Тук на Земята сме склонни да приемаме атмосферата за даденост и то не без причина. Атмосферата ни има прекрасна смесица от азот и кислород (съответно 78% и 21%) с следи от водна пара, въглероден диоксид и други газообразни молекули. Нещо повече - ние се радваме на атмосферно налягане от 101.325 kPa, което се простира на надморска височина от около 8.5 km.
Накратко, атмосферата ни е изобилна и поддържаща живота. Но какво да кажем за другите планети на Слънчевата система? Как се подреждат по отношение на атмосферния състав и налягането? За факт знаем, че те не могат да се дишат от хората и не могат да поддържат живота. Но само каква е разликата между тези топки от скала и газ и нашите собствени?
Като за начало трябва да се отбележи, че всяка планета в Слънчевата система има атмосфера от един или друг вид. И те варират от невероятно тънка и слаба (като „екзосфера“ на Меркурий) до невероятно плътна и мощна - какъвто е случаят с всички газови гиганти. И в зависимост от състава на планетата, независимо дали става въпрос за сухоземен или газов / леден гигант, газовете, които съставляват нейната атмосфера, варират от водорода и хелия до по-сложни елементи като кислород, въглероден диоксид, амоняк и метан.
Атмосфера на живак:
Живакът е твърде горещ и твърде малък, за да запази атмосфера. Въпреки това, той има делителна и променлива екзосфера, съставена от водород, хелий, кислород, натрий, калций, калий и водна пара, с комбинирано ниво на налягане от около 10-14 бар (една четворна половина от атмосферното налягане на Земята). Смята се, че тази екзосфера се е образувала от частици, уловени от Слънцето, вулканично гасене и отломки, изхвърлени в орбита от микрометеоритни въздействия.
Тъй като му липсва жизнеспособна атмосфера, Меркурий няма начин да задържи топлината от Слънцето. В резултат на това и високата си ексцентричност планетата изпитва значителни колебания в температурата. Докато страната, която е обърната към Слънцето, може да достигне температури до 700 K (427 ° C), докато страната в сянка намалява до 100 K (-173 ° C).
Атмосфера на Венера:
Повърхностните наблюдения на Венера са били трудни в миналото поради изключително плътната й атмосфера, която е съставена предимно от въглероден диоксид с малко количество азот. При 92 бара (9,2 MPa) атмосферната маса е 93 пъти по-голяма от земната атмосфера, а налягането върху повърхността на планетата е около 92 пъти по-голямо от земното.
Венера е и най-горещата планета в нашата Слънчева система, със средна повърхностна температура от 735 К (462 ° С / 863.6 ° F). Това се дължи на богатата на СО2 атмосфера, която наред с гъстите облаци серен диоксид създава най-силния парников ефект в Слънчевата система. Над плътния CO 2 слой гъсти облаци, състоящи се главно от серен диоксид и капки сярна киселина, разпръскват около 90% от слънчевата светлина обратно в космоса.
Друго често срещано явление са силните ветрове на Венера, които достигат скорост до 85 m / s (300 km / h; 186.4 mph) в облачните върхове и обикалят планетата на всеки четири до пет земни дни. При тази скорост тези ветрове се движат до 60 пъти повече от скоростта на въртене на планетата, докато най-бързите ветрове на Земята са само 10-20% от скоростта на въртене на планетата.
Венерините мухоловки също посочиха, че гъстите му облаци са способни да произвеждат светкавици, подобно на облаците на Земята. Междинният им вид показва модел, свързан с метеорологичната активност, а скоростта на светкавицата е поне половината от тази на Земята.
Атмосфера на Земята:
Земната атмосфера, която се състои от азот, кислород, водна пара, въглероден диоксид и други микроелементи, също се състои от пет слоя. Те се състоят от Тропосфера, Стратосфера, Мезосфера, Термосфера и Екзосфера. По правило налягането и плътността на въздуха намаляват, колкото по-високото преминава в атмосферата, а по-далечът е от повърхността.
Най-близо до Земята е Тропосферата, която се простира от 0 до между 12 км и 17 км (0 до 7 и 10,56 мили) над повърхността. Този слой съдържа приблизително 80% от масата на земната атмосфера и почти цялата атмосферна водна пара или влага се намира тук. В резултат на това е слоят, където се провежда по-голямата част от времето на Земята.
