалению да. Но на это уйдут триллионы лет.
Кроме водорода, гелия и ионов кислорода, не связанных в молекулы, другие газы, входящие в состав атмосферы не покидают планету. Молекулярный кислород не может покинуть планету благодаря высокой массе.
В целом же атмосфера Земли считается устойчивой.
Критерием устойчивости атмосферы считается такая средняя скорость движения молекул, которая составляет не более 20% от второй космической скорости.
Нетрудно догадаться, что раз самые шустрые молекулы водорода имеют среднюю скорость около 18% от второй космической (2/11 *100% = 18%), а другие газы, образующие атмосферу значительно тяжелее водорода, то средняя скорость всей совокупности молекул Земли еще меньше.
Кстати чем больше масса планеты, тем больше шансов, что она захватит из межпланетного пространства находящиеся там молекулы. Поэтому атмосферы Юпитера и Сатурна содержат много водорода и гелия, некоторая часть которого возможно когда-то покинула Землю.
Ставьте лайк, если понравилась статья, чтобы поддержать развитие канала и подписывайтесь, чтобы не пропустить новые материалы.
