A exaustão do ar é a perda de gás do ar global em direção ao espaço sideral . Este processo mudou decisivamente a composição da atmosfera de vários corpos do sistema solar : desaparecimento da maior parte da atmosfera marciana tornando este planeta um mundo deserto e estéril, evacuação do hidrogênio da atmosfera. Terrestre permitindo o aparecimento de vida, desaparecimento da água vapor da atmosfera de Vênus contribuindo para o efeito estufa que caracteriza este planeta. Vários mecanismos podem contribuir para o escape atmosférico. Seu impacto é influenciado principalmente pela massa do planeta e pela presença de um campo magnético. Duas missões espaciais - MAVEN , lançado pela NASA em 2013, e ExoMars Trace Gas Orbiter da Agência Espacial Europeia (lançamento previsto para 2018) - são dedicadas ao estudo in situ da fuga da atmosfera de Marte.
Um dos mecanismos clássicos de exaustão térmica é a exaustão Jeans. Em uma quantidade de gás , a velocidade média de uma molécula é determinada pela temperatura , mas a velocidade das moléculas individuais varia continuamente à medida que colidem entre si, por aquisição ou perda de energia cinética .
No caso de Marte, os dados disponíveis permitiram identificar vários mecanismos que podem ter levado à fuga atmosférica da atmosfera do planeta para o espaço interplanetário. A radiação ultravioleta e o vento solar transformam átomos e moléculas na atmosfera superior de Marte, que eram originalmente eletricamente neutros, em partículas carregadas (íons). O campo elétrico gerado pelo vento solar pode então agir sobre eles e expulsá-los para o espaço. O vento solar também pode aquecer moléculas na atmosfera superior, que então escapam da gravidade marciana. Mas erupções vulcânicas ocorreram posteriormente e deveriam ter reconstituído a atmosfera. Seu desaparecimento pode ser o resultado de uma combinação de vários desses mecanismos. Os mecanismos de exaustão em funcionamento podem ser agrupados em duas categorias: exaustão térmica e exaustão não térmica.
A fuga térmica é um fenômeno que ocorre em altitudes muito elevadas, acima da exobase, na exosfera (a uma altitude superior a duzentos quilômetros - em Marte), região da atmosfera onde as partículas não sofrem praticamente mais colisões, devido à baixa densidade da atmosfera residual. Resulta da agitação normal das partículas de um gás em equilíbrio termodinâmico.
O escapamento de jeansUm dos mecanismos clássicos de exaustão térmica é a exaustão Jeans. Em uma quantidade de gás , a velocidade das partículas que chegam acima da exobase como resultado das colisões é distribuída aleatoriamente. Aqueles que são dotados de uma grande energia cinética com uma velocidade superior à velocidade de escape e um vetor de velocidade direcionado para cima escapam da atração. O reservatório de partículas desse tipo é continuamente reabastecido por partículas das camadas atmosféricas inferiores. O escape Jeans só desempenha um papel significativo para as partículas mais leves ( H , H 2 , D ). A velocidade de lançamento do planeta (em relação à sua massa) determina o impacto do escapamento do jeans na atmosfera. No caso de planetas gigantes gasosos, esse impacto é zero, enquanto em Marte é significativo.
No caso de Marte, é a priori o mecanismo que explica a perda da maior parte do hidrogênio neutro (não ionizado). Na medida em que esse hidrogênio vem da água, o estudo do escape do hidrogênio se confunde com o estudo do desaparecimento da água em Marte.
O escapamento hidrodinâmicoEsta fuga é um caso limítrofe da fuga de Jeans, em que a expulsão do hidrogênio para o espaço interplanetário leva à de espécies mais pesadas. Não desempenha um papel importante até o início da história do planeta, quando a atmosfera primitiva era rica em hidrogênio.
Certas reações químicas exotérmicas que ocorrem na atmosfera produzem excesso de energia cinética transmitida aos átomos. Quando essas reações ocorrem perto da exobase em uma região onde a densidade é suficiente para as colisões ocorrerem, mas onde é baixa o suficiente para que a energia adquirida pelas partículas não seja dissipada em novas colisões ( termalização ), alguns dos átomos são expelidos para a exosfera adquiriram energia suficiente e, portanto, velocidade para escapar para o espaço interplanetário.
Fuga iônicaEste tipo de fuga diz respeito a partículas ionizadas (átomos ou moléculas) . Estes se originam de duas regiões da atmosfera marciana: a exosfera e a ionosfera inferior abaixo da exobase. Na exosfera, os íons são produzidos a partir de átomos ou moléculas eletricamente neutras. Eles são então acelerados pelo vento solar e adquirem velocidade suficiente para escapar da atração de Marte. Este processo envolve principalmente os íons H + e O + . Por sua vez, os íons produzidos na baixa ionosfera marciana chegam à exobase por difusão e são então também acelerados pelo vento solar e, para alguns deles, expelidos para o ambiente interplanetário. As partículas em questão são principalmente O 2+ , CO 2+ e O + .
Nem todos os íons acelerados escapam da atmosfera de Marte, mas alguns deles têm uma trajetória que tangencia a atmosfera e acaba colidindo com outras partículas. Eles fazem as moléculas explodirem e então transferem sua energia para os átomos (C, N, O, Ar ...) que em alguns casos adquirem velocidade suficiente para escapar da atração marciana.
O papel dos meteoritosNo caso de Marte, o solo manteve os traços de impacto de enormes asteróides que criaram quase vinte crateras com mais de mil quilômetros de diâmetro. A onda de choque associada a esses impactos também pode ter impulsionado grande parte da atmosfera marciana. Este mecanismo pode ter desempenhado um papel importante durante o período de Noé, quando todos os planetas internos sofreram um bombardeio intensivo de meteoritos ( Grande bombardeio tardio ). Este fenômeno pode ser a causa do desaparecimento de grande parte do CO 2 De março.
A Terra é muito grande para perder uma proporção significativa de sua atmosfera pelo escapamento de jeans. A taxa atual de perda é de aproximadamente três quilogramas (3 kg ) de hidrogênio e cinquenta gramas (50 g ) de hélio por segundo. A exosfera é a região de alta altitude onde a densidade atmosférica é baixa o suficiente para que a fuga de jeans possa ocorrer. Cálculos de escape de jeans realizados com uma temperatura exosférica de 1.800 K mostram que diminuir os íons O + por um fator de e (2.718 ...) levaria quase um bilhão de anos. A temperatura de 1800 K é mais alta do que a temperatura real observada da exosfera; na temperatura média real da exosfera, a diminuição dos íons O + por um fator padrão de e não ocorreria nem mesmo por mais de um bilhão de anos. Além disso, a maior parte do oxigênio da Terra está ligada às moléculas de O 2 , que são muito grandes para escapar da Terra pelo escapamento de Jeans.
O campo magnético da Terra a protege do vento solar e impede a fuga de íons, exceto perto dos pólos magnéticos, onde o fluxo de partículas carregadas deixa a Terra ao longo das linhas do campo magnético. Este fluxo é o mais importante, e contando todos os processos de escape importantes, descobrimos que o campo magnético não protege um planeta de escape atmosférico. A atração gravitacional da Terra evita que outros processos de perda não térmica erodam significativamente a atmosfera.
No entanto, a atmosfera da Terra é quase duas ordens de magnitude menos densa do que a de Vênus na superfície. Isso se deve ao regime de temperatura da superfície terrestre, H 2 Oe CO 2são sequestrados (respectivamente) na hidrosfera e na litosfera . A pressão parcial do vapor d'água é limitada pelo equilíbrio com a água líquida nos oceanos, diminuindo muito a densidade atmosférica potencial. Com o ciclo da água na superfície da Terra, o CO 2 é continuamente retirado da atmosfera e isolado em rochas sedimentares.
Algumas avaliações indicam que quase todo o carbono da Terra está contido em rochas sedimentares , a parte atmosférica do CO 2.sendo aproximadamente 1 / 250.000 th de CO 2presente total na Terra. Se esses dois reservatórios fossem liberados na atmosfera, seria ainda mais densa do que a atmosfera de Vênus. Portanto, o mecanismo dominante de “perda” da atmosfera terrestre não é a fuga para o espaço, mas o sequestro.