Стратосферата се простира от Тропосферата до надморска височина от 50 км (31 мили). Този слой се простира от върха на тропосферата до стратопаузата, която е на височина от около 50 до 55 км (31 до 34 мили). Този слой от атмосферата е дом на озоновия слой, който е частта от земната атмосфера, която съдържа сравнително високи концентрации на озонов газ.
Следва мезосферата, която се простира от разстояние от 50 до 80 км (31 до 50 мили) над морското равнище. Това е най-студеното място на Земята и има средна температура от около -85 ° C (-120 ° F; 190 K). Термосферата, вторият по височина слой на атмосферата, се простира от надморска височина от около 80 км (50 мили) до термопаузата, която е на надморска височина от 500–1000 км (310–620 мили).
Долната част на термосферата, от 80 до 550 километра (50 до 342 мили), съдържа йоносферата - която е наречена така, защото тук в атмосферата частиците се йонизират от слънчевата радиация. Този слой е напълно безоблачен и без водни пари. Именно на тази надморска височина са известни явленията, известни като Aurora Borealis и Aurara Australis.
Екзосферата, която е най-външният слой на земната атмосфера, се простира от екзобазата - разположена в горната част на термосферата на надморска височина от около 700 км. - до около 10 000 км. Екзосферата се слива с празнотата на космическото пространство и се състои главно от изключително ниска плътност на водород, хелий и няколко по-тежки молекули, включително азот, кислород и въглероден диоксид
Екзосферата е разположена твърде далеч над Земята, за да са възможни всякакви метеорологични явления. Обаче Aurora Borealis и Aurora Australis понякога се срещат в долната част на екзосферата, където се припокриват в термосферата.
Средната повърхностна температура на Земята е приблизително 14 ° C; но както вече беше отбелязано, това варира. Например, най-горещата температура, регистрирана някога на Земята, е била 70,7 ° C (159 ° F), която е взета в пустинята на Лут в Иран. Междувременно най-студената температура, регистрирана някога на Земята, беше измерена на съветската гара Восток на Антарктическото плато, достигайки историческото ниско ниво от -89,2 ° C (-129 ° F).
Атмосфера на Марс:
Планета Марс има много тънка атмосфера, която е съставена от 96% въглероден диоксид, 1,93% аргон и 1,89% азот, заедно със следи от кислород и вода. Атмосферата е доста прашна, съдържа частици, които измерват 1,5 микрометра в диаметър, което е, което придава на Марсианското небе тъкан цвят, когато се гледа от повърхността. Атмосферното налягане на Марс варира от 0,4 - 0,87 kPa, което е еквивалентно на около 1% от земното на морско ниво.
Поради тънката си атмосфера и по-голямото му разстояние от Слънцето, повърхностната температура на Марс е много по-студена от тази, която изпитваме тук на Земята. Средната температура на планетата е -46 ° C (51 ° F), с ниска температура от -143 ° C (-225.4 ° F) през зимата на полюсите, и висока от 35 ° C (95 ° F) през лятото и обяд на екватора.
Планетата също изпитва прашни бури, които могат да се превърнат в това, което наподобява малки торнадо. По-големи прашни бури възникват, когато прахът се издуха в атмосферата и се нагрява от Слънцето. По-топлият въздух, запълнен с прах, се издига, а ветровете се засилват, създавайки бури, които могат да измерят до хиляди километри ширина и продължават месеци наведнъж. Когато получат това голямо, всъщност могат да блокират по-голямата част от повърхността.
В марсианската атмосфера също са открити следи от метан, с приблизителна концентрация около 30 части на милиард (ppb). Среща се в разширени струи и профилите предполагат, че метанът се е освободил от специфични региони - първият от тях е разположен между Исидис и Утопия Планиция (30 ° С 260 ° З), а вторият в Арабия Тера (0 ° С 310 ° С) W).
Амонякът също е бил открит предварително на Марс Mars Express сателит, но със сравнително кратък живот. Не е ясно какво го е причинило, но вулканичната активност е предложена като възможен източник.
Атмосфера на Юпитер:
Подобно на Земята, Юпитер изпитва аврори в близост до северния и южния си полюс. Но на Юпитер, ауроралната активност е много по-интензивна и рядко спира някога. Интензивното излъчване, магнитното поле на Юпитер и изобилието от материал от вулканите на Йо, които реагират с йоносферата на Юпитер създават светлинно шоу, което е наистина зрелищно.
Юпитер също изпитва бурни метеорологични модели. Скоростта на вятъра от 100 m / s (360 km / h) е често срещана в зонални самолети и може да достигне до 620 kph (385 mph). Бурите се образуват в рамките на часове и могат да станат хиляди км в диаметър за една нощ. Една буря, Голямото червено петно, бушува поне от края на 1600 година. Бурята се свива и разширява през цялата си история; но през 2012 г. се предполагаше, че Гигантското червено петно може в крайна сметка да изчезне.
Юпитер е постоянно покрит с облаци, съставени от амонячни кристали и евентуално амониев хидросулфид. Тези облаци са разположени в тропопаузата и са подредени в групи с различни ширини, известни като "тропически региони". Облачният слой е дълбок само на около 50 км (31 мили) и се състои от поне две палуби облаци: дебела долна палуба и тънка по-ясна област.
Възможно е също така да има тънък слой водни облаци под амонячния слой, както се вижда от светкавици, открити в атмосферата на Юпитер, които биха били причинени от полярността на водата, създавайки разделянето на заряда, необходимо за мълния. Наблюденията на тези електрически разряди показват, че те могат да бъдат до хиляда пъти по-мощни от тези, наблюдавани тук на Земята.
Атмосфера на Сатурн:
Външната атмосфера на Сатурн съдържа 96,3% молекулен водород и 3,25 обемни хелия. Известно е също, че газовият гигант съдържа по-тежки елементи, въпреки че пропорциите на тези спрямо водорода и хелия не са известни. Предполага се, че те биха съответствали на изначалното изобилие от формирането на Слънчевата система.
В атмосферата на Сатурн също са открити следи от амоняк, ацетилен, етан, пропан, фосфин и метан. Горните облаци са съставени от амонячни кристали, докато долните ниски облаци изглежда се състоят или от амониев хидросулфид (NH4SH) или вода. Ултравиолетовото лъчение от Слънцето предизвиква метализа на метан в горната атмосфера, което води до серия от въглеводородни химични реакции, като получените продукти се пренасят надолу чрез вихри и дифузия.
Атмосферата на Сатурн проявява шарка, подобна на тази на Юпитер, но лентите на Сатурн са много по-бледи и по-широки близо до екватора. Както при облачните слоеве на Юпитер, те са разделени на горния и долния слой, които варират по състав въз основа на дълбочина и налягане. В горните облачни слоеве, с температура в диапазона 100–160 K и налягане между 0,5–2 бара, облаците се състоят от амонячен лед.
Облаците от воден лед започват на ниво, при което налягането е около 2,5 бара и се простират до 9,5 бара, където температурите варират от 185-270 K. В този слой се смесва лента от амониев хидросулфиден лед, разположена в диапазона на налягане 3–6 бар с температури от 290-235 K. Накрая, долните слоеве, при които налягането е между 10–20 бара и температурите са 270–330 К, съдържат водни капчици с амоняк във воден разтвор.
Понякога атмосферата на Сатурн проявява дълготрайни овали, подобни на обичайните за Юпитер. Докато Юпитер има Голямото червено петно, Сатурн периодично има онова, което е известно като Голямото бяло петно (известен още като Голям бял овал). Този уникален, но краткотраен феномен се появява веднъж на всяка сатурнова година, приблизително на всеки 30 земни години, около времето на лятното слънцестоене на северното полукълбо.
Тези петна могат да бъдат широки няколко хиляди километра и са наблюдавани през 1876, 1903, 1933, 1960 и 1990 г. От 2010 г. се наблюдава голяма лента от бели облаци, наречена Северно електростатично смущение, обгръщаща Сатурн, който е забелязан от космическата сонда на Касини Ако периодичният характер на тези бури се запази, през 2020 г. ще се появи друга.
Ветровете на Сатурн са вторият най-бърз сред планетите на Слънчевата система, след Нептун. Данните от Voyager показват върхови източни ветрове от 500 m / s (1800 km / h). Северният и южният полюс на Сатурн също показаха доказателства за бурно време. На северния полюс това има формата на шестоъгълна вълнова схема, докато на южната има данни за масивна струя.
Продължаващата шестоъгълна вълнова схема около северния полюс беше забелязана за първи път в пътник изображения. Страните на шестоъгълника са дълги около 8 800 мили (което е по-дълго от диаметъра на Земята) и структурата се върти с период от 10h 39m 24s, което се приема, че е равно на периода на въртене на Интериор на Сатурн.
Междувременно, вихърът на южния полюс беше наблюдаван за първи път с помощта на космическия телескоп Хъбъл. Тези изображения показват наличието на струен поток, но не и шестоъгълна стояща вълна. Смята се, че тези бури генерират ветрове с 550 км / ч, по размер са сравними с Земята и се смята, че продължават милиарди години. През 2006 г. космическата сонда Касини наблюдава урагана, подобна на буря, която има ясно определено око. Такива бури не са били наблюдавани на никоя друга планета освен на Земята - дори и на Юпитер.
Атмосфера на Уран:
Както при Земята, атмосферата на Уран се разгражда на слоеве, в зависимост от температурата и налягането. Подобно на другите газови гиганти, планетата няма твърда повърхност и учените определят повърхността като регион, в който атмосферното налягане надвишава един бар (налягането, установено на Земята на морско равнище). Всичко, достъпно за способността за дистанционно наблюдение - което се простира до около 300 км под нивото от 1 бар - също се счита за атмосферата.
Използвайки тези референтни точки, атмосферата на Уран може да бъде разделена на три слоя. Първият е тропосферата между височините от -300 км под повърхността и 50 км над нея, където наляганията варират от 100 до 0,1 бара (10 MPa до 10 kPa). Вторият слой е стратосферата, която достига между 50 и 4000 км и изпитва налягане между 0,1 и 10-10 bar (10 kPa до 10 µPa).
Тропосферата е най-плътният слой в атмосферата на Уран. Тук температурата варира от 320 K (46,85 ° C / 116 ° F) в основата (-300 km) до 53 K (-220 ° C / -364 ° F) на 50 km, като горният район е най-студеният в слънчевата система. Районът на тропопаузата е отговорен за огромното мнозинство от термичните инфрачервени емисии на Уран, като по този начин определя ефективната му температура от 59,1 ± 0,3 К.
Вътре в тропосферата има слоеве облаци - водни облаци с най-ниско налягане, с амониеви хидросулфидни облаци над тях. Следват облаците от амоняк и сероводород. Накрая на върха лежеха тънки метанови облаци.
В стратосферата температурите варират от 53 K (-220 ° C / -364 ° F) на горното ниво до между 800 и 850 K (527 - 577 ° C / 980 - 1070 ° F) в основата на термосферата, т.е. благодарение до голяма степен на отоплението, причинено от слънчевата радиация. Стратосферата съдържа етан смог, който може да допринесе за скучния вид на планетата. Ацетиленът и метанът също присъстват и тези мъгла помагат за затоплянето на стратосферата.
Най-външният слой, термосферата и короната, се простират от 4 000 км до височина до 50 000 км от повърхността. Този регион има еднаква температура от 800-850 (577 ° C / 1,070 ° F), въпреки че учените не са сигурни в причината. Тъй като разстоянието до Уран от Слънцето е толкова голямо, количеството погълната слънчева светлина не може да бъде основната причина.
Подобно на Юпитер и Сатурн, времето на Уран следва подобен модел, при който системите се разделят на ленти, които се въртят около планетата, които се задвижват от вътрешна топлина, издигаща се до горната атмосфера. В резултат на това ветровете на Уран могат да достигнат до 900 км / ч (560 мили / ч), създавайки масивни бури като тази, забелязана от космическия телескоп Хъбъл през 2012 г. Подобно на Голямото червено петно на Юпитер, това „Тъмно петно“ беше гигант облачен вихър, който измерва 1700 километра на 3 000 километра (1100 мили от 1 900 мили).
Атмосфера на Нептун:
На голяма надморска височина атмосферата на Нептун е 80% водород и 19% хелий, с следи от количество метан. Както при Уран, това поглъщане на червена светлина от атмосферния метан е част от това, което придава на Нептун синия нюанс, въпреки че Нептун е по-тъмен и по-жив. Тъй като съдържанието на метан в Нептун е подобно на това на Уран, се смята, че някой неизвестен компонент допринася за по-интензивното оцветяване на Нептун.
Атмосферата на Нептун е разделена на два основни региона: долната тропосфера (където температурата намалява с надморската височина) и стратосферата (където температурата се увеличава с надморската височина). Границата между двете, тропопаузата, се намира при налягане от 0,1 бара (10 kPa). След това стратосферата отстъпва на термосферата при налягане, по-ниско от 10-5 до 10-4 микробар (1 до 10 Па), който постепенно преминава към екзосферата.
Спектрите на Нептун предполагат, че долната му стратосфера е мъглява поради кондензация на продукти, причинена от взаимодействието на ултравиолетовото лъчение и метана (т.е. фотолиза), което произвежда съединения като етан и етин. Стратосферата също е дом за проследяване на количествата въглероден оксид и циановодород, които са отговорни за това, че стратосферата на Нептун е по-топла от тази на Уран.
По причини, които остават неясни, термосферата на планетата изпитва необичайно високи температури от около 750 K (476.85 ° C / 890 ° F). Планетата е твърде далеч от Слънцето, за да може тази топлина да се генерира от ултравиолетово лъчение, което означава, че е включен друг механизъм за нагряване - което може да бъде взаимодействието на атмосферата с йони в магнитното поле на планетата или гравитационните вълни от вътрешността на планетата, които се разсейват в атмосферата.
Тъй като Нептун не е твърдо тяло, неговата атмосфера претърпява диференциално въртене. Широката екваториална зона се върти с период от около 18 часа, което е по-бавно от 16,1-часовото въртене на магнитното поле на планетата. За разлика от тях, обратното е вярно за полярните региони, където периодът на въртене е 12 часа.
Това диференциално въртене е най-силно изразено от всяка планета в Слънчевата система и води до силен широт на срязване на вятъра и бурни бури. Трите най-впечатляващи бяха всички забелязани през 1989 г. от космическата сонда Voyager 2, а след това наречени въз основа на техните изяви.
Първата бе забелязана масивна антициклонична буря с размери 13 000 х 6 600 км и наподобяваща Голямото червено петно на Юпитер. Известна като Голямото тъмно петно, тази буря не беше забелязана пет по-късно (2 ноември 1994 г.), когато космическият телескоп Хъбъл го потърси. Вместо това в северното полукълбо на планетата беше открита нова буря, която беше много подобна на външен вид, което предполага, че тези бури имат по-кратка продължителност на живота от тази на Юпитер.
Скутерът е друга буря, бяла облачна група, разположена по-на юг от Голямото тъмно петно - прякор, който за пръв път възниква през месеците, водещи до Вояджър 2 среща през 1989 г. Малката тъмна точка, южна циклонова буря, беше втората най-интензивна буря, наблюдавана по време на срещата от 1989 г. Първоначално беше напълно тъмно; но като Вояджър 2 се приближи до планетата, развито ярко ядро и може да се види в повечето изображения с най-висока резолюция.
Накратко, всички планети от нашата Слънчева система имат атмосфера на вид. И в сравнение със сравнително меката и плътна атмосфера на Земята, те управляват гамата между много много тънка до много гъста. Те също варират в температури от изключително горещи (като на Венера) до изключително студени студове.
А що се отнася до метеорологичните системи, нещата могат да бъдат еднакво екстремни, като планетата може да се похвали с времето или изобщо с интензивни циклонични и прашни бури, които поставят бурите тук на Земята в срам. И докато някои са изцяло враждебни към живота, както го познаваме, други може да можем да работим.
Имаме много интересни статии за планетарната атмосфера тук в Space Magazine. Например той е „Какво е атмосферата?“ И статии за атмосферата на Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун,
За повече информация относно атмосферата, разгледайте страниците на НАСА относно земните слоеве на атмосферата, въглеродния цикъл и как земната атмосфера се различава от космическата.
Astronomy Cast има епизод на източника на атмосферата.
