Friday, June 11, 2010

O tym jak wazna jest stosowna atmosfera...



Wracajac na moment do problemu naszego szczesliwego losowania w Kosmicznym Monopolu Loteryjnym chcialbym zwrocic tez uwage na fakt, ze samo umiejscowienie planety takiej jak Ziemia w stosownej odleglosci od Slonca nie zalatwia jeszcze sprawy mozliwosci powstania na niej zycia. Niemal kolowa orbita i stosowna doza energii slonecznej sa warunkiem koniecznym ale nie dostatecznym aby moglo powstanc na tej planecie zycie. W chwili obecnej nie wiadomo wlasciwie w jaki sposob powstal uklad planetarny wokol Slonca i dlaczego planety ulokowane sa na tych orbitach, na ktorych je znajdujemy. Wiekszosc muzeow geologii czy planetologii podaje dwie mozliwosci generacji planet. Pierwsza to hipoteza (mokra), ze w odleglej przeszlosci (okolo 5 mld lat temu) blisko Slonca przeszedl jakis inny masywny obiekt astronomiczny, ktory wyrwal z jego "ciala" znaczna ilosc materii  (mowimy wiec wlasciwie o nieelastycznym zderzeniu  obiektu X ze Sloncem traktowanym jako plyn plazmowy) . Wyrwana masa  poczela sie kondensowac w mniejsze obiekty a bedac wlasciwie ciecza  skondensowala sie w kropelki, ktore po schlodzeniu przez promieniowanie staly sie planetami.  Druga hipoteza (sucha) mowi, ze planety powstaly w wyniku kondensacji pylu kosmicznego czyli w wyniku procesu podobnego do krystalizacji w nasyconym roztworze. Ze wzgledu na to, ze sily grawitacyjne sa silami przyciagajacymi nie jest wykluczone, ze taka kondensacja pylu mogla nastapic ( no ale skad ten pyl?). Nie mniej zadna z tych hipotez nie wyjasnia wszystkich cech naszego ukladu planetarnego ani tez nie mowi dlaczego orbity planet maja te a nie inne parametry. Uklad planetarny jest ukladem zwiazanym, w zasadzie podobnym do ukladow atom - elektrony (model Bohra  atomu opieral sie na tej analogii), i mozna by oczekiwac, ze i tu bedziemy mieli jakies stacjonarne orbity. Oczywiscie rozne masy planet powoduja komplikacje, ktorych nie ma w przypadku oddzialywania elektronu z jadrem. Nie mniej wydawalo by sie, ze powinnismy obserwowac jakies prawidlowosci w rozmieszczeniu planet na orbitach. Popularne prawidlo Titus-Bode'a (patrz Wikipedia) , chociaz nie sprawdza sie najlepiej dla planet odleglych sugeruje, ze mozna znalezc pewna prawidlowosc jesli chodzi o srednie oddalenia planet od Slonca. Zgodnie z ta regula kolejne promienie orbit tworza postep geometryczny.  Nieco dokladniejsze przewidywania sa oparte na zalozeniu, ze srednie promienie orbit znajduja sie w relacji takiej jak kolejne wyrazy ciagu Fibonacciego (1,2,3,5,8,...,144). Istotnie jesli przedstawimy na rysunku srednie odleglosci (w jednostkach sredniego promienia orbity Merkurego) jako funkcje kolejnych wyrazow ciagu to z wyjatkiem Plutona, Erisa oraz Saturna pozostale planety leza na prostej z bardzo dobra dokladnoscia. Jak sie wydaje brak jest jednej planety (planetoidu) odpowiadajacego osmemu wyrazowi ciagu czyli obiektowi, ktory powinien sie znalezc pomiedzy Saturnem a Uranem. Byc moze ten deficyt oraz odchylenia planet o wzglednie niskiej gestosci byly spowodowane interwencja jakiegos obiektu niezwiazanego czyli rozpraszaniu na naszym ukladzie planetarnym ktory zdarzyl sie w odleglej przeszlosci. Moze to byc tez efekt interwencji planety badz gwiazdy Nemesis, co do ktorej istnieje hipoteza, ze nawiedza ona nasz uklad planetarny co okolo 24 miliony lat i jest powodem wielkich periodycznych zniszczen ziemskiej biosfery (tzw wielkich wymarc). Nie mniej, jak dotad brak jest teoretycznych podstaw wyjasniajacych obserwowane prawidlowosci na bardziej racjonalnej podstawie niz sama analiza danych astronomicznych.  Obliczenia wykonane przez lorda Kelvina a zmierzajace do okreslenia czasu istnienia Ziemi na podstawie szybkosci schlodzenia poczatkowo goracej materii slonecznej (okolo 6000 stop.) dowodza, ze Nasza Droga Planeta nie jest biernie chlodzonym obiektem, ktorego temperatura maleje od 4.5 mld lat,  ale ze posiada ona wlasne wewnetrzne zrodlo energii zapewne pochodzenia radioaktywnego chociaz istnieja tez hipotezy, ze siedzimy jak rosyjscy chlopi na piecu, ktorym jest naturalny stos atomowy umieszczony w jadrze Ziemi. Obie hipotezy powstania Ziemi i innych planet Ukladu Slonecznego mowia jednak, ze poczatkowy etap ich formowania byl goracy. Wysoka temperatura planet spowodowala sterylizacje jej powierzchni.  Dopiero z uplywem czasu osiagnely one aktualne temperatury. Powstaje zatem pytanie w jaki sposob znalazla sie na Ziemi woda i tlen i dlaczego jedne planety posiadaja atmosfere  (w tym Ziemia atmosfere sprzyjajaca rozwojowi zycia) a inne sa jej pozbawione. Mozemy tu od razu pominac planety odlegle poczawszy od Jupitera gdyz niska temperatura (165K i nizej) wyklucza istnienia tam srodowiska plynnego innego niz skroplone gazy w rodzaju cieklego wodoru czy amoniaku. Dla pozostalych planet istotnym czynnikiem decydujacym o skladzie atmosfery i o mozliwosci jej utrzymania jest masa planety oraz jej promien. Sila przyciagania grawitacyjnego planety musi byc wystarczajaca aby atomy czy molekuly gazow tworzacych atmosfere nie mogly uciec w przestrzen kosmiczna. To czy molekula gazu bedzie w stanie opuscic atmosfere zalezy naturalnie takze od masy atomowej lub czasteczkowej gazu. Gazy lzejsze latwiej wymkna sie z atmosfery niz gazy ciezsze. W wyniku nastapi pewna restrukturyzacja skladu atmosfery w porownaniu ze stanem wyjsciowym.  Ocena ilosci gazow jaki opuszcza planete jest ogolnie dosyc skomplikowana gdyz atmosfera nie jest gazem w stanie rownowagi termodynamicznej a procesy jonizacji oraz ruchu jonow w polu magnetycznym planety (tam gdzie taki wystepuje) dodatkowo utrudniaja zadanie.  Z grubsza mozemy jednak oszacowac tak zwana druga predkosc kosmiczna dla planety o masie M i promieniu R (grubosc atmosfery pomijamy) jesli zauwazymy, ze warunkiem koniecznym aby czastka gazu o masie m mogla opuscic atmosfere jest warunek aby energia kinetyczna czastki byla co najmniej rowna jej energii potencjalnej w polu grawitacyjnym planety. Z tej zaleznosci wynika nastepujacy wzor na druga predkosc kosmiczna:

v = (2 GM /R)^(1/2)

gdzie G to stala grawitacji , M masa planety a R to jej promien. Oczywiscie czasteczki gazu w atmosferze maja pewien rozklad predkosci w przyblizeniu opisany rozkladem Maxwella. Najwieksza liczba czastek gazu bedzie posiadala predkosci bliskie sredniej predkosci termicznej . Dla czastki o masie m ta predkosc dana jest wzorem

w = (2 kT/m)^(1/2)

gdzie k jest stala Boltzmanna a m masa czastki gazu. Jesli predkosc termiczna w bedzie wieksza lub bliska drugiej predkosci kosmicznej to dany skladnik atmosfery zostanie szybko usuniety do przestrzeni kosmicznej.  Oznacza to, przy temperaturze wiekszej od  T(min) = GMm/(R k)  atmosfera bedzie tracic skladnik o masie czastki m.  Jesli temperatura jest nizsza to dany skladnik pozostanie w atmosferze. Temperatura okreslona wzorem danym wyzej (tj. T(min)) mozemy nazwac temperatura kosmicznego  odparowania.  Jest to temperatura przy ktorej atomowy wodor zacznie byc usuwany ze skladu atmosfery w wyniku ucieczki w przestrzen kosmiczna. Dla innych gazow tempertura ta bedzie stosownie wyzsza (mnoznik to kilogram-mol danego gazu). Wyniki podsumowane sa w tabeli na planszy drugiej. Jak widzimy, w chwili obecnej planety o gestosci zblizonej do gestosci Ziemi maja atmosfery stabilne gdyz temperatury ucieczki obliczone dla kazdej z nich znacznie przewyzszaja srednie temperatury ich powierzchni. Nie mniej, mimo, ze gestosc materialu tych planet jest zblizona i mozna oczekiwac, ze pojawily sie one mniej wiecej w tym samym czasie w slonecznym ukladzie planetarnym to znowu Ziemia jest cudownym wyjatkiem jesli chodzi o sklad atmosfery. Wenus i Mars maja atmosfery zlozone glownie z dwutlenku wegla i azotu. Natomiast na Ziemi glownymi skladnikami atmosfery sa azot i tlen. Ziemia jest takze jedyna planeta, na ktorej woda wystepuje w olbrzymich ilosciach. Mozna podejrzewac, ze we wczesnym okresie rozwoju planetarnego woda a raczej para wodna ulegla fotodysocjacji pod wplywem promieniowania ultrafioletowego ze Slonca co spowodowalo powstanie wolnego tlenu i wodoru. Przy wyzszej sredniej temperaturze powierzchni wodor mogl uciec w przestrzen kosmiczna a ciezszy tlen pozostal wzbogacajac atmosfere w skladnik niezbedny do oddychania. Duze ilosci wody zapewne posluzyly tez do absorpcji dwutlenku wegla. Najwyrazniej acz z niewiadomych powodow takie ilosci wody nie pojawily sie nigdy na innych planetach ukladu slonecznego. Dlaczego nasza Ziemia byla tak uprzywilejowana oraz skad wziely sie na niej takie ilosci wody jakie obecnie wystepuja nie wiadomo. Byl to znowu uniklany krok w kierunku umozliwienia powstania biosfery na tej planecie. Krok, ktory tak jak i wyroznione polozenie Ziemi, jest malo prawdopodobny by powtorzyl sie gdziekolwiek w Kosmosie. Znaczenie posiadania trwalej atmosfery wynika z jej roli jako plaszcza termicznego, przeciwdzialajacego gwaltownym skokom temperatury powierzchni w czasie doby oraz z tego, ze sluzy ona jako warstwa oslonowa chroniaca powierzchnie planety przed szkodliwym promieniowaniem slonecznym i kosmicznym.  Powierzchnie planet naszego ukladu sa bowiem napromieniowane w sposob ciagly przez strumienie czastek korpuskularnych oraz kwantow wysoko energetycznego promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie to pochodzi zarowno z odleglych sektorow naszej Galaktyki jak i z podstawowego zrodla energii ukladu jakim jest Slonce. Promieniowanie kosmiczne stanowia glownie protony, czastki alfa oraz w mniejszym stopniu elektrony i jadra pierwiastkow ciezszych. Energia tych czastek jest rzedu kilku GeV co odpowiada predkosciom bliskim szybkosci swiatla. Drugim zrodlem promieniowania korpuskularnego jest tak zwany "wiatr sloneczny" czyli rozszerzona korona sloneczna, ktorej zasieg obejmuje nasz caly uklad planetarny. Jest to w zasadzie strumien plazmy skladajacy sie z elektronow i protonow o predkosci rzedu kilkuset kilometrow na sekunde. Slonce jest tez glownym zrodlem promieniowania gamma, promieniowania roentgenowskiego oraz promieniowania ultrafioletowego. Wszystkie te typy promieniowania, ze wzgledu na wysoka energie jego nosnikow, sa szkodliwe dla trwalosci biopolimerow i innych duzych molekul organicznych. Inaczej mowiac promieniowanie padajace na planety z Kosmosu i Slonca ma wlasnosci sterylizujace. Szczesliwym trafem grubosc i sklad chemiczny atmosfery ziemskiej sa, oczywiscie calkiem przypadkowo  takie, ze oslania ona skutecznie powierzchnie Ziemi pozwalajac na rozwoj biosfery.
Promieniowanie gamma, X oraz daleki ultrafiolet sa pochlaniane w gornych warstwach atmosfery glownie przez czasteczki tlenu , ozonu i azotu. Jest to dobra wiadomosc gdyz promieniownie wysokoenergetyczne jest czynnikiem mutacyjnym powodujacym uszkodzenia kodu genetycznego. Tlen oraz ozon sa glownymi pochlaniczami promieniowania ultrafioletowego, Bez ich obecnosci trudno sobie wyobrazic powstanie i istnienie na powierzchni Ziemi wielkich biopolimerow gdyz promieniowanie to prowadziloby do ich fotolizy. Nieco nizej a atmosferze absorbowane jest promieniowanie podczerwone (termiczne), ktore jest pochlaniane przez molekuly pary wodnej, dwutlenku wegla i ozonu. To wlasnie obecnosci tych tak zwanych gazow cieplarnianych zawdzieczamy to, ze powierzchnia Ziemi nie przypomina wnetrza kuchenki mikrofalowej a dzien a wnetrza zamrazarki noca. Jak wiadomo, czasteczki maja wlasnosc pochlaniania promieniowania o tej samej dlugosci fali jaka same wysylaja. Stad wynika znaczenie obecnosci pary wodnej, dwutlenku wegla i ozonu, ktore absorbuja silnie fale elektromagnetyczne o dlugosciach w zakresie od 6 do 60 mikronow obejmujacego zakres podczerwieni. Planeta, ktora by nie posiadala w swojej atmosferze tych gazow, z ktorymi tak walczymy obecnie, nie bylaby w stanie utworzyc biosfery na swojej powierzchni nawet wtedy gdyby pozwalala jej na to srednia tempertura. Glownym gazem cieplarnianym odpowiedzialnym za 95% efektu cieplarnianego jest zwyczajna para wodna . Na drugim miejscu jest istotnie dwutlenek wegla odpowiedzialny za okolo 3.6% efektu. Z tej ilosci jednak tylko 0.12% jest wynikiem przemyslowej dzialalnosci czlowieka. Pozostaly wklad jest naturalnym produktem srodowiska. Ostatni wybuch wulkanu w Islandii dostarczyl zapewne wiecej dwutlenku wegla do atmosfery  niz cala produkcja przemyslowa poczynajac od okresu kamienia lupanego.  Dlatego nie przejmujmy sie nadmiernie namowami politykow aby odejsc od paliw tradycyjnych i zastapic je zrodlami odnawialnymi (patrz tez http://bobolowisko.blogspot.com/2010/03/efekt-cieplarniany-raz-jeszcze.html). Oczywiscie oszczednosc jest cnota a paliw kopalnych nie przybywa . Nie mniej obecny trend ekologiczny ma wszystkie cechy owczego pedu.
Na ale aby nie zanudzac Szanownych i Cierpliwych Czytelnikow wspomne tylko, ze Dobry Inzynier nie zapomnial takze o dodatkowym zabezpieczeniu przed promieniowaniem kosmicznym w formie ziemskiego pola magnetycznego. Ta najwieksza zagadka XX wieku, jak ja okreslil swego czasu Einstein, dostarcza takze srodka dla okresowego oczyszczania  Ziemi badz wprowadzenia na nia czynnika mutacjogennego.
No ale to juz jest zupelnie inna historia (R. Kipling).

6 comments:

Przemo said...

Chcialbym jeszcze zwrocic uwage, ze mieszkamy wlasciwie na planecie, bedacej elementem ukladu podwojnego. Planety wymiaru Ziemii nie maja takich duzych satelitow jak Ksiezyc. Prawdopodobnie Ksiezyc powstal w wyniku kolizji Ziemii z czyms jeszcze.

Istnienie Ksiezyca w poblizu moze miec znaczenie dla istnienia zycia na Ziemii. Istnieje teoria, ze wylapuje czesc przelatujacych obiektow, niewykluczone rowniez ze plywy mialy znaczenie dla powstania zycia.

slomski.us

HansKlos said...

Posługując się zależnością Titiusa-Bodega, lub jak kto woli, kolejnymi wyrazami ciągu Fibonacciego, obliczyć można temperatury gazów atmosferycznych, oraz masy planet w ciągu. Z grubsza rzecz biorąc powstający wg wspomnianych zasad układ planetarny "preferuje" powstanie życia, właśnie poprzez tworzenie dość szerokiego pasa, w którym planety 2 i 3, liczone od gwiazdy (dla typu G2, w klasie V klasa jasności).

Można zastanawiać się nad róznymi wariantami Wszechswiata, w którym masa elektronu i protonu jest taka, a nie inna i umozliwia powstanie atomów itp, masę zalezności. Tym nie mniej założyć można, iż w naszym Wszechswiecie powstajace systemy gwiazda-planety generują pasy, które sprzyjają powstaniu życia. Przy takim załozeniu, życie nie powinno być rzadkością. Inna sprawa, czy ewaluowało by ono w kierunku powstania inteligentnego życia. Biorąc jednak pod uwage rozmiary kosmosu i mikroskopijny ułamek czasu, kiedy posiadamy ma tyle zaawansowaną technikę, aby coś tam nasłuchiwać lub próbować się komunikować, prawdopodobieństwo kontaktu z innymi cywilizacjami zaczyna dążyć do zera. I tutaj zdaje się leżeć problem naszej unikalności.

hes said...

Z wodą w układzie słonecznym chyba nie jest tak źle jak do tej pory sobie wyobrażano. Odkryto wodę na Księżycu i Marsie. Wydaje się, że planety są względnie bogate w wodę, ale nie w postaci ciekłej. Brak wody jako czynnik ograniczający powstanie życia bym skreślił bo woda chyba zawsze jest, a do życia nie potrzeba wcale ogromnych jej ilości (oceany niekoniecznie są potrzebne).

Bobola said...

Wydaje mi sie, ze Szanowni Czytelnicy patrza na problem wody planetarnej zbyt optymistycznie. W tabeli podaje sklady atmosfery takie jakie znane sa NASA-ie. Wody nie ma ani na Marsie ani na Wenus mimo ze sa to odpowiednio sasiednie zimniejsze i cieplejsze od Ziemi planety. Co do Ksiezyca takze nie slyszalem aby byla na nim woda ale jeszcze sprawdze. Oczywiscie moze byc lod wewnatrz Marsa przykryty warstwa pylu ale o tym trudno mowic jako ze zadne wiercenia nie byly tam przeprowadzone.
Co do "pasow zycia" wokol planet to pamietajmy, ze jak dotad nikt nie udowodnil, ze zasada ciagu Fibonacciego definiuje istotnie dozwolone polozenia orbit planetarnych. Jest to fakt wynikajacy z analizy danych doswiadczalnych ale nie wynikajacy ani z mechaniki klasycznej ani z mechaniki kwantowej w zastosowaniu do ukladow oddzialywujacych silami grawitacji.

slav said...

Widzę, że wizyta Pana Profesora w Naszej Umęczonej Ojczyźnie spowodowała lekkie rozluźnienie gorseta moralno-obyczajowego ;-) - czy Polska jest aż tak frywolna? - na co wskazywały by ostatnie dwie ilustracje do ostatnich wpisów na blogu ;-)

Bobola said...

@slav
Ogolnie rzecz biorac Polki sa znane ze zlego prowadzenia. Nie dotyczy to zreszta tylko kraju rodzimego. Dobra ilustracja polskiego zycia na w USA jest film "Polish wedding" (rez. Theresa Connelly, 1998).
Natomiast urocze naguski w obecnym wpisie symbolizuja panujace ostatnio w Warszawie upaly.