La razón por la cual la Tierra puede sostener la atmósfera a su alrededor es su gravedad. Cada objeto en el campo gravitacional de la Tierra experimenta una fuerza gravitacional debido a la Tierra, y cae hacia él. Para escapar de este campo gravitacional, la velocidad mínima requerida se conoce como la velocidad de escape, y se calcula por la relación
[matemáticas] v = \ sqrt {\ frac {2GM} {r}} [/ matemáticas]
Para la Tierra, este valor se calcula en [matemáticas] 11.2 Km / s [/ matemáticas]. Por lo tanto, cualquier objeto proyectado con una velocidad superior a [matemática] 1 [/ matemática] [matemática] 1.2 km / s [/ matemática] escapará de la gravedad de la Tierra.
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La atmósfera de la Tierra es una mezcla de gases. El aire como lo conocemos es el gas atmosférico que se compone de [matemáticas] 78% [/ matemáticas] Nitrógeno, [matemáticas] 21% [/ matemáticas] de oxígeno y [matemáticas] 0.039% [/ matemáticas] de CO2.
Ahora las moléculas de estos gases están en constante movimiento térmico. Estas moléculas de gas poseen una velocidad, que es directamente proporcional a la temperatura. Matemáticamente, esta velocidad térmica se puede calcular mediante la relación [matemática] v = \ frac {3} {2} kT [/ matemática] donde [matemática] k [/ matemática] es la constante de Boltzmann. Esto resulta ser [matemáticas] 511 [/ matemáticas] m / s para Nitrógeno, que ocupa la mayor parte de la mezcla gaseosa. Como esta velocidad es mucho menor que la velocidad de escape de la Tierra, los gases permanecen limitados en la Tierra.
Ahora, recuerde que la velocidad de nuestras moléculas de 511 m / s (1676 pies / s) fue la velocidad promedio de una molécula de nitrógeno. Algunas moléculas de nitrógeno se mueven más lentamente, lo que significa que algunas se mueven más rápido. La distribución de las velocidades se puede representar gráficamente mediante la curva de Boltzmann-Maxwell:
En realidad, un pequeño porcentaje puede moverse a 11,179.365 m / s (36,677.7 pies / s) o más y podría escapar (aunque, como discutimos anteriormente, es probable que golpeen otras moléculas y transfieran parte de su energía cinética a esas moléculas, y Ve más despacio). Y de hecho lo vemos. Alrededor de 95,000 toneladas de hidrógeno logran escapar de nuestra atmósfera cada año. Pero no se preocupe demasiado, eso es solo el 0.00000000000017% del suministro de hidrógeno de la Tierra.
También existen otros mecanismos a través de los cuales la Tierra puede perder sus gases atmosféricos. Vamos a discutir algunos de ellos brevemente
- Mecanismo de intercambio de carga : la interacción entre los vientos solares y el campo magnético de la Tierra también desempeña un papel clave en el transporte de partículas atmosféricas al espacio exterior. Los iones en la atmósfera superior están atrapados por el campo magnético de la tierra y se mueven a lo largo de las líneas de fuerza magnéticas entre los polos terrestres. Cuando estos iones chocan con átomos neutros de los gases, pueden robar un electrón y volverse neutrales y escapar el campo magnético y, por lo tanto, la atmósfera de la tierra.
- Si un planeta tiene un campo magnético débil, como Marte, el viento solar puede eliminar una atmósfera a través de un proceso llamado pulverización catódica. Sin un campo magnético, el viento solar puede golpear la atmósfera del planeta directamente. Los iones de viento solar de alta energía pueden acelerar las partículas de la atmósfera a grandes altitudes a velocidades lo suficientemente grandes como para escapar.
