اولین اتمسفر در عطارد
شماتیکی از سطح ماگمای اولیه عطارد و اجزای آن در اتمسفر و اگزوسفر پایینی و غیر همگن آن که در آن اتسمفر بالایی با فضا ادغام می‌شود. اعتبار: ناسا
عطارد غیرمعمول‌ترین سیاره است. کوچکترین سیاره در منظومه شمسی و نزدیکترین سیاره به خورشید، در رزونانس چرخشی 3:2 است، به آرامی می‌چرخد و گرمای سوزان تا 430 درجه سانتیگراد را تجربه می‌کند و در سمت شب سرد دمای آن تا 170- درجه سانتیگراد است. به دلیل داشتن هسته غنی از آهن بسیار بزرگتر در مقایسه با زمین، دومین چگالی متوسط در منظومه شمسی را دارد که فقط 1.5 درصد کمتر از زمین است. علیرغم نزدیکی آن به خورشید، سطح عطارد، در کمال تعجب، سرشار از عناصر فراری مانند سدیم و گوگرد است.
هسته غنی از آهن و گوشته سنگی (منطقه زمین‌شناسی بین هسته و پوسته) نشان می‌دهد که عطارد در اوایل شکل‌گیری خود یک اقیانوس ماگما داشته است. مانند هر مایعی، این اقیانوس نیز تبخیر می‌شد، اما در مورد عطارد، احتمالاً دما آنقدر بالا بود که بخار از آب تشکیل نشده بود، بلکه از سنگ تشکیل شده بود. در مطالعه جدیدی که در مجله علوم سیاره‌ای منتشر شده است، نوح جاگی و همکارانش مدل‌سازی کردند که چگونه تبخیر سطح این اقیانوس ماگما اتمسفر را تشکیل می‌دهد و تعیین کردند که آیا تلفات اتمسفر می‌تواند ترکیب عطارد را تغییر دهد یا خیر، به این سوال باز که چرا نسبتاً فرار است. عناصری مانند سدیم در سطح عطارد جمع شده‌اند. جاگی، یک دانشجوی فارغ‌التحصیل در دانشگاه برن گفت که نتایج آنها شگفت انگیز بود.
لیندی الکینز تانتون، مدیر دانشکده زمین و اکتشافات فضایی در دانشگاه ایالتی آریزونا توضیح داد که اقیانوس‌های ماگمای سیاره‌ای اولیه غیرعادی نیستند. ما فکر می‌کنیم که تمام سیارات سنگی هنگام شکل‌گیری یک یا چند اقیانوس ماگمایی دارند. تأثیرات برافزایش تا پایان شکل‌گیری سیاره‌ها بسیار پرانرژی است؛ آنها سیارات را تا حدودی ذوب می‌کنند.»
منظومه شمسی اولیه مکانی ناهموار و فعال، پر از صخره‌ها، برخوردهای عظیم و بمباران‌های سنگین بود. گرمای ایجاد شده توسط این رویدادها، علاوه بر فروپاشی رادیواکتیو و گرمای تولید شده توسط تنظیم گرانشی هسته غنی از آهن عطارد، سطح و درون سیاره را مذاب نگه داشته است. مدل‌ها نشان می‌دهند که این فرآیندها باعث می‌شوند دمای سطح به حدود 2400 کلوین (3860 درجه فارنهایت) افزایش یابد. آیا تبخیر و سپس از دست دادن اتمسفر می‌تواند ترکیب عطارد را تغییر دهد؟
جگی و تیمش دو اندازه اولیه برای عطارد در نظر گرفتند: یکی بزرگتر از اندازه امروزی، همانطور که برخی دانشمندان فرض می‌کنند و چهار ترکیب احتمالی اقیانوس ماگما. گونه‌های فرار مانند دی‌اکسیدکربن، مونوکسیدکربن، هیدروژن (H2) و آب در ماگما حل می‌شوند و در صورت آزاد شدن فشار می‌توانند به صورت گاز فرار کنند. عناصر غیرفرار نسبتاً غیرفرار مانند سیلیکون، سدیم یا آهن می‌توانند به صورت گازهایی مانند مونوکسید سیلیکون (SiO) تنها در دماهای بسیار بالایی که تصور می‌شود در اقیانوس ماگما اولیه وجود داشته باشند. تفاوت بین گونه‌های گازی فرار و غیرفرار در این است که برای یک دمای معین، گونه‌های فرار فشار بخار تعادلی بسیار بیشتری نسبت به غیرفرار دارند. این فشاری است که اتمسفر بر سطح اتمسفر-ماگمایی وارد می‌کند که این دو در کنار هم وجود داشته باشند.
تیم تحقیقاتی یک مدل داخلی-اتمسفر جفت شده را برای تعیین تأثیر تبخیر از اقیانوس به اتمسفر و پس از محاسبه فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی جو، از دست دادن جرم حاصل از اتمسفر به فضا یا بازگشت به سیاره اجرا کرد. در همین حال سیاره در حال خنک شدن بود. ماگمای مایع در 1700 کلوین (2600 درجه فارنهایت) شروع به متبلور شدن می‌کند که باعث می‌شود 1500 کلوین مورد استفاده توسط جاگی یک تقریب خوب برای طول عمر ذوب سطحی باشد و نقطه پایانی را برای کاهش جرم ناشی از اقیانوس ماگمایی عطارد تعیین می‌کند.
گریز جوی به از دست رفتن گازهای اتمسفر یک سیاره و ورود آنها به فضای بیرونی گفته می‌شود. عوامل متعددی می‌توانند باعث گریز جوی شوند که بر این اساس می‌توان این فرایند را به سه دسته گریز گرمایی (حرارتی)، گریز غیرگرمایی (یا فراگرمایی) و فرسایش برخوردی تقسیم کرد. اهمیت نسبی هر یک از فرایندها به سرعت گریز سیاره، ترکیب اتمسفر آن و فاصله سیاره از خورشید بستگی دارد. گریز جوی زمانی روی می‌دهد که انرژی جنبشی مولکولی بر انرژی پتانسیل گرانشی غلبه می‌کند. به بیان دیگر گریز یک مولکول زمانی می‌تواند رخ دهد که سرعت حرکت آن از سرعت گریز سیاره بیشتر شود. تقسیم‌بندی مقدار گریز جوی در سیاره‌های فراخورشیدی برای تعیین وجود اتمسفر و احتمال وجود حیات در آن لازم است.
گرانش سطحی سیارات با یکدیگر تفاوت زیادی دارد. برای نمونه نیروی گرانش زیاد سیاره بزرگی مانند مشتری گازهای سبکی مانند هیدروژن و هلیوم را نگه می‌دارد که این گازها از اجرامی با گرانش کمتر فرار می‌کنند. همچنین فاصله از خورشید تعیین‌کننده انرژی در دسترس جهت گرم‌شدن گازهای اتمسفری است که برخی از مولکول‌های آن با افزایش جنبش گرمایی از سرعت گریز سیاره فراتر رفته و می‌توانند از چنگ گرانش سیاره فرار کنند؛ بنابراین اجرام سرد و دور از خورشید مانند تیتان، تریتون و پلوتو با وجود داشتن گرانش نسبی ضعیف، قادر به نگه‌داری اتمسفر خود هستند.
در هر دو حالت فرار و غیرفرار، اقیانوس ماگما برای تامین اتمسفر تبخیر می‌شود. مولکول‌ها می‌توانند به یکی از چهار راه از اتمسفر گریز کنند: گرمایش پلاسما از باد خورشیدی ذرات باردار. تبخیر نوری گونه‌های جوی از فوتون‌های خورشیدی بسیار پرانرژی مانند اشعه ایکس و فوتون‌های فرابنفش از خورشید در اعماق اتمسفر فوقانی و ایجاد جریان خروجی گاز (که فرار هیدرودینامیکی نیز نامیده می‌شود). گریز جین جایی که مولکول‌های با سرعت بالا، با جرم کم، قبل از برخورد مولکولی دیگر از بالای اتمسفر بیرون می‌روند و فوتیونیزاسیون که در آن فوتون‌های پرانرژی یون‌هایی تولید می‌کنند که از راه‌های مختلف فرار می‌کنند.
مدل تیم نشان داد که از چهار مکانیسم گریز بالقوه، گریز جین ناچیز است، و بقیه منجر به تلفات جرمی از 1 میلیون تا 4 بیلیون کیلوگرم در ثانیه، بسته به زمان تشکیل عطارد و فرضیات در مورد بازده گرمایش، با بالا می‌شوند. جاگی گفت: محدوده‌ای که از گریز هیدرودینامیکی ناشی می‌شود – «از ناچیز تا غالب»، بسته به اینکه گونه‌های جوی چقدر گرم می‌شوند و چه مقدار تشعشع توسط خورشید اولیه تولید و ارسال شده است.
اما مهمتر از همه، از دست دادن کل جرم از دو اتمسفر بسیار متفاوت آزمایش شده – فرار و غیرفرار – کاملاً مشابه بود. با توجه به کاهش جرم، مقیاس زمانی حاصل از این مدل برای تبادل شیمیایی کارآمد اتمسفر داخلی کمتر از 10000 سال بود که به این معنی است که فرآیندهای فرار جوی تنها حدود 0.3 درصد از جرم اولیه عطارد یا کمتر از 2.3 کیلومتر از پوسته را تشکیل می‌دهند. (شعاع عطارد امروزی 2440 کیلومتر است.)
بنابراین به نظر می رسد از دست دادن جرم تجمعی به طور قابل توجهی ترکیب گوشته حجیم عطارد را در مرحله اقیانوس ماگما تغییر نداده است. بنابراین، زمان های خنک شدن، که به اثر گلخانه‌ای ناشی از آن بستگی دارد، تعیین می‌کند که چه مقدار ماده در طول عمر اقیانوس ماگما از دست می رود.
جاگی گفت که ناچیز بودن کل اتلاف جرم جوی از عطارد، به غیر از فرار هیدرودینامیکی، تعجب‌آور بود. این امر به ما می‌گوید که اندازه‌گیری‌های سدیم بالای سطح عطارد باید بیشتر باشد، زیرا با توجه به نرخ‌های تلفات مدل‌سازی‌شده و طول عمر اقیانوس‌های ماگما، نمی‌توان آنها را انباشته کرد یا به مقدار قابل توجهی از دست داد.» نتایج را می‌توان به ماه، یک سیاره فراخورشیدی یا سیاره‌ای شبیه زمین که در فاز ماگمای داغ آغاز می‌شود، «با بودجه‌ای ناپایدار که توسط بلوک‌های سازنده‌اش تأمین می‌شود» تعمیم داد.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
The earliest atmosphere on Mercury
by David Appell , Phys.org DECEMBER 23, 2021
https://phys.org/news/2021-12-earliest-atmosphere-mercury.html