¿Por qué nuestra atmósfera no cae al suelo?

No soy geólogo ni meteorólogo, pero trataré de responderlo, sea lo que sea que tenga.

Como la gravedad funciona en todo en la Tierra, también en el aire, la masa de aire más densa TENDE a acumularse en la capa inferior y la más ligera en las capas superiores. Pero esta disposición está bajo el efecto de muchas fuerzas, gradiente de presión, gradiente térmico, por nombrar algunos. Estas fuerzas dominan más cerca de la superficie terrestre. Entonces, cuando estas fuerzas superan la gravedad, las masas de aire se mueven bajo su efecto, el movimiento puede ser vertical u horizontal. Debido a la diferencia de presión creada por la insolación térmica (radiaciones solares entrantes), el viento sopla de baja presión a alta presión. Nuestra atmósfera actