Dlaczego atmosfera Ziemi nie zawiera wodoru? Dlaczego atmosfera Księżyca nie istnieje?

Pytanie:

Dlaczego atmosfera Ziemi nie zawiera wodoru? Dlaczego atmosfera Księżyca nie istnieje?
od: Marian Front (maanfo@wp.pl)

Odpowiedź:

dr Sławomir Breiter:

Pierwsze pytanie wymaga pewnego uściślenia. Powinno ono brzmieć: „Dlaczego w atmosferze Ziemi jest tak mało niezwiązanego wodoru ?" W ten sposób wykluczamy z rozważań wszelkie związki wodoru, jak na przykład parę wodną, której zawartość w atmosferze Ziemi wynosi średnio poniżej 1%, a to już wcale nie mało (zwłaszcza gdy nam ten ułamek procenta gęstym deszczem na głowy pada). Cząsteczkowy wodór H2 występuje w atmosferze Ziemi, ale rzadko o nim słyszymy, gdyż zalicza się go hurtem do „pozostałych gazów" wymienianych po azocie i tlenie. Na każde dwa miliony cząsteczek atmosfery tylko jedna to wodór. Co prawda ozonu, o którym tak głośno, jest nawet mniej, ale wodór nie odgrywa na tyle istotnej roli, żeby wymieniać go w popularnych opracowaniach - ot, zaświeci czasem podczas zorzy polarnej i tyle ...

Odpowiadając na pierwsze pytanie wkroczę od razu na teren drugiego, gdyż są one w istocie ściśle powiązane. Gazy tworzące atmosfery planet składają się z nieustannie zderzających się cząsteczek poruszających się z dużymi prędkościami. Średnia prędkość tych cząsteczek zależy od dwóch głównych czynników: od temperatury (w gorącym gazie cząsteczki poruszają się szybciej niż w zimnym) i od masy cząsteczek (im mniejsza masa tym szybszy ruch). Ponieważ wodór jest najlżejszym z gazów, jest on tym składnikiem atmosfery, który posiada największą prędkość. Jeśli prędkość cząsteczek gazu przekroczy wartość drugiej prędkości kosmicznej, zwanej też prędkością ucieczki, to cząsteczki opuszczą otoczenie planety i poszybują w kosmos. W przypadku Ziemi pierwsza prędkość kosmiczna wynosi około 7.9 km/s przy powierzchni (im dalej od środka planety, tym jest ona mniejsza). Gdybyśmy wprowadzili do atmosfery Ziemi pewną ilość wodoru, to 97% cząstek ucieknie w ciągu 100 000 lat. Co prawda średnia prędkość cząsteczek wodoru jest cztery razy mniejsza od prędkości ucieczki, ale samo pojęcie „średniej" zakłada, że trafiają się cząsteczki szybsze. W pierwotnej atmosferze Ziemi wodoru było całkiem sporo, ale w geologicznej skali czasu jego żywot był bardzo krótki.

Przejdźmy teraz do problemu Księżyca. Ma on małą masę i prędkość ucieczki wynosi dla niego zaledwie 1.7 km/s. Wspomniane 97% cząsteczek wodoru uciekłoby z jego powierzchni w ciągu zaledwie dwóch godzin. Piętnaście razy cięższe powietrze o składzie zbliżonym do ziemskiego opuściłoby Księżyc w ciągu tysiąca lat. Oczywiście sam fakt bycia księżycem nie zabrania ciałom niebieskim posiadania atmosfery ,a bycie planetą nie jest równoznaczne z gwarancją utrzymania atmosfery. Planeta Merkury posiada masę pięć razy większą niż Księżyc i ma większą prędkość ucieczki, ale jej atmosfera miałaby zbyt dużą temperaturę ze względu na bliskość Słońca, co podnosi średnią prędkość gazu. Z kolei Tytan, księżyc Saturna o masie dwa razy mniejszej niż Merkury, posiada dzięki niskim temperaturom dość gęstą atmosferę.

Więcej informacji na ten temat można znaleźć w książce:  P. Artymowicz "Astrofizyka układów planetarnych", PWN 1995.

25 kwietnia 2002