Με πίεση CO2 άνω των 90 bar στην επιφάνεια και θερμοκρασία 733 Kelvin, παρά αποτελεσματική θερμοκρασία για την Αφροδίτη περίπου 240 K (Pollack, 1979). Σε αντίθεση με την Αφροδίτη, το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι επί του παρόντος υπερθέρμανση περίπου 33 K, κάτι που παίζει επίσης σημαντικός ρόλοςστη διατήρηση της ζωής. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι μικρό στους 5 Κ, αν και η έρευνα δείχνει ότι ήταν σημαντικά υψηλότερο στο παρελθόν (Carr and Head, 2010). Είναι ενδιαφέρον ότι το φαινόμενο του θερμοκηπίου έχει πολλά κοινά με αυτό στη Γη, συμπεριλαμβανομένης της συγκρίσιμης πίεσης στην επιφάνεια (1,5 φορές υψηλότερη από αυτή της Γης, σε αντίθεση με την Αφροδίτη και τον Άρη, που έχουν πιέσεις περίπου 100 φορές υψηλότερες και 100 φορές λιγότερες, αντίστοιχα), καθώς και συμπύκνωση αερίων θερμοκηπίου υπάρχουν στον Τιτάνα, παρά τις χαμηλές θερμοκρασίες (Kustenis, 2005).

Η συγκριτική πλανητική επιστήμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξετάσει αυτούς τους πλανήτες συλλογικά και να εντοπίσει τους υποκείμενους νόμους και τη σημασία του φαινομένου του θερμοκηπίου. Τέτοιος συγκριτική ανάλυσημπορεί να παρέχει εικόνα για πιθανούς ατμοσφαιρικούς φακέλους και συνθήκες επιφάνειας γήινος... Αυτή η εργασία εξετάζει περισσότερα από τέσσερα τρέχοντα σύνολα δεδομένων κατάστασης, καθώς μπορεί επίσης να βασιστεί σε πιθανές ατμοσφαιρικές συνθήκες που υπήρχαν σε αυτές στο παρελθόν, λαμβάνοντας υπόψη γεωλογικά, γεωχημικά, ισοτοπικά στοιχεία και άλλους θεμελιώδεις φυσικούς λόγους.

Η δομή αυτής της εργασίας είναι η εξής: πρώτα, εξετάστε φυσικά θεμέλιαφαινόμενο του θερμοκηπίου και τα αέρια που απορροφούν την ακτινοβολία. Δεύτερον, θα εξετάσουμε εν συντομία καθένα από τα τέσσερα κοσμικά σώματα που αναφέρονται παραπάνω, τα κύρια αέρια απορρόφησης, τη δομή της ατμόσφαιρας και τις συνθήκες που επικρατούν στην επιφάνεια διαφορετικών σωμάτων. Θα εξετάσουμε επίσης πιθανά πρότυπα προηγούμενων συνθηκών, λαμβάνοντας υπόψη τον τρόπο με τον οποίο σχετίζονται με δεδομένα για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες στο παρελθόν και το παράδοξο των αδύναμων νέων. Και τέλος, ας δέσουμε όλα αυτά τα νήματα μαζί και ας μάθουμε τις βασικές φυσικές διαδικασίες που σχετίζονται με κάθε πλανήτη και ας σχεδιάσουμε αναλογίες μεταξύ τους. Σημειώστε ότι η εστίαση εδώ είναι πρωτίστως στην ποιότητα.

ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΑ ΑΕΡΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ

Τα αέρια του θερμοκηπίου επιτρέπουν στο ορατό φως να περάσει, επιτρέποντας στα περισσότερα ηλιακό φωςδεν αντανακλώνται από την ατμόσφαιρα και φτάνουν στην επιφάνεια, αλλά είναι αδιαφανείς στην περιοχή υπέρυθρων ακτινοβολιών, επηρεάζοντας την ακτινοβολία με τέτοιο τρόπο ώστε η θερμοκρασία της επιφάνειας να αυξάνεται και ο πλανήτης να βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με την εισερχόμενη ροή ηλιακής ακτινοβολίας.

Η φυσική διαδικασία με την οποία άτομα και μόρια απορροφούν την ακτινοβολία είναι πολύπλοκη και περιλαμβάνει πολλούς νόμους. κβαντική μηχανικήγια να περιγράψει την πλήρη εικόνα. Ωστόσο, η διαδικασία μπορεί να περιγραφεί ποιοτικά. Κάθε άτομο ή μόριο έχει ένα σύνολο καταστάσεων που αντιστοιχούν σε διαφορετικά κβαντισμένα επίπεδα ενέργειας. Ένα μόριο μπορεί να περάσει από μια κατάσταση με χαμηλότερη ενέργεια σε μια κατάσταση με υψηλότερη ενέργεια είτε απορροφώντας ένα φωτόνιο είτε από μια σύγκρουση υψηλής ενέργειας με ένα άλλο σωματίδιο (αξίζει να σημειωθεί ότι δεν είναι γεγονός ότι όλες οι πιθανές καταστάσεις υψηλότερης ενέργειας μπορεί να προσεγγιστεί απευθείας από ένα δεδομένο χαμηλότερο και αντίστροφα). Μετά τη μετάβαση σε μια διεγερμένη κατάσταση, ένα μόριο μπορεί να αποδιεγερθεί σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ή ακόμη και σε μια θεμελιώδη κατάσταση (η κατάσταση με τη χαμηλότερη ενέργεια), εκπέμποντας ένα φωτόνιο ή μεταφέροντας κάποια από την ενέργειά του σε ένα άλλο σωματίδιο μετά τη σύγκρουσή του Το Υπάρχουν τρεις τύποι μεταπτώσεων για τα απορροφητικά αέρια στην ατμόσφαιρα της Γης. Κατά σειρά φθίνουσας ενέργειας, είναι: ηλεκτρονικές μεταβάσεις, δονητικές μεταβάσεις και περιστροφικές μεταβάσεις. Οι ηλεκτρονικές μεταβάσεις συμβαίνουν με ενέργειες της περιοχής υπεριώδους, οι δονητικές και περιστροφικές μεταβάσεις συμβαίνουν στην κοντινή και μέση υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Το όζον είναι ένα παράδειγμα απορρόφησης των υπεριωδών ακτίνων από το οξυγόνο, ενώ οι υδρατμοί έχουν αξιοσημείωτες δονητικές και περιστροφικές ενέργειες στην περιοχή υπέρυθρων ακτίνων. Δεδομένου ότι η υπέρυθρη ακτινοβολία κυριαρχεί στην ακτινοβολία της Γης, οι περιστροφικές και δονητικές μεταπτώσεις είναι οι πιο σημαντικές όταν συζητάμε ισορροπία θερμότηταςΓη.

Αυτή δεν είναι όλη η ιστορία, γιατί κάθε γραμμή απορρόφησης εξαρτάται από την ταχύτητα (θερμοκρασία) και την πίεση των σωματιδίων. Μια αλλαγή σε αυτές τις τιμές μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή των φασματικών γραμμών και, ως εκ τούτου, να αλλάξει την απορρόφηση της ακτινοβολίας που παρέχεται από το αέριο. Επιπλέον, ένας άλλος τρόπος απορρόφησης, που σχετίζεται με μια πολύ πυκνή ή πολύ ψυχρή ατμόσφαιρα, πρόκειται να συζητηθεί ακόμη - η απορρόφηση που προκαλείται από σύγκρουση (γνωστή ως ICP). Το νόημά του είναι ότι το ICP επιτρέπει σε μη πολικά μόρια (δηλαδή, συμμετρικά μόρια χωρίς ισχυρή διπολική ροπή) να απορροφήσουν ακτινοβολία. Αυτό λειτουργεί με έναν από τους δύο τρόπους: ο πρώτος - η σύγκρουση προκαλεί μια προσωρινή δίπολη στιγμή στο μόριο, η οποία σας επιτρέπει να απορροφήσετε ένα φωτόνιο, ή το δεύτερο - δύο μόρια, για παράδειγμα H2 -N2, συνδέονται σύντομα σε ένα υπερμόριο με το δικές κβαντισμένες περιστροφικές καταστάσεις. Αυτά τα προσωρινά μόρια ονομάζονται διμερή (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Η άμεση αναλογικότητα της πυκνότητας είναι αρκετά εύκολο να κατανοηθεί διαισθητικά: όσο πιο πυκνό είναι το αέριο, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα σύγκρουσης. Η αρνητική σχέση με τη θερμοκρασία μπορεί να γίνει κατανοητή ως η επίδραση του χρόνου παραμονής - εάν ένα μόριο έχει πολλή μεταφραστική ενέργεια, θα περάσει λιγότερο χρόνο κοντά σε ένα άλλο μόριο, επομένως ο σχηματισμός διμερών είναι λιγότερο πιθανός.

Γνωρίζοντας τις αριθμητικές τιμές των χαρακτηριστικών της ακτινοβολίας, μπορεί κανείς εύκολα να υπολογίσει τις θερμοκρασίες ελλείψει τυχόν επιδράσεων ανάδρασης. Με τη ρύθμιση της θερμοκρασίας της επιφάνειας, εκπέμπεται περισσότερη ενέργεια στο διάστημα (Hansen, Sato και Rudy 1997). Γενικά, η κατανόηση της ανάδρασης για το κλίμα είναι κρίσιμη, καθώς η αρνητική ανάδραση σταθεροποιεί τη θερμοκρασία, ενώ η θετική ανάδραση ενισχύει τις διαταραχές και δημιουργεί μια ανεξέλεγκτη διαδικασία. Ο σημαντικά διαφορετικός χρόνος των επιδράσεων ανάδρασης είναι επίσης πολύ σημαντικός. Είναι συχνά απαραίτητο να αναφερθούμε σε ένα μοντέλο γενικής κυκλοφορίας (GCM) που περιλαμβάνει όλα τα σημαντικά αποτελέσματα ανάδρασης σε κατάλληλες χρονικές κλίμακες προκειμένου να γίνουν ακριβείς προβλέψεις (Taylor 2010). Παραδείγματα επιδράσεων ανατροφοδότησης είναι: σχηματισμός νέφους ανάλογα με τη θερμοκρασία (αρνητική ανάδραση, μικρές χρονικές περιόδους), τήξη ή σχηματισμός σημαντικής κάλυψης πάγου (θετική ανατροφοδότηση, βραχυπρόθεσμη / μέση χρονική κλίμακα), κύκλος ανθρακικού-πυριτικού άλατος (αρνητική ανάδραση, μεγάλα χρονικά πλαίσια) και βιολογικός διαδικασίες (είναι διαφορετικές).

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΣΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

Γη

Η μέση ετήσια θερμοκρασία της επιφάνειας της Γης είναι 288 Κ και η ενεργός θερμοκρασία είναι 255 Κ. Η πραγματική θερμοκρασία προσδιορίζεται από τον λόγο του ισοζυγίου θερμότητας προς την εισερχόμενη ηλιακή ροή ακτινοβολίας σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση

όπου S είναι η ηλιακή σταθερά (στη γη ~ 1366 W / m2), A είναι το γεωμετρικό άλμπεδο της Γης, σ είναι η σταθερά Stefan-Boltzmann, f είναι ο γεωμετρικός συντελεστής, ίσος με 4 για ταχέως περιστρεφόμενους πλανήτες, δηλ. πλανήτες με περιόδους περιστροφής κατά σειρά ημερών (Catling and Casting 2013). Κατά συνέπεια, το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι υπεύθυνο για την αύξηση αυτής της θερμοκρασίας στη Γη κατά 33 Κ (Pollack 1979). Ολόκληρη η Γη θα πρέπει να ακτινοβολεί σαν ένα μαύρο σώμα που θερμαίνεται στους 255 K, αλλά η απορρόφηση από τα αέρια του θερμοκηπίου, κυρίως CO2 και H2O, επιστρέφει τη θερμότητα πίσω στην επιφάνεια, δημιουργώντας ψυχρά ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Αυτά τα στρώματα ακτινοβολούν σε θερμοκρασίες πολύ κάτω από 255 Κ και ως εκ τούτου, για να ακτινοβοληθεί ως μαύρο σώμα με θερμοκρασία 255 Κ, η επιφάνεια πρέπει να είναι πιο ζεστή και να ακτινοβολεί περισσότερο. Το μεγαλύτερο μέρος της ροής φεύγει από ένα παράθυρο 8-12 microns (η περιοχή του μήκους κύματος είναι σχετικά διαφανής στην ατμόσφαιρα).

Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι τα ψυχρά ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας συσχετίζονται θετικά με μια ζεστή επιφάνεια - όσο περισσότερο είναι ικανή να εκπέμπει η ανώτερη ατμόσφαιρα, τόσο λιγότερη ροή πρέπει να προέρχεται από την επιφάνεια (Casting 1984). Επομένως, θα πρέπει να αναμένεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ των ελάχιστων θερμοκρασιών της επιφάνειας και των ανώτερων στρωμάτων της ατμόσφαιρας του πλανήτη, τόσο μεγαλύτερο είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Οι Hansen, Sato και Rudi (1997) έδειξαν ότι μια διπλάσια αύξηση στη συγκέντρωση CO2 ισοδυναμεί με μια αύξηση 2% στη ροή ηλιακής ακτινοβολίας, αγνοώντας τα αποτελέσματα ανάδρασης.

Τα κύρια αέρια του θερμοκηπίου στη Γη είναι οι υδρατμοί και διοξείδιο του άνθρακα... Συνεισφέρουν επίσης σημαντικά χαμηλότερες συγκεντρώσεις αερίων όπως το όζον, το μεθάνιο και τα οξείδια του αζώτου (De Pater και Liesauer 2007). Σημειωτέον, ενώ ο ατμός συμβάλλει περισσότερο στη θέρμανση του θερμοκηπίου, συμπυκνώνεται και «συγχρονίζεται» με μη συμπυκνώσιμα αέρια θερμοκηπίου, κυρίως με CO2 (De Pater and Liesauer, 2007). Οι υδρατμοί μπορούν να απελευθερώσουν λανθάνουσα θερμότητα στην ατμόσφαιρα, συμπυκνώνοντας, μετατοπίζοντας την κλίση θερμοκρασίας στην τροπόσφαιρα στην υγρή αδιαβατική αντί για ξηρή. Το νερό δεν μπορεί να εισέλθει στη στρατόσφαιρα και να υποστεί φωτόλυση λόγω μιας τροποσφαιρικής παγίδας ψυχρού που συμπυκνώνει τους υδρατμούς σε ελάχιστη θερμοκρασία (στην τροπόπαυση).

Εξέλιξη της ατμόσφαιρας

Η παρουσία ιζηματογενών πετρωμάτων και η φαινομενική απουσία παγετώνων στη Γη πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια υποδηλώνει ότι η πρώιμη Γη ήταν ζεστή, πιθανώς θερμότερη από ό,τι είναι σήμερα (De Pater and Liesauer 2007). Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό αφού η ηλιακή ροή πιστεύεται ότι ήταν περίπου 25% χαμηλότερη εκείνη την εποχή. Αυτό το πρόβλημα είναι γνωστό ως "Faint Young Sun Paradox" (Goldblatt and Zanle 2011). Μια πιθανή εξήγηση θα μπορούσε να είναι ένα πολύ μεγαλύτερο φαινόμενο του θερμοκηπίου από σήμερα. Οι συγκεντρώσεις CH4, CO2 και H2O και πιθανώς NH3 πιστεύεται ότι είναι υψηλότερες εκείνες τις μέρες (De Pater). Πολλές υποθέσεις έχουν διατυπωθεί για να εξηγήσουν αυτήν την ασυμφωνία, όπως πολύ μεγαλύτερη μερική πίεση CO2, σημαντικό φαινόμενο θερμοκηπίου λόγω του μεθανίου (Pavlov, Casting, and Brown 2000), οργανικό στρώμα ομίχλης, αυξημένη θολότητα, διεύρυνση των φασματικών γραμμών υπό πίεση από - λόγω στην σημαντικά υψηλότερη μερική πίεση του αζώτου και τη συνολική ατμοσφαιρική πίεση (Goldblatt et al. 2009).

Αφροδίτη

Ενώ η Αφροδίτη συχνά περιγράφεται ως η αδερφή της Γης λόγω της παρόμοιας μάζας και μεγέθους της, η επιφάνειά της και οι ατμοσφαιρικές συνθήκες δεν έχουν καμία σχέση με τη Γη. Η θερμοκρασία και η πίεση της επιφάνειας είναι 733 K και 95 bar, αντίστοιχα (De Pater and Liesauer 2007, Krasnopolsky 2011). Λόγω του υψηλού albedo και της 100% θολότητας, η θερμοκρασία ισορροπίας είναι περίπου 232 K. Επομένως, το φαινόμενο του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη είναι απλώς τερατώδες και ισούται με περίπου 500 K. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη σε μερική πίεση CO2 92 bar. Διεύρυνση γραμμής με πίεση έχει μεγάλης σημασίαςσε τέτοιες πυκνότητες και συμβάλλει σημαντικά στη θέρμανση. Το CO2-CO2 ICP μπορεί επίσης να συμβάλει, αλλά δεν υπάρχει ακόμη βιβλιογραφία σχετικά με αυτό. Η περιεκτικότητα σε υδρατμούς περιορίζεται στο 0,00003% κατ' όγκο (Meadows and Crisp 1996).

Εξέλιξη της ατμόσφαιρας

Συχνά πιστεύεται ότι η Αφροδίτη ξεκίνησε με μια πτητική σύνθεση παρόμοια με αυτή της Γης και παρόμοια με την αρχική της ισοτοπική σύνθεση. Εάν αυτό ισχύει, τότε η μετρούμενη αναλογία δευτερίου/πρωτίου άνω του 150 για τη Γη (Donahue et al. 1982) υποδεικνύει μεγάλες απώλειες υδρογόνου στο παρελθόν, πιθανώς λόγω φωτοδιάσπασης του νερού (Shasefier et al. 2011), αν και Οι Grinspoon και Lewis (1988) πρότειναν ότι η παροχή νερού μπορεί να εξηγήσει αυτήν την ισοτοπική υπογραφή. Σε κάθε περίπτωση, η Αφροδίτη θα μπορούσε να έχει ωκεανούς πριν από την τρέχουσα κατάστασή της, αν περιείχε τόσο νερό όσο η Γη (Casting 1987). Η κατάστασή του δεν θα μπορούσε να προκληθεί μόνο από την αύξηση της συγκέντρωσης CO2 (ή οποιουδήποτε άλλου αερίου θερμοκηπίου), αλλά γενικά πιστεύεται ότι προκαλείται από αυξημένη εισροή ηλιακής ενέργειας (Kippenhan 1994), αν και η εσωτερική ροή θερμότητας προκαλεί ένα ανεξέλεγκτο θερμοκήπιο επίδραση σε παλιρροϊκούς πλανήτες είναι επίσης δυνατή (Barnes et al. 2012).

Ο Casting (1987) διερεύνησε τόσο τις ανεξέλεγκτες όσο και τις επίμονες επιδράσεις του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη. Εάν η Αφροδίτη είχε έναν ωκεανό στα πρώτα στάδια της ιστορίας, η ροή ηλιακής ενέργειας στην τρέχουσα τροχιά της θα ήταν τέτοια που το σενάριο του θερμοκηπίου θα ξεκινούσε σχεδόν αμέσως. Υπάρχουν δύο σενάρια για απώλεια νερού των ωκεανών λόγω αυξημένης ηλιακής ροής (Casting 1987, Goldblatt et al. 2011, Catling and Casting 2013). Πρώτο ανεξέλεγκτο σενάριο: ο ωκεανός αρχίζει να εξατμίζεται στην τροπόσφαιρα, αυξάνοντας τη θέρμανση, αλλά αυξάνεται και η πίεση, έτσι ώστε οι ωκεανοί να μην βράζουν. Το νερό συσσωρεύεται στην τροπόσφαιρα πολύ πιο γρήγορα από ότι συμβαίνει η φωτοδιάσπαση και η διαρροή υδρογόνου στο διάστημα. Καιρικά φαινόμενα μπορούν ακόμα να συμβούν και να επιβραδύνουν τις εκπομπές CO2. Η θερμοκρασία και η πίεση των υδρατμών αυξάνονται και ο ωκεανός παραμένει μέχρι να επιτευχθεί το κρίσιμο σημείο του νερού των 647 Κ, στο οποίο είναι αδύνατο να μετατραπεί ο ατμός σε νερό υπό οποιαδήποτε πίεση, οπότε όλο το υγρό νερό εξατμίζεται και δημιουργεί ένα πυκνό ομίχλη υδρατμών, εντελώς αδιαφανής για εξερχόμενη ακτινοβολία μεγάλου μήκους. Η θερμοκρασία της επιφάνειας στη συνέχεια αυξάνεται μέχρι να αρχίσει να ακτινοβολεί στις κοντινές υπέρυθρες και ορατές περιοχές, όπου η διαφάνεια των υδρατμών είναι πολύ μεγαλύτερη και πιο σταθερή. Αυτό αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 1400 K, αρκετά υψηλή για να λιώσει πετρώματα κοντά στην επιφάνεια και να απελευθερώσει άνθρακα από αυτά. Επιπλέον, το CO2 μπορεί να απελευθερωθεί από το βράχο χωρίς έκθεση στις καιρικές συνθήκες και δεν μπορεί να αφαιρεθεί πουθενά. Στο δεύτερο σενάριο, η απελευθέρωση υδρατμών στην ατμόσφαιρα κάνει την κατανομή της θερμοκρασίας πιο ισόθερμη, ανεβάζοντας την τροπόπαυση και σπάζοντας την παγίδα του κρύου. Οι υδρατμοί, επομένως, μπορούν να περάσουν στη στρατόσφαιρα και να υποστούν φωτόλυση. Σε αντίθεση με το πρώτο σενάριο, το νερό χάνεται με ρυθμό ανάλογο με τον ρυθμό εξάτμισης από τον ωκεανό και η εξάτμιση δεν θα σταματήσει μέχρι να φύγει όλο το νερό. Όταν τελειώσει το νερό, ο κύκλος ανθρακικού-πυριτικού απενεργοποιείται. Εάν το CO2 συνεχίσει να εξελίσσεται από τον μανδύα, τότε δεν υπάρχει διαθέσιμος τρόπος για να το αφαιρέσετε.

Ο Άρης είναι κατά κάποιο τρόπο το αντίθετο της Αφροδίτης όσον αφορά τη θερμοκρασία και την πίεση. Η επιφανειακή πίεση είναι περίπου 6 millibar και η μέση θερμοκρασία είναι 215 K (Carr and Head 2010). Η θερμοκρασία ισορροπίας μπορεί να αποδειχθεί ότι είναι 210 K, επομένως το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι περίπου 5 K και είναι αμελητέο. Οι θερμοκρασίες μπορεί να κυμαίνονται από 180 K έως 300 K ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος, την εποχή του χρόνου και την ώρα της ημέρας (Carr and Head 2010). Θεωρητικά, υπάρχουν σύντομες χρονικές περίοδοι όπου μπορεί να υπάρχει υγρό νερό στην επιφάνεια του Άρη σύμφωνα με το διάγραμμα φάσης για το H2O. Γενικά, αν θέλουμε να δούμε βρεγμένο Άρη, πρέπει να κοιτάξουμε στο παρελθόν.

Εξέλιξη της ατμόσφαιρας

Το Mariner 9 δημοσίευσε για πρώτη φορά φωτογραφίες που δείχνουν εμφανή ίχνη ροών ποταμών. Η πιο κοινή ερμηνεία είναι ότι ο πρώιμος Άρης ήταν ζεστός και υγρός (Pollack 1979, Carr and Head 2010). Κάποιος μηχανισμός, πιθανώς το φαινόμενο του θερμοκηπίου (αν και τα σύννεφα θεωρήθηκαν επίσης), που θα έπρεπε να είχε προκαλέσει επαρκή ακτινοβολία, έκανε τον Άρη θερμότερο κατά την πρώιμη ιστορία του. Το πρόβλημα είναι ακόμη χειρότερο από ό, τι φαίνεται, δεδομένου ότι ο Sunλιος ήταν 25% πιο αμυδρός πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια όταν ο Άρης είχε ένα ήπιο κλίμα (Casting 1991). Ο πρώιμος Άρης μπορεί να είχε επιφανειακές πιέσεις της τάξης του 1 bar και θερμοκρασίες κοντά στους 300 K (De Pater and Liesauer 2007).

Το Casting (1984, 1991) έδειξε ότι το CO2 από μόνο του δεν θα μπορούσε να θερμάνει την πρώιμη επιφάνεια του Άρη σε 273 K. ισορροπία, τότε η επιφάνεια εκπέμπει λιγότερο, έτσι ώστε ο πλανήτης να έχει την ίδια εξερχόμενη ροή υπέρυθρης ακτινοβολίας μεγάλου κύματος, η επιφάνεια αρχίζει να κρυώνει. Έτσι, σε πιέσεις άνω των 5 bar, το CO2 ψύχει τον πλανήτη αντί να τον ζεσταίνει. Και αυτό δεν είναι αρκετό για να θερμάνει την επιφάνεια του Άρη πάνω από το σημείο πήξης του νερού, δεδομένης της ηλιακής ροής εκείνη την εποχή. Σε αυτή την περίπτωση, το CO2 θα συμπυκνωθεί σε συμπυκνώματα. Οι Wordsworth, Foget και Amyt (2010) παρουσίασαν μια πιο αυστηρή εξέταση της φυσικής της απορρόφησης CO2 σε μια πυκνή, καθαρή ατμόσφαιρα CO2 (συμπεριλαμβανομένου του ICP), δείχνοντας ότι στην πραγματικότητα η χύτευση υπερεκτιμούσε τις επιφανειακές θερμοκρασίες σε υψηλές πιέσεις το 1984, επιδεινώνοντας έτσι το πρόβλημα του ζεστού, υγρού πρώιμου Άρη. Άλλα αέρια θερμοκηπίου εκτός από το CO2 θα μπορούσαν να λύσουν αυτό το πρόβλημα, ή ίσως η σκόνη εάν μείωνε το άλμπεντο.

Ο πιθανός ρόλος των CH4, NH3 και H2S έχει συζητηθεί προηγουμένως (Sagan and Mullen, 1972). Αργότερα, το SO2 προτάθηκε επίσης ως αέριο θερμοκηπίου (Jung et al., 1997).

Η θερμοκρασία και η πίεση της επιφάνειας του Τιτάνα είναι 93 K και 1,46 bar, αντίστοιχα (Kustenis). Η ατμόσφαιρα αποτελείται κυρίως από Ν2 με ελάχιστο ποσοστό CH4 και περίπου 0,3 % H2 (McKay, 1991). Τροπόπαυση του Τιτάνα με θερμοκρασία 71 Κ σε υψόμετρο 40 χλμ.

Το φαινόμενο του θερμοκηπίουΤο τιτάνιο προκαλείται κυρίως από την επαγόμενη από την πίεση απορρόφηση ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος από τα μόρια N2, CH4 και H2 (McKay, Pollack and Cortin 1991). Το Η2 απορροφά έντονα την τυπική ακτινοβολία του Τιτάνα (16,7-25 μικρά). Το CH4 είναι παρόμοιο με τους υδρατμούς στη Γη, καθώς συμπυκνώνεται υπό τις συνθήκες της ατμόσφαιρας του Τιτάνα. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου στον Τιτάνα οφείλεται κυρίως στην απορρόφηση που προκαλείται από σύγκρουση με διμερή N2-N2, CH4-N2 και H2-N2 (Hunt et al. 1983· Wordsworth et al. 2010). Αυτό είναι εντυπωσιακά διαφορετικό από τις ατμόσφαιρες της Γης, του Άρη και της Αφροδίτης, όπου κυριαρχεί η απορρόφηση μέσω δονήσεων και περιστροφικών μεταβάσεων.

Το τιτάνιο έχει επίσης έντονο αντιθερμοκηπικό αποτέλεσμα (McKay et al. 1991). Το αντιθερμοκηπιακό φαινόμενο προκαλείται από την παρουσία ενός στρώματος ομίχλης σε μεγάλο υψόμετρο που απορροφά το ορατό φως, αλλά είναι διαφανές στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Το αντιθερμοκηπιακό φαινόμενο μειώνει τη θερμοκρασία της επιφάνειας κατά 9 Κ, ενώ το φαινόμενο του θερμοκηπίου την αυξάνει κατά 21 Κ. Έτσι, το καθαρό φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι 12 Κ (82 Κ είναι η αποτελεσματική θερμοκρασία σε σύγκριση με 94 Κ της παρατηρούμενης θερμοκρασίας επιφάνειας). Το τιτάνιο χωρίς στρώμα ομίχλης θα είναι 20 K θερμότερο λόγω της απουσίας του φαινομένου κατά του θερμοκηπίου και του ενισχυμένου φαινομένου του θερμοκηπίου (McKay et al. 1991).

Η επιφανειακή ψύξη οφείλεται κυρίως στην ακτινοβολία στην περιοχή των 17-25 μικρών του φάσματος. Αυτό είναι το υπέρυθρο παράθυρο του Τιτάνα. Το H2 είναι σημαντικό επειδή απορροφά σε αυτή την περιοχή, όπως το CO2 είναι πολύ σημαντικό στη Γη επειδή απορροφά την ακτινοβολία από την επιφάνεια της Γης στην υπέρυθρη ζώνη. Και τα δύο αέρια δεν περιορίζονται επίσης από τον κορεσμό των ατμών τους στις συνθήκες της ατμόσφαιράς τους.

Το μεθάνιο είναι κοντά στην πίεση κορεσμένο ατμό, παρόμοιο με το H2O στη Γη.

Εξέλιξη της ατμόσφαιρας

Λόγω της αυξημένης φωτεινότητας του Ήλιου, η θερμοκρασία της επιφάνειας του Τιτάνα είναι πιθανώς 20 K υψηλότερη από ό,τι ήταν πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια (McKay et al. 1993). Σε αυτή την περίπτωση, το Ν2 στην ατμόσφαιρα θα κρυώσει σε πάγο. Ο σχηματισμός και η διάρκεια ζωής της ατμόσφαιρας του Τιτάνα είναι ένα ενδιαφέρον πρόβλημα χωρίς διαρκή λύση (Κουστένης 2004). Ένα πρόβλημα είναι ότι με αυτόν τον ρυθμό φωτόλυσης CH4 και παραγωγής αιθανίου, η τρέχουσα προσφορά CH4 στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα θα εξαντληθεί σε πολύ λιγότερο χρόνο από την ηλικία του ηλιακού συστήματος. Επιπλέον, το υγρό αιθάνιο θα είχε συσσωρευτεί στην επιφάνεια αρκετές εκατοντάδες μέτρα χαμηλότερα με τους τρέχοντες ρυθμούς παραγωγής (Lunein et al. 1989). Είτε αυτή είναι μια αχαρακτήριστη περίοδος στην ιστορία του Τιτάνα, είτε υπάρχουν άγνωστες πηγές μεθανίου και λυμάτων για αιθάνιο (Catling and Casting, 2013).

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ Η ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΤΟΥΣ

Η Γη, ο Άρης και η Αφροδίτη είναι παρόμοια στο ότι κάθε πλανήτης έχει μια αξιοσημείωτη ατμόσφαιρα, καιρικές συνθήκες, παρελθόν ή σημερινό ηφαιστειακό και μια χημικά ετερογενή σύνθεση. Το τιτάνιο έχει επίσης σημαντική ατμόσφαιρα, καιρικές συνθήκες, πιθανώς κρυοηφαιστεισμό και δυνητικά εν μέρει ετερογενή σύνθεση (De Pater and Liesauer 2007).

Ο Άρης, η Γη και η Αφροδίτη έχουν φαινόμενο θερμοκηπίου με αισθητή επίδραση CO2, αν και οι τιμές της θέρμανσης και της μερικής πίεσης του CO2 διαφέρουν κατά αρκετές τάξεις μεγέθους. Είναι προφανές ότι η Γη και ο Άρης πρέπει να είχαν πρόσθετη θέρμανση νωρίτερα στην ιστορία του ηλιακού συστήματος, όταν ο ήλιος ήταν πιο αμυδρός. Δεν είναι ακόμη σαφές ποια ήταν η πηγή(ες) της θέρμανσης για αυτούς τους δύο πλανήτες, αν και έχουν προταθεί πολλές λύσεις και πολλές εξηγήσεις είναι δυνατές. Είναι ενδιαφέρον ότι ο Άρης επιτρέπει συγκρίσεις με το παρελθόν της Γης, καθώς και οι δύο πλανήτες έχουν άφθονα γεωλογικά στοιχεία ότι ήταν θερμότεροι, έχοντας περισσότερα από το φαινόμενο του θερμοκηπίου που δημιουργήθηκε από το αέριο CO2. Ταυτόχρονα, το ανεξέλεγκτο φαινόμενο του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη δίνει μια ιδέα για το μέλλον της Γης, αν ηλιακή δραστηριότηταθα συνεχίσει να αυξάνεται. Συγκρίνοντας μοντέλα και για τους τρεις πλανήτες, γνωρίζοντας τους θεμελιώδεις φυσικούς νόμους που είναι ίδιοι για όλους τους πλανήτες, μπορούμε να πάρουμε πράγματα που θα ήταν αδύνατο να αποκτήσουμε αν ο Ήλιος δεν επηρέαζε τους επίγειους πλανήτες.

Το τιτάνιο είναι ένα συναρπαστικό υλικό για έρευνα, σύμφωνα με τον συγγραφέα, ειδικά επειδή, σε αντίθεση με άλλους περιγραφόμενους κόσμους, το φαινόμενο του θερμοκηπίου του κυριαρχείται από την απορρόφηση που προκαλείται από σύγκρουση. Η προθέρμανση λόγω ICP έχει πολλές πιθανές εφαρμογές για την περιγραφή των συνθηκών και της πιθανής κατοικήσεως εξωπλανητών (Pierhumbert). Ακριβώς όπως η ατμόσφαιρα της Γης, η ατμόσφαιρα του Τιτάνα περιέχει αρκετή ύλη κοντά στο τριπλό σημείο που μπορεί να συμπυκνωθεί στην ατμόσφαιρα και επομένως μπορεί να επηρεάσει την κατανομή της θερμοκρασίας.

Οι κύριοι τύποι αερίων στην ατμόσφαιρα της Γης επηρεάζονται φυσικά από ζωντανούς οργανισμούς (Taylor 2010). Προφανώς, αυτό δεν ισχύει για άλλους πλανήτες στο ηλιακό σύστημα. Ωστόσο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη σύγκριση της Γης με άψυχους κόσμους στο σύστημά μας για να κατανοήσουμε καλύτερα πιθανές άλλες βιοσφαίρες.

Η υπερθέρμανση του πλανήτη στον πλανήτη μας φαίνεται να έχει γίνει γνωστό γεγονός. Και οι ειδικοί προειδοποιούν ότι αυτή η υπερθέρμανση του πλανήτη, που οφείλεται στο φαινόμενο του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα, θα μπορούσε να έχει τις πιο σοβαρές συνέπειες. Ως εκ τούτου, σχεδιάζεται να διεξαχθούν μελέτες για τη δράση του φαινομένου του θερμοκηπίου όχι μόνο στη Γη, αλλά και στην Αφροδίτη, τον Άρη και τον Τιτάνα (το φεγγάρι του Κρόνου), έτσι ώστε η ανθρωπότητα να μπορεί να φανταστεί πιο ξεκάθαρα τι μπορεί να περιμένει οι αντιξοότητες του κλίματος στο μέλλον.

Ενώ η ανθρωπότητα ήταν λίγη και όχι επιβαρυμένη τεχνικές προόδουςη δραστηριότητά του είχε μικρή επίδραση στο κλίμα της Γης. Αλλά τώρα ένα άτομο παρεμβαίνει ενεργά στη διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας στον πλανήτη μας, συχνά χωρίς να σκέφτεται τις συνέπειες.

Η ενέργεια από τον Ήλιο θερμαίνει την επιφάνεια της Γης, η οποία με τη σειρά της ακτινοβολεί αυτήν την ενέργεια πίσω στο διάστημα. Αλλά μερικά ατμοσφαιρικά αέρια εμποδίζουν αυτή την ενέργεια να φύγει από την ατμόσφαιρα. Αυτό είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Χωρίς αυτό, η μέση θερμοκρασία στη Γη, που είναι τώρα 15 o C, θα ήταν 30 o χαμηλότερη. Ο άνθρωπος, καίγοντας καύσιμα και αποψίλωση των δασών, εκπέμπει πολλά αέρια θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα, αυξάνοντας έτσι το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Ως αποτέλεσμα, τον περασμένο αιώνα, η παγκόσμια θερμοκρασία στη Γη έχει αυξηθεί περισσότερο από μισό βαθμό.

Ένα παράδειγμα του τι μπορεί να συμβεί όταν το φαινόμενο του θερμοκηπίου γίνει πολύ ισχυρό μπορεί να δει κανείς στην Αφροδίτη. Αυτός ο πλανήτης είναι μόνο ελαφρώς κατώτερος σε μέγεθος και μάζα από τη Γη. Αλλά η θερμοκρασία στην επιφάνειά του είναι περίπου 460 o C. Τώρα η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο είναι αέριο του θερμοκηπίου. V γήινη ατμόσφαιρατο μερίδιο του διοξειδίου του άνθρακα εξακολουθεί να είναι περίπου 0,03%. Φαίνεται να είναι πολύ λίγο, αλλά από την αρχή της βιομηχανικής ανάπτυξης, το μερίδιο του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα έχει αυξηθεί κατά 30%.

Γιατί η σύνθεση της ατμόσφαιρας στην Αφροδίτη είναι τόσο διαφορετική από αυτή της Γης; Μήπως η μοίρα της Αφροδίτης περιμένει και τη Γη; Αυτή η ερώτηση μπορεί να απαντηθεί από το ευρωπαϊκό ανιχνευτή Venus Express, το οποίο θα εξερευνήσει την Αφροδίτη το 2005.

Ο άλλος γειτονικός μας πλανήτης, ο Άρης, δεν μοιάζει καθόλου με την Αφροδίτη. Κανένα σημάδι φαινομένου θερμοκηπίου δεν έχει παρατηρηθεί ακόμη στον Άρη. Υπάρχει διοξείδιο του άνθρακα στην ατμόσφαιρά του, αλλά η ίδια η ατμόσφαιρα είναι τόσο λεπτή και σπάνια που η πίεσή της στην επιφάνεια είναι μόνο το ένα εκατοστό των «γήινων» 760 mm Hg. Τέχνη. Επομένως, δεν συγκρατεί καμία ενέργεια του Ήλιου, και μεταξύ ημέρας και νύχτας, καθώς και φωτός και σκιάς, υπάρχουν έντονες αντιθέσεις στη θερμοκρασία. Πολλοί ειδικοί πιστεύουν ότι στο παρελθόν, ο Άρης ήταν πολύ πιο ζεστός, και ότι υπήρχαν ακόμη και ωκεανοί, και, ως εκ τούτου, η ατμόσφαιρα ήταν εντελώς διαφορετική. Ωστόσο, πριν από περίπου 3,6 δισεκατομμύρια χρόνια, κάτι συνέβη στον Άρη και τελικά έφτασε στη σημερινή του κατάσταση. Ποια θα μπορούσε να είναι η ώθηση για αυτήν την κλιματική αλλαγή; Οι επιστήμονες σχεδιάζουν να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα με τη βοήθεια του ευρωπαϊκού καθετήρα Mars Express, το οποίο θα μεταβεί στον Άρη τον Μάιο του τρέχοντος έτους.

Ένα φαινόμενο του θερμοκηπίου, ενδιάμεσου σε ένταση, παρατηρείται στο μεγαλύτερο φεγγάρι του Κρόνου, τον Τιτάνα. Είναι αλήθεια ότι στην ατμόσφαιρά του, εξηγείται από τις υψηλές συγκεντρώσεις μεθανίου, το οποίο είναι επίσης αέριο του θερμοκηπίου. Αλλά στον Τιτάνα εξακολουθεί να είναι πολύ πιο κρύο από ό,τι στη Γη - περίπου -180 o C. Τώρα ο καθετήρας Cassini με τον μίνι καθετήρα Huygens πετά προς τον Κρόνο. Το τελευταίο προορίζεται μόνο για έρευνα στον Τιτάνα. Για αυτό, θα πέσει στην ατμόσφαιρα με αλεξίπτωτο. Ίσως αυτές οι μελέτες θα επιτρέψουν στους γήινους να μάθουν κάτι χρήσιμο για την κατανόηση των διαδικασιών στον πλανήτη τους.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου έχει αισθητή επίδραση σε εκείνα τα σώματα του ηλιακού συστήματος που έχουν ατμόσφαιρα. Πλέον φωτεινό παράδειγμαείναι η Αφροδίτη με πίεση CO2 μεγαλύτερη από 90 bar στην επιφάνεια και θερμοκρασία 733 Kelvin, αντί για αποτελεσματική θερμοκρασία για την Αφροδίτη περίπου 240 K (Pollack, 1979). Σε αντίθεση με την Αφροδίτη, το φαινόμενο του θερμοκηπίου στη Γη είναι περίπου 33.000 υπερθέρμανση, το οποίο παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στη διατήρηση της ζωής. Στον Άρη, το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι μικρό στους 5 Κ, αν και η έρευνα δείχνει ότι ήταν σημαντικά μεγαλύτερο στο παρελθόν (Carr and Head, 2010). Είναι ενδιαφέρον ότι το φαινόμενο του θερμοκηπίου στον Τιτάνα έχει πολλά κοινά με εκείνα στη Γη, συμπεριλαμβανομένης της συγκρίσιμης πίεσης στην επιφάνεια (1,5 φορές υψηλότερη από αυτή της Γης, σε αντίθεση με την Αφροδίτη και τον Άρη, που έχουν πιέσεις περίπου 100 φορές υψηλότερες και 100 φορές λιγότερες, αντίστοιχα), καθώς και τα αέρια του θερμοκηπίου συμπύκνωσης υπάρχουν στον Τιτάνα, παρά τις χαμηλές θερμοκρασίες (Kustenis, 2005).

Η συγκριτική πλανητική επιστήμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξετάσει αυτούς τους πλανήτες συλλογικά και να εντοπίσει τους υποκείμενους νόμους και τη σημασία του φαινομένου του θερμοκηπίου. Μια τέτοια συγκριτική ανάλυση μπορεί να δώσει μια ιδέα για πιθανούς ατμοσφαιρικούς φακέλους και συνθήκες στην επιφάνεια των χερσαίων εξωπλανητών. Αυτή η εργασία εξετάζει περισσότερα από τέσσερα σύνολα δεδομένων της τρέχουσας κατάστασης των πλανητών, καθώς μπορεί επίσης να βασιστεί σε πιθανές ατμοσφαιρικές συνθήκες που υπήρχαν σε αυτούς στο παρελθόν, λαμβάνοντας υπόψη γεωλογικά, γεωχημικά και ισοτοπικά στοιχεία και άλλους θεμελιώδεις φυσικούς λόγους.

Η δομή αυτής της εργασίας είναι η εξής: πρώτον, θα εξετάσουμε τα φυσικά θεμέλια του φαινομένου του θερμοκηπίου και των αερίων που απορροφούν την ακτινοβολία. Δεύτερον, θα εξετάσουμε εν συντομία καθένα από τα τέσσερα κοσμικά σώματα που αναφέρονται παραπάνω, τα κύρια αέρια απορρόφησης, τη δομή της ατμόσφαιρας και τις συνθήκες που επικρατούν στην επιφάνεια διαφορετικών σωμάτων. Θα εξετάσουμε επίσης πιθανά πρότυπα παλαιότερων συνθηκών, λαμβάνοντας υπόψη τον τρόπο που σχετίζονται με δεδομένα για διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες στο παρελθόν και το παράδοξο του αδύναμου νεαρού ήλιου. Και τέλος, ας δέσουμε όλα αυτά τα νήματα μαζί και ας μάθουμε τις βασικές φυσικές διαδικασίες που σχετίζονται με κάθε πλανήτη και ας σχεδιάσουμε αναλογίες μεταξύ τους. Σημειώστε ότι η εστίαση εδώ είναι πρωτίστως στην ποιότητα.

ΒΑΣΙΚΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΤΑ ΑΕΡΙΑ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ

Τα αέρια του θερμοκηπίου μεταδίδουν ορατό φως, επιτρέποντας στο μεγαλύτερο μέρος του ηλιακού φωτός να διαφύγει από την ατμόσφαιρα και να φτάσει στην επιφάνεια, αλλά είναι αδιαφανή στην υπέρυθρη περιοχή, επηρεάζοντας την ακτινοβολία με τέτοιο τρόπο ώστε η θερμοκρασία της επιφάνειας να αυξάνεται και ο πλανήτης να βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το εισερχόμενη ηλιακή ροή.

Η φυσική διαδικασία με την οποία τα άτομα και τα μόρια απορροφούν την ακτινοβολία είναι πολύπλοκη και περιλαμβάνει πολλούς από τους νόμους της κβαντικής μηχανικής για να περιγράψει την πλήρη εικόνα. Ωστόσο, η διαδικασία μπορεί να περιγραφεί ποιοτικά. Κάθε άτομο ή μόριο έχει ένα σύνολο καταστάσεων που αντιστοιχούν σε διαφορετικά κβαντισμένα επίπεδα ενέργειας. Ένα μόριο μπορεί να περάσει από μια κατάσταση με χαμηλότερη ενέργεια σε μια κατάσταση με υψηλότερη ενέργεια είτε απορροφώντας ένα φωτόνιο είτε από μια σύγκρουση υψηλής ενέργειας με ένα άλλο σωματίδιο (αξίζει να σημειωθεί ότι δεν είναι γεγονός ότι όλες οι πιθανές καταστάσεις υψηλότερης ενέργειας μπορεί να προσεγγιστεί απευθείας από ένα δεδομένο χαμηλότερο και αντίστροφα). Μετά τη μετάβαση σε μια διεγερμένη κατάσταση, ένα μόριο μπορεί να αποδιεγερθεί σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ή ακόμη και σε μια θεμελιώδη κατάσταση (η κατάσταση με τη χαμηλότερη ενέργεια), εκπέμποντας ένα φωτόνιο ή μεταφέροντας κάποια από την ενέργειά του σε ένα άλλο σωματίδιο μετά τη σύγκρουσή του Το Υπάρχουν τρεις τύποι μεταπτώσεων για τα απορροφητικά αέρια στην ατμόσφαιρα της Γης. Κατά σειρά φθίνουσας ενέργειας, είναι: ηλεκτρονικές μεταβάσεις, δονητικές μεταβάσεις και περιστροφικές μεταβάσεις. Οι ηλεκτρονικές μεταβάσεις συμβαίνουν με ενέργειες της περιοχής υπεριώδους, οι δονητικές και περιστροφικές μεταβάσεις συμβαίνουν στην κοντινή και μέση υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Το όζον είναι ένα παράδειγμα απορρόφησης των υπεριωδών ακτίνων από το οξυγόνο, ενώ οι υδρατμοί έχουν αξιοσημείωτες δονητικές και περιστροφικές ενέργειες στην περιοχή υπέρυθρων ακτίνων. Δεδομένου ότι η υπέρυθρη ακτινοβολία κυριαρχεί στην ακτινοβολία της Γης, οι περιστροφικές και δονητικές μεταβάσεις είναι οι πιο σημαντικές όταν συζητάμε τη θερμική ισορροπία της Γης.

Αυτή δεν είναι όλη η ιστορία, γιατί κάθε γραμμή απορρόφησης εξαρτάται από την ταχύτητα (θερμοκρασία) και την πίεση των σωματιδίων. Μια αλλαγή σε αυτές τις τιμές μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή των φασματικών γραμμών και, ως εκ τούτου, να αλλάξει την απορρόφηση της ακτινοβολίας που παρέχεται από το αέριο. Επιπλέον, ένας άλλος τρόπος απορρόφησης, που σχετίζεται με μια πολύ πυκνή ή πολύ ψυχρή ατμόσφαιρα, πρόκειται να συζητηθεί ακόμη - η απορρόφηση που προκαλείται από σύγκρουση (γνωστή ως ICP). Το νόημά του είναι ότι το ICP επιτρέπει σε μη πολικά μόρια (δηλαδή, συμμετρικά μόρια χωρίς ισχυρή διπολική ροπή) να απορροφήσουν ακτινοβολία. Αυτό λειτουργεί με έναν από τους δύο τρόπους: ο πρώτος - η σύγκρουση προκαλεί μια προσωρινή δίπολη στιγμή στο μόριο, η οποία σας επιτρέπει να απορροφήσετε ένα φωτόνιο, ή το δεύτερο - δύο μόρια, για παράδειγμα H2 -N2, συνδέονται σύντομα σε ένα υπερμόριο με το δικές κβαντισμένες περιστροφικές καταστάσεις. Αυτά τα προσωρινά μόρια ονομάζονται διμερή (Hunt et al. 1983; Wordsworth et al. 2010). Η άμεση αναλογικότητα της πυκνότητας είναι αρκετά εύκολο να κατανοηθεί διαισθητικά: όσο πιο πυκνό είναι το αέριο, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα σύγκρουσης. Η αρνητική σχέση με τη θερμοκρασία μπορεί να γίνει κατανοητή ως η επίδραση του χρόνου παραμονής - εάν ένα μόριο έχει πολλή μεταφραστική ενέργεια, θα περάσει λιγότερο χρόνο κοντά σε ένα άλλο μόριο, επομένως ο σχηματισμός διμερών είναι λιγότερο πιθανός.

Γνωρίζοντας τις αριθμητικές τιμές των χαρακτηριστικών της ακτινοβολίας, μπορεί κανείς εύκολα να υπολογίσει τις θερμοκρασίες ελλείψει τυχόν επιδράσεων ανάδρασης. Με τη ρύθμιση της θερμοκρασίας της επιφάνειας, εκπέμπεται περισσότερη ενέργεια στο διάστημα (Hansen, Sato και Rudy 1997). Γενικά, η κατανόηση της ανάδρασης για το κλίμα είναι κρίσιμη, καθώς η αρνητική ανάδραση σταθεροποιεί τη θερμοκρασία, ενώ η θετική ανάδραση ενισχύει τις διαταραχές και δημιουργεί μια ανεξέλεγκτη διαδικασία. Ο σημαντικά διαφορετικός χρόνος των επιδράσεων ανάδρασης είναι επίσης πολύ σημαντικός. Είναι συχνά απαραίτητο να αναφερθούμε σε ένα μοντέλο γενικής κυκλοφορίας (GCM) που περιλαμβάνει όλα τα σημαντικά αποτελέσματα ανάδρασης σε κατάλληλες χρονικές κλίμακες προκειμένου να γίνουν ακριβείς προβλέψεις (Taylor 2010). Παραδείγματα επιδράσεων ανατροφοδότησης είναι: σχηματισμός νέφους ανάλογα με τη θερμοκρασία (αρνητική ανάδραση, μικρές χρονικές περιόδους), τήξη ή σχηματισμός σημαντικής κάλυψης πάγου (θετική ανατροφοδότηση, βραχυπρόθεσμη / μέση χρονική κλίμακα), κύκλος ανθρακικού-πυριτικού άλατος (αρνητική ανάδραση, μεγάλα χρονικά πλαίσια) και βιολογικός διαδικασίες (είναι διαφορετικές).

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ ΣΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

Γη

Ο ετήσιος μέσος όρος της επιφάνειας της Γης είναι 288 Κ και η ενεργός θερμοκρασία είναι 255 Κ. Η πραγματική θερμοκρασία προσδιορίζεται από τον λόγο του ισοζυγίου θερμότητας προς την εισερχόμενη ροή ηλιακής ακτινοβολίας σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση

όπου S είναι η ηλιακή σταθερά (στη γη ~ 1366 W / m2), A είναι το γεωμετρικό άλμπεδο της Γης, σ είναι η σταθερά Stefan-Boltzmann, f είναι ο γεωμετρικός συντελεστής, ίσος με 4 για ταχέως περιστρεφόμενους πλανήτες, δηλ. πλανήτες με περιόδους περιστροφής κατά σειρά ημερών (Catling and Casting 2013). Κατά συνέπεια, το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι υπεύθυνο για την αύξηση αυτής της θερμοκρασίας στη Γη κατά 33 Κ (Pollack 1979). Ολόκληρη η Γη θα πρέπει να ακτινοβολεί σαν ένα μαύρο σώμα που θερμαίνεται στους 255 K, αλλά η απορρόφηση από τα αέρια του θερμοκηπίου, κυρίως CO2 και H2O, επιστρέφει τη θερμότητα πίσω στην επιφάνεια, δημιουργώντας ψυχρά ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Αυτά τα στρώματα ακτινοβολούν σε θερμοκρασίες πολύ κάτω από 255 Κ και ως εκ τούτου, για να ακτινοβοληθεί ως μαύρο σώμα με θερμοκρασία 255 Κ, η επιφάνεια πρέπει να είναι πιο ζεστή και να ακτινοβολεί περισσότερο. Το μεγαλύτερο μέρος της ροής φεύγει από ένα παράθυρο 8-12 microns (η περιοχή του μήκους κύματος είναι σχετικά διαφανής στην ατμόσφαιρα).

Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι τα ψυχρά ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας συσχετίζονται θετικά με μια ζεστή επιφάνεια - όσο περισσότερο είναι ικανή να εκπέμπει η ανώτερη ατμόσφαιρα, τόσο λιγότερη ροή πρέπει να προέρχεται από την επιφάνεια (Casting 1984). Επομένως, θα πρέπει να αναμένεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ των ελάχιστων θερμοκρασιών της επιφάνειας και των ανώτερων στρωμάτων της ατμόσφαιρας του πλανήτη, τόσο μεγαλύτερο είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Οι Hansen, Sato και Rudi (1997) έδειξαν ότι μια διπλάσια αύξηση στη συγκέντρωση CO2 ισοδυναμεί με μια αύξηση 2% στη ροή ηλιακής ακτινοβολίας, αγνοώντας τα αποτελέσματα ανάδρασης.

Τα κύρια αέρια του θερμοκηπίου στη Γη είναι οι υδρατμοί και το διοξείδιο του άνθρακα. Συνεισφέρουν επίσης σημαντικά χαμηλότερες συγκεντρώσεις αερίων όπως το όζον, το μεθάνιο και τα οξείδια του αζώτου (De Pater και Liesauer 2007). Σημειωτέον, ενώ ο ατμός συμβάλλει περισσότερο στη θέρμανση του θερμοκηπίου, συμπυκνώνεται και «συγχρονίζεται» με μη συμπυκνώσιμα αέρια θερμοκηπίου, κυρίως με CO2 (De Pater and Liesauer, 2007). Οι υδρατμοί μπορούν να απελευθερώσουν λανθάνουσα θερμότητα στην ατμόσφαιρα, συμπυκνώνοντας, μετατοπίζοντας την κλίση θερμοκρασίας στην τροπόσφαιρα στην υγρή αδιαβατική αντί για ξηρή. Το νερό δεν μπορεί να εισέλθει στη στρατόσφαιρα και να υποστεί φωτόλυση λόγω μιας τροποσφαιρικής παγίδας ψυχρού που συμπυκνώνει τους υδρατμούς σε ελάχιστη θερμοκρασία (στην τροπόπαυση).

Εξέλιξη της ατμόσφαιρας

Η παρουσία ιζηματογενών πετρωμάτων και η φαινομενική απουσία παγετώνων στη Γη πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια υποδηλώνει ότι η πρώιμη Γη ήταν ζεστή, πιθανώς θερμότερη από ό,τι είναι σήμερα (De Pater and Liesauer 2007). Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό αφού η ηλιακή ροή πιστεύεται ότι ήταν περίπου 25% χαμηλότερη εκείνη την εποχή. Αυτό το πρόβλημα είναι γνωστό ως "Faint Young Sun Paradox" (Goldblatt and Zanle 2011). Μια πιθανή εξήγηση θα μπορούσε να είναι ένα πολύ μεγαλύτερο φαινόμενο του θερμοκηπίου από σήμερα. Οι συγκεντρώσεις CH4, CO2 και H2O και πιθανώς NH3 πιστεύεται ότι είναι υψηλότερες εκείνες τις μέρες (De Pater). Πολλές υποθέσεις έχουν διατυπωθεί για να εξηγήσουν αυτήν την ασυμφωνία, όπως πολύ μεγαλύτερη μερική πίεση CO2, σημαντικό φαινόμενο θερμοκηπίου λόγω του μεθανίου (Pavlov, Casting, and Brown 2000), οργανικό στρώμα ομίχλης, αυξημένη θολότητα, διεύρυνση των φασματικών γραμμών υπό πίεση από - λόγω στην σημαντικά υψηλότερη μερική πίεση του αζώτου και τη συνολική ατμοσφαιρική πίεση (Goldblatt et al. 2009).

Αφροδίτη

Ενώ η Αφροδίτη συχνά περιγράφεται ως η αδερφή της Γης λόγω της παρόμοιας μάζας και μεγέθους της, η επιφάνειά της και οι ατμοσφαιρικές συνθήκες δεν έχουν καμία σχέση με τη Γη. Η θερμοκρασία και η πίεση της επιφάνειας είναι 733 K και 95 bar, αντίστοιχα (De Pater and Liesauer 2007, Krasnopolsky 2011). Λόγω του υψηλού albedo και της 100% θολότητας, η θερμοκρασία ισορροπίας είναι περίπου 232 K. Επομένως, το φαινόμενο του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη είναι απλώς τερατώδες και ισούται με περίπου 500 K. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη σε μερική πίεση CO2 92 bar. Η διεύρυνση της γραμμής με πίεση έχει μεγάλη σημασία σε τέτοιες πυκνότητες και συμβάλλει σημαντικά στη θέρμανση. Το CO2-CO2 ICP μπορεί επίσης να συμβάλει, αλλά δεν υπάρχει ακόμη βιβλιογραφία σχετικά με αυτό. Η περιεκτικότητα σε υδρατμούς περιορίζεται στο 0,00003% κατ' όγκο (Meadows and Crisp 1996).

Εξέλιξη της ατμόσφαιρας

Συχνά πιστεύεται ότι η Αφροδίτη ξεκίνησε με μια πτητική σύνθεση παρόμοια με αυτή της Γης και παρόμοια με την αρχική της ισοτοπική σύνθεση. Εάν αυτό ισχύει, τότε η μετρούμενη αναλογία δευτερίου/πρωτίου άνω του 150 για τη Γη (Donahue et al. 1982) υποδεικνύει μεγάλες απώλειες υδρογόνου στο παρελθόν, πιθανώς λόγω φωτοδιάσπασης του νερού (Shasefier et al. 2011), αν και Οι Grinspoon και Lewis (1988) πρότειναν ότι η παροχή νερού από κομήτες θα μπορούσε να εξηγήσει αυτή την ισοτοπική υπογραφή. Σε κάθε περίπτωση, η Αφροδίτη θα μπορούσε να έχει ωκεανούς πριν από την τρέχουσα κατάστασή της, αν περιείχε τόσο νερό όσο η Γη (Casting 1987). Η κατάστασή του δεν θα μπορούσε να προκληθεί μόνο από την αύξηση της συγκέντρωσης CO2 (ή οποιουδήποτε άλλου αερίου θερμοκηπίου), αλλά γενικά πιστεύεται ότι προκαλείται από αυξημένη εισροή ηλιακής ενέργειας (Kippenhan 1994), αν και η εσωτερική ροή θερμότητας προκαλεί ένα ανεξέλεγκτο θερμοκήπιο επίδραση σε παλιρροϊκούς πλανήτες είναι επίσης δυνατή (Barnes et al. 2012).

Ο Casting (1987) διερεύνησε τόσο τις ανεξέλεγκτες όσο και τις επίμονες επιδράσεις του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη. Εάν η Αφροδίτη είχε έναν ωκεανό στα πρώτα στάδια της ιστορίας, η ροή ηλιακής ενέργειας στην τρέχουσα τροχιά της θα ήταν τέτοια που το σενάριο του θερμοκηπίου θα ξεκινούσε σχεδόν αμέσως. Υπάρχουν δύο σενάρια για απώλεια νερού των ωκεανών λόγω αυξημένης ηλιακής ροής (Casting 1987, Goldblatt et al. 2011, Catling and Casting 2013). Πρώτο ανεξέλεγκτο σενάριο: ο ωκεανός αρχίζει να εξατμίζεται στην τροπόσφαιρα, αυξάνοντας τη θέρμανση, αλλά αυξάνεται και η πίεση, έτσι ώστε οι ωκεανοί να μην βράζουν. Το νερό συσσωρεύεται στην τροπόσφαιρα πολύ πιο γρήγορα από ότι συμβαίνει η φωτοδιάσπαση και η διαρροή υδρογόνου στο διάστημα. Καιρικά φαινόμενα μπορούν ακόμα να συμβούν και να επιβραδύνουν τις εκπομπές CO2. Η θερμοκρασία και η πίεση των υδρατμών αυξάνονται και ο ωκεανός παραμένει μέχρι να επιτευχθεί το κρίσιμο σημείο του νερού των 647 Κ, στο οποίο είναι αδύνατο να μετατραπεί ο ατμός σε νερό υπό οποιαδήποτε πίεση, οπότε όλο το υγρό νερό εξατμίζεται και δημιουργεί ένα πυκνό ομίχλη υδρατμών, εντελώς αδιαφανής για εξερχόμενη ακτινοβολία μεγάλου μήκους. Η θερμοκρασία της επιφάνειας στη συνέχεια αυξάνεται μέχρι να αρχίσει να ακτινοβολεί στις κοντινές υπέρυθρες και ορατές περιοχές, όπου η διαφάνεια των υδρατμών είναι πολύ μεγαλύτερη και πιο σταθερή. Αυτό αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 1400 K, αρκετά υψηλή για να λιώσει πετρώματα κοντά στην επιφάνεια και να απελευθερώσει άνθρακα από αυτά. Επιπλέον, το CO2 μπορεί να απελευθερωθεί από το βράχο χωρίς έκθεση στις καιρικές συνθήκες και δεν μπορεί να αφαιρεθεί πουθενά. Στο δεύτερο σενάριο, η απελευθέρωση υδρατμών στην ατμόσφαιρα κάνει την κατανομή της θερμοκρασίας πιο ισόθερμη, ανεβάζοντας την τροπόπαυση και σπάζοντας την παγίδα του κρύου. Οι υδρατμοί, επομένως, μπορούν να περάσουν στη στρατόσφαιρα και να υποστούν φωτόλυση. Σε αντίθεση με το πρώτο σενάριο, το νερό χάνεται με ρυθμό ανάλογο με τον ρυθμό εξάτμισης από τον ωκεανό και η εξάτμιση δεν θα σταματήσει μέχρι να φύγει όλο το νερό. Όταν τελειώσει το νερό, ο κύκλος ανθρακικού-πυριτικού απενεργοποιείται. Εάν το CO2 συνεχίσει να εξελίσσεται από τον μανδύα, τότε δεν υπάρχει διαθέσιμος τρόπος για να το αφαιρέσετε.

Άρης

Ο Άρης είναι κατά κάποιο τρόπο το αντίθετο της Αφροδίτης όσον αφορά τη θερμοκρασία και την πίεση. Η επιφανειακή πίεση είναι περίπου 6 millibar και η μέση θερμοκρασία είναι 215 K (Carr and Head 2010). Η θερμοκρασία ισορροπίας μπορεί να αποδειχθεί ότι είναι 210 K, επομένως το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι περίπου 5 K και είναι αμελητέο. Οι θερμοκρασίες μπορεί να κυμαίνονται από 180 K έως 300 K ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος, την εποχή του χρόνου και την ώρα της ημέρας (Carr and Head 2010). Θεωρητικά, υπάρχουν σύντομες χρονικές περίοδοι όπου μπορεί να υπάρχει υγρό νερό στην επιφάνεια του Άρη σύμφωνα με το διάγραμμα φάσης για το H2O. Γενικά, αν θέλουμε να δούμε βρεγμένο Άρη, πρέπει να κοιτάξουμε στο παρελθόν.

Εξέλιξη της ατμόσφαιρας

Το Mariner 9 δημοσίευσε για πρώτη φορά φωτογραφίες που δείχνουν εμφανή ίχνη ροών ποταμών. Η πιο κοινή ερμηνεία είναι ότι ο πρώιμος Άρης ήταν ζεστός και υγρός (Pollack 1979, Carr and Head 2010). Κάποιος μηχανισμός, πιθανώς το φαινόμενο του θερμοκηπίου (αν και τα σύννεφα θεωρήθηκαν επίσης), που θα έπρεπε να είχε προκαλέσει επαρκή ακτινοβολία, έκανε τον Άρη θερμότερο κατά την πρώιμη ιστορία του. Το πρόβλημα είναι ακόμη χειρότερο από ό, τι φαίνεται, δεδομένου ότι ο Sunλιος ήταν 25% πιο αμυδρός πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια όταν ο Άρης είχε ένα ήπιο κλίμα (Casting 1991). Ο πρώιμος Άρης μπορεί να είχε επιφανειακές πιέσεις της τάξης του 1 bar και θερμοκρασίες κοντά στους 300 K (De Pater and Liesauer 2007).

Το Casting (1984, 1991) έδειξε ότι το CO2 από μόνο του δεν θα μπορούσε να θερμάνει την πρώιμη επιφάνεια του Άρη σε 273 K. ισορροπία, τότε η επιφάνεια εκπέμπει λιγότερο, έτσι ώστε ο πλανήτης να έχει την ίδια εξερχόμενη ροή υπέρυθρης ακτινοβολίας μεγάλου κύματος, η επιφάνεια αρχίζει να κρυώνει. Έτσι, σε πιέσεις άνω των 5 bar, το CO2 ψύχει τον πλανήτη αντί να τον ζεσταίνει. Και αυτό δεν είναι αρκετό για να θερμάνει την επιφάνεια του Άρη πάνω από το σημείο πήξης του νερού, δεδομένης της ηλιακής ροής εκείνη την εποχή. Σε αυτή την περίπτωση, το CO2 θα συμπυκνωθεί σε συμπυκνώματα. Οι Wordsworth, Foget και Amyt (2010) παρουσίασαν μια πιο αυστηρή εξέταση της φυσικής της απορρόφησης CO2 σε μια πυκνή, καθαρή ατμόσφαιρα CO2 (συμπεριλαμβανομένου του ICP), δείχνοντας ότι στην πραγματικότητα η χύτευση υπερεκτιμούσε τις επιφανειακές θερμοκρασίες σε υψηλές πιέσεις το 1984, επιδεινώνοντας έτσι το πρόβλημα του ζεστού, υγρού πρώιμου Άρη. Άλλα αέρια θερμοκηπίου εκτός από το CO2 θα μπορούσαν να λύσουν αυτό το πρόβλημα, ή ίσως η σκόνη εάν μείωνε το άλμπεντο.

Ο πιθανός ρόλος των CH4, NH3 και H2S έχει συζητηθεί προηγουμένως (Sagan and Mullen, 1972). Αργότερα, το SO2 προτάθηκε επίσης ως αέριο θερμοκηπίου (Jung et al., 1997).

Τιτάνιο

Η θερμοκρασία και η πίεση της επιφάνειας του Τιτάνα είναι 93 K και 1,46 bar, αντίστοιχα (Kustenis). Η ατμόσφαιρα αποτελείται κυρίως από Ν2 με ελάχιστο ποσοστό CH4 και περίπου 0,3 % H2 (McKay, 1991). Τροπόπαυση του Τιτάνα με θερμοκρασία 71 Κ σε υψόμετρο 40 χλμ.

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου του Τιτάνα προκαλείται κυρίως από την επαγόμενη από την πίεση απορρόφηση ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος από τα μόρια N2, CH4 και H2 (McKay, Pollack and Cortin 1991). Το Η2 απορροφά έντονα την τυπική ακτινοβολία του Τιτάνα (16,7-25 μικρά). Το CH4 είναι παρόμοιο με τους υδρατμούς στη Γη, καθώς συμπυκνώνεται υπό τις συνθήκες της ατμόσφαιρας του Τιτάνα. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου στον Τιτάνα οφείλεται κυρίως στην απορρόφηση που προκαλείται από σύγκρουση με διμερή N2-N2, CH4-N2 και H2-N2 (Hunt et al. 1983· Wordsworth et al. 2010). Αυτό είναι εντυπωσιακά διαφορετικό από τις ατμόσφαιρες της Γης, του Άρη και της Αφροδίτης, όπου κυριαρχεί η απορρόφηση μέσω δονήσεων και περιστροφικών μεταβάσεων.

Το τιτάνιο έχει επίσης ένα αξιοσημείωτο αντι-θερμοκηπιακό αποτέλεσμα (McKay et al. 1991). Το φαινόμενο κατά του θερμοκηπίου προκαλείται από την παρουσία ενός στρώματος ομίχλης σε μεγάλο υψόμετρο που απορροφά το ορατό φως, αλλά είναι διαφανές στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Το φαινόμενο κατά του θερμοκηπίου μειώνει την θερμοκρασία της επιφάνειας κατά 9 K, ενώ το φαινόμενο του θερμοκηπίου την αυξάνει κατά 21 K. Έτσι, το καθαρό φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι 12 K (82 K είναι η αποτελεσματική θερμοκρασία σε σύγκριση με 94 K της παρατηρούμενης θερμοκρασίας επιφάνειας). Το τιτάνιο χωρίς στρώμα ομίχλης θα είναι 20 K θερμότερο λόγω της απουσίας του φαινομένου κατά του θερμοκηπίου και του ενισχυμένου φαινομένου του θερμοκηπίου (McKay et al. 1991).

Η επιφανειακή ψύξη οφείλεται κυρίως στην ακτινοβολία στην περιοχή των 17-25 μικρών του φάσματος. Αυτό είναι το υπέρυθρο παράθυρο του Τιτάνα. Το H2 είναι σημαντικό επειδή απορροφά σε αυτή την περιοχή, όπως το CO2 είναι πολύ σημαντικό στη Γη επειδή απορροφά την ακτινοβολία από την επιφάνεια της Γης στην υπέρυθρη ζώνη. Και τα δύο αέρια δεν περιορίζονται επίσης από τον κορεσμό των ατμών τους στις συνθήκες της ατμόσφαιράς τους.

Το μεθάνιο είναι κοντά στην πίεση κορεσμένων ατμών, παρόμοια με το H2O στη Γη.

Εξέλιξη της ατμόσφαιρας

Λόγω της αυξημένης φωτεινότητας του Ήλιου, η θερμοκρασία της επιφάνειας του Τιτάνα είναι πιθανώς 20 K υψηλότερη από ό,τι ήταν πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια (McKay et al. 1993). Σε αυτή την περίπτωση, το Ν2 στην ατμόσφαιρα θα κρυώσει σε πάγο. Ο σχηματισμός και η διάρκεια ζωής της ατμόσφαιρας του Τιτάνα είναι ένα ενδιαφέρον πρόβλημα χωρίς διαρκή λύση (Κουστένης 2004). Ένα πρόβλημα είναι ότι με αυτόν τον ρυθμό φωτόλυσης CH4 και παραγωγής αιθανίου, η τρέχουσα προσφορά CH4 στην ατμόσφαιρα του Τιτάνα θα εξαντληθεί σε πολύ λιγότερο χρόνο από την ηλικία του ηλιακού συστήματος. Επιπλέον, το υγρό αιθάνιο θα είχε συσσωρευτεί στην επιφάνεια αρκετές εκατοντάδες μέτρα χαμηλότερα με τους τρέχοντες ρυθμούς παραγωγής (Lunein et al. 1989). Είτε αυτή είναι μια αχαρακτήριστη περίοδος στην ιστορία του Τιτάνα, είτε υπάρχουν άγνωστες πηγές μεθανίου και λυμάτων για αιθάνιο (Catling and Casting, 2013).

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ Η ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΤΟΥΣ

Η Γη, ο Άρης και η Αφροδίτη είναι παρόμοια στο ότι κάθε πλανήτης έχει μια αξιοσημείωτη ατμόσφαιρα, καιρικές συνθήκες, παρελθόν ή σημερινό ηφαιστειακό και μια χημικά ετερογενή σύνθεση. Το τιτάνιο έχει επίσης σημαντική ατμόσφαιρα, καιρικές συνθήκες, πιθανώς κρυοηφαιστεισμό και δυνητικά εν μέρει ετερογενή σύνθεση (De Pater and Liesauer 2007).

Ο Άρης, η Γη και η Αφροδίτη έχουν φαινόμενο θερμοκηπίου με αισθητή επίδραση του CO2, αν και οι τιμές της θέρμανσης και της μερικής πίεσης του CO2 διαφέρουν κατά αρκετές τάξεις μεγέθους. Είναι προφανές ότι η Γη και ο Άρης πρέπει να είχαν πρόσθετη θέρμανση νωρίτερα στην ιστορία του ηλιακού συστήματος, όταν ο ήλιος ήταν πιο αμυδρός. Δεν είναι ακόμη σαφές ποια ήταν η πηγή(ες) της θέρμανσης για αυτούς τους δύο πλανήτες, αν και έχουν προταθεί πολλές λύσεις και πολλές εξηγήσεις είναι δυνατές. Είναι ενδιαφέρον ότι ο Άρης επιτρέπει συγκρίσεις με το παρελθόν της Γης, καθώς και οι δύο πλανήτες έχουν άφθονα γεωλογικά στοιχεία ότι ήταν θερμότεροι, έχοντας περισσότερα από το φαινόμενο του θερμοκηπίου που δημιουργήθηκε από το αέριο CO2. Ταυτόχρονα, το ανεξέλεγκτο φαινόμενο του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη παρέχει μια εικόνα για το μέλλον της Γης εάν η ηλιακή δραστηριότητα συνεχίσει να αυξάνεται. Συγκρίνοντας μοντέλα και για τους τρεις πλανήτες, γνωρίζοντας τους θεμελιώδεις φυσικούς νόμους που είναι ίδιοι για όλους τους πλανήτες, μπορούμε να πάρουμε πράγματα που θα ήταν αδύνατο να αποκτήσουμε αν ο Ήλιος δεν επηρέαζε τους επίγειους πλανήτες.

Το τιτάνιο είναι ένα συναρπαστικό υλικό για έρευνα, σύμφωνα με τον συγγραφέα, ειδικά επειδή, σε αντίθεση με άλλους περιγραφόμενους κόσμους, το φαινόμενο του θερμοκηπίου του κυριαρχείται από την απορρόφηση που προκαλείται από σύγκρουση. Η προθέρμανση λόγω ICP έχει πολλές πιθανές εφαρμογές για την περιγραφή των συνθηκών και της πιθανής κατοικήσεως εξωπλανητών (Pierhumbert). Ακριβώς όπως η ατμόσφαιρα της Γης, η ατμόσφαιρα του Τιτάνα περιέχει αρκετή ύλη κοντά στο τριπλό σημείο που μπορεί να συμπυκνωθεί στην ατμόσφαιρα και επομένως μπορεί να επηρεάσει την κατανομή της θερμοκρασίας.

Οι κύριοι τύποι αερίων στην ατμόσφαιρα της Γης επηρεάζονται φυσικά από ζωντανούς οργανισμούς (Taylor 2010). Προφανώς, αυτό δεν ισχύει για άλλους πλανήτες στο ηλιακό σύστημα. Ωστόσο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη σύγκριση της Γης με άψυχους κόσμους στο σύστημά μας για να κατανοήσουμε καλύτερα πιθανές άλλες βιοσφαίρες.

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΠΗΓΩΝ

Carr M. H., Head J. W. (2010), Geological History of Mars, EPSL, 296, 185-203.

Αφροδίτη - Οι αρχαίοι Ρωμαίοι ήταν ενθουσιασμένοι με αυτόν τον εντυπωσιακό πλανήτη και τον ονόμασαν από τη θεά της αγάπης και της ομορφιάς. Έμοιαζε τόσο όμορφη στον ουρανό που η σύνδεση φαινόταν προφανής. Για πολύ καιρό, η Αφροδίτη θεωρούνταν αδελφός μας πλανήτης λόγω της ομοιότητας δομής, βαρύτητας, πυκνότητας και μεγέθους. Από πολλές απόψεις, η Αφροδίτη και η Γη είναι σχεδόν δίδυμες, έχουν σχεδόν το ίδιο μέγεθος και η Αφροδίτη είναι ο πλησιέστερος πλανήτης στη Γη.

Για αιώνες, οι επιστήμονες πίστευαν ότι αυτός ο πλανήτης, το δίδυμο της Γης, καλύπτεται από βαθείς ωκεανούς, πυκνά τροπικά δάση και ότι το κλίμα του δημιουργεί όλες τις προϋποθέσεις για την ύπαρξη έξυπνης ζωής εκεί. Πριν από την ένταξη διαστημική ηλικίαπίστευαν ότι η Αφροδίτη μοιάζει πολύ με τη Γη, αλλά όταν ξεκινήσαμε να μελετάμε την Αφροδίτη, αποδείχθηκε ότι οι συνθήκες εκεί είναι εντελώς διαφορετικές. Αποδείχθηκε ότι η Αφροδίτη δεν είναι τόσο μια εξωτική αδερφή της Γης όσο μια δίδυμη κακία. Πρόκειται για δύο πολύ παρόμοιους πλανήτες στα κύρια χαρακτηριστικά τους, ούτε η εξέλιξή τους ήταν διαφορετικής φύσης, γεγονός που μας κάνει να κατανοήσουμε διαφορετικά το πρόβλημα πλανητική εξέλιξη... Υπήρχαν δύο παρόμοιοι πλανήτες, υπήρχαν για τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια και γιατί αποδείχθηκαν τόσο διαφορετικοί.

Κλίμα και φαινόμενο του θερμοκηπίου

Ο πρώτος από τους κύριους λόγους είναι ότι η Αφροδίτη υποβλήθηκε σε ισχυρές κρούσεις μετεωριτών. Ένα χτύπημα ήταν τόσο δυνατό που, σύμφωνα με τους επιστήμονες, επηρέασε την περιστροφή του πλανήτη. Η Αφροδίτη έχει πολύ αργή περιστροφή και αυτή είναι, όπως λέμε, παλινδρόμηση. Δηλαδή, η Αφροδίτη δεν περιστρέφεται όπως οι άλλοι πλανήτες, αλλά προς την αντίθετη κατεύθυνση. Λόγω της παλινδρομικής περιστροφής, ο Ήλιος ανατέλλει εκεί στα δυτικά και δύει στα ανατολικά. Η ημέρα στην Αφροδίτη είναι πολύ μεγάλη, με το χρόνο από τη μια ανατολή στην άλλη είναι περίπου οκτώ μήνες της Γης. Αλλά δεν είναι αυτά τα χαρακτηριστικά που κάνουν τη ζωή στην Αφροδίτη αφόρητη. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο αδίστακτο κλίμα, η θερμοκρασία στην επιφάνεια είναι περίπου 750 βαθμοί Κελσίου. Η Αφροδίτη είναι ο πιο καυτός πλανήτης ηλιακό σύστημα, μια επίσκεψη εκεί θα ήταν εξαιρετικά σύντομη. Αν μείναμε εκεί για λίγα δευτερόλεπτα, θα τηγανίζαμε.

Το πρόβλημα του φαινομένου του θερμοκηπίου

Ένα ανελέητο κύμα καύσωνα δημιουργείται από μια διαδικασία που ονομάζεται φαινόμενο του θερμοκηπίου. Στη Γη, μια πανομοιότυπη διαδικασία ελέγχει το κλίμα. Με μια πιο προσεκτική ματιά στην Αφροδίτη, αρχίζουμε να καταλαβαίνουμε πώς κάτι οικείο μπορεί να γίνει κύκλος ζωής ή θανάτου. Σήμερα η θερμοκρασία στη Γη αυξάνεται και οι επιστήμονες ανακάλυψαν τον λόγο για αυτό στην Αφροδίτη. «Η υπερθέρμανση του πλανήτη είναι συνέπεια της δράσης των αερίων του θερμοκηπίου, τα οποία γίνονται όλο και περισσότερα, και ως εκ τούτου γίνεται όλο και πιο ζεστή στη Γη», - Robert Strom (επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα). «Κοιτάξαμε την Αφροδίτη και είπαμε ότι το ίδιο συμβαίνει εδώ».

Συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη

Στη δεκαετία του '90 μετά την εκτόξευση ΔΙΑΣΤΗΜΟΠΛΟΙΟ«Μαγγελάνος», η Αφροδίτη άρχισε να παρουσιάζεται ως παράδειγμα του πόσο άσχημα μπορεί να πάνε τα πράγματα εδώ στη Γη. «Η εξερεύνηση του διαστήματος μας είπε πολλά για τη Γη και περιβάλλον- λέει ο Robert Strom. «Το φαινόμενο του θερμοκηπίου (θερμοκηπίου), για το οποίο συζητείται τώρα σε σχέση με την υπερθέρμανση του πλανήτη, ανακαλύφθηκε στην ουσία στην Αφροδίτη». Ανακαλύφθηκε στην Αφροδίτη που χύθηκε Νέο κόσμοσχετικά με το φαινόμενο του θερμοκηπίου (θερμοκηπίου) στη Γη. Η Αφροδίτη δεν ήταν πάντα τόσο καυτή, στα πρώτα στάδια της εξέλιξης έμοιαζε περισσότερο με τη Γη. Έχασε τους ωκεανούς του εξαιτίας αυτού που ονομάζουμε φαινόμενο του θερμοκηπίου. «Η Αφροδίτη είναι ένα παράδειγμα για το πώς οι παγκόσμιες αλλαγές στον πλανήτη μπορούν να πάνε σύμφωνα με το χειρότερο σενάριο. Δεν χρειάζεται να περπατήσουμε το μονοπάτι της Αφροδίτης για να μπούμε σε μπελάδες. Απλώς πρέπει να στρίψετε λίγο προς την άλλη κατεύθυνση, και το κάνουμε ήδη».

Αιτίες του φαινομένου του θερμοκηπίου

Η εξερεύνηση της Αφροδίτης μας επιτρέπει να δοκιμάσουμε τα κλιματικά μας μοντέλα. Χρησιμοποιώντας υπολογιστικά μοντέλα γενικής κυκλοφορίας, οι επιστήμονες μπόρεσαν να υπολογίσουν την αύξηση της θερμοκρασίας στη Γη με βάση την ποσότητα των αερίων του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη. Πώς το φαινόμενο του θερμοκηπίου στην Αφροδίτη κάνει τον πλανήτη τόσο ζεστό; Στην Αφροδίτη, τα αέρια του θερμοκηπίου δεν παγιδεύουν τη θερμότητα του ήλιου, αλλά επιβραδύνουν πολύ την εξέλιξή του. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου (θερμοκηπίου) σε οποιονδήποτε πλανήτη σημαίνει ότι η θερμοκρασία της επιφάνειας αυξάνεται λόγω του γεγονότος ότι τα αέρια στην ατμόσφαιρα, αφήνοντας το ηλιακό φως, παγιδεύουν τη θερμότητα. Αυτά τα αέρια του θερμοκηπίου, που θα αποδεικνύονταν μοιραία για εμάς στην Αφροδίτη, είναι απαραίτητα για τη ζωή στη Γη. Χωρίς το φαινόμενο του θερμοκηπίου, η μέση θερμοκρασία θα ήταν πολύ κάτω από το μηδέν, οι ωκεανοί θα παγώσουν εντελώς και μπορεί να μην υπήρχε καθόλου ζωή στη Γη.

Γιατί η Αφροδίτη είναι τόσο ζεστή; Η απάντηση βρίσκεται στη σύνθεση της ατμόσφαιρας. Είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου διοξείδιο του άνθρακα. Το διοξείδιο του άνθρακα ή CO2 αποτελεί το 95% της ατμόσφαιρας της Αφροδίτης. Και φυσικό αέριο σε τέτοια τεράστιο ποσόδιατηρεί περισσότερη θερμότητα. "Αυτό έχει ένα πολύ ισχυρό φαινόμενο του θερμοκηπίου (θερμοκηπίου) και γι' αυτό είναι τόσο ζεστό στην Αφροδίτη", εξηγεί ο David Grinspoon. Αυτό είναι ένα παράδειγμα ακραίας υπερθέρμανσης του πλανήτη ».

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι η αύξηση της θερμοκρασίας των κατώτερων στρωμάτων της ατμόσφαιρας του πλανήτη σε σύγκριση με την αποτελεσματική θερμοκρασία, δηλαδή τη θερμοκρασία της θερμικής ακτινοβολίας του πλανήτη που παρατηρείται από το διάστημα.

Οι κηπουροί είναι εξοικειωμένοι με αυτό το φυσικό φαινόμενο. Είναι πάντα πιο ζεστό μέσα στο θερμοκήπιο παρά έξω, και αυτό βοηθά στην ανάπτυξη φυτών, ειδικά κατά τη διάρκεια της κρύας περιόδου. Μπορείτε να νιώσετε ένα παρόμοιο αποτέλεσμα όταν βρίσκεστε σε ένα αυτοκίνητο. Ο λόγος για αυτό είναι ότι ο Ήλιος, με θερμοκρασία επιφάνειας περίπου 5000 ° C, εκπέμπει κυρίως ορατό φως - ένα μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος στο οποίο τα μάτια μας είναι ευαίσθητα. Επειδή η ατμόσφαιρα είναι σε μεγάλο βαθμό διαφανής στο ορατό φως, η ηλιακή ακτινοβολία μπορεί εύκολα να διεισδύσει στην επιφάνεια της Γης. Το γυαλί είναι επίσης διαφανές στο ορατό φως, έτσι ώστε οι ακτίνες του ήλιου να περνούν στο θερμοκήπιο και η ενέργειά τους να απορροφάται από τα φυτά και όλα τα αντικείμενα μέσα. Επιπλέον, σύμφωνα με τον νόμο Stefan-Boltzmann, κάθε αντικείμενο εκπέμπει ενέργεια σε κάποιο μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Αντικείμενα με θερμοκρασία περίπου 15 ° C - η μέση θερμοκρασία κοντά στην επιφάνεια της Γης - εκπέμπουν ενέργεια στην περιοχή υπέρυθρων ακτίνων. Έτσι, αντικείμενα στο θερμοκήπιο εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία. Ωστόσο, η υπέρυθρη ακτινοβολία δεν μπορεί να περάσει εύκολα από το γυαλί, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία μέσα στο θερμοκήπιο να ανεβαίνει.

Ένας πλανήτης με σταθερή ατμόσφαιρα όπως η Γη βιώνει σχεδόν το ίδιο αποτέλεσμα - σε παγκόσμια κλίμακα. Για να διατηρήσει μια σταθερή θερμοκρασία, η ίδια η Γη χρειάζεται να εκπέμπει όση ενέργεια απορροφά από το ορατό φως που εκπέμπεται προς την κατεύθυνση μας από τον Ήλιο. Η ατμόσφαιρα χρησιμεύει ως ποτήρι σε ένα θερμοκήπιο - δεν είναι τόσο διαφανής στην υπέρυθρη ακτινοβολία όσο στο ηλιακό φως. Μόρια διάφορες ουσίεςστην ατμόσφαιρα (τα πιο σημαντικά από τα οποία είναι το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό) απορροφούν την υπέρυθρη ακτινοβολία, λειτουργώντας ως αέρια του θερμοκηπίου. Έτσι, εκπέμπονται υπέρυθρα φωτόνια επιφάνεια του εδάφουςμην πηγαίνετε πάντα κατευθείαν στο διάστημα. Μερικά από αυτά απορροφώνται από μόρια αερίων θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα. Όταν αυτά τα μόρια εκπέμπουν εκ νέου την ενέργεια που έχουν απορροφήσει, μπορούν να την εκπέμψουν τόσο προς το διάστημα όσο και προς τα μέσα, πίσω στην επιφάνεια της Γης. Η παρουσία τέτοιων αερίων στην ατμόσφαιρα δημιουργεί το αποτέλεσμα να καλύπτεται η Γη με μια κουβέρτα. Δεν μπορούν να σταματήσουν τη διαρροή θερμότητας προς τα έξω, αλλά επιτρέπουν τη διατήρηση της θερμότητας κοντά στην επιφάνεια για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, επομένως η επιφάνεια της Γης είναι πολύ θερμότερη από ό,τι θα ήταν απουσία αερίων. Χωρίς την ατμόσφαιρα, η μέση θερμοκρασία της επιφάνειας θα ήταν -20 ° C, η οποία είναι πολύ κάτω από το σημείο πήξης του νερού.

Είναι σημαντικό να καταλάβουμε ότι υπήρχε πάντα ένα φαινόμενο του θερμοκηπίου στη Γη. Χωρίς το φαινόμενο του θερμοκηπίου του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, οι ωκεανοί θα είχαν παγώσει εδώ και πολύ καιρό, και ανώτερες μορφέςη ζωή δεν θα εμφανιζόταν. Η τρέχουσα επιστημονική συζήτηση για το φαινόμενο του θερμοκηπίου αφορά παγκόσμια υπερθέρμανση: είμαστε οι άνθρωποι που διαταράσσουμε το ενεργειακό ισοζύγιο του πλανήτη πάρα πολύ ως αποτέλεσμα της καύσης ορυκτών καυσίμων και άλλων ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑενώ προσθέτει υπερβολική ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα; Οι επιστήμονες συμφωνούν τώρα ότι είμαστε υπεύθυνοι για την αύξηση του φυσικού φαινομένου του θερμοκηπίου κατά πολλούς βαθμούς.

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου δεν συμβαίνει μόνο στη Γη. Στην πραγματικότητα, το ισχυρότερο φαινόμενο θερμοκηπίου που γνωρίζουμε βρίσκεται στον γειτονικό πλανήτη, την Αφροδίτη. Η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από διοξείδιο του άνθρακα, και ως αποτέλεσμα, η επιφάνεια του πλανήτη θερμαίνεται στους 475 ° C. Οι κλιματολόγοι πιστεύουν ότι έχουμε αποφύγει μια τέτοια μοίρα χάρη στην παρουσία ωκεανών στη Γη. Οι ωκεανοί απορροφούν τον ατμοσφαιρικό άνθρακα και συσσωρεύεται σε βράχια όπως ο ασβεστόλιθος - απομακρύνοντας έτσι το διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Η Αφροδίτη δεν έχει ωκεανούς και όλο το διοξείδιο του άνθρακα που εκπέμπουν τα ηφαίστεια στην ατμόσφαιρα παραμένει εκεί. Το αποτέλεσμα είναι ένα αφανές φαινόμενο θερμοκηπίου στην Αφροδίτη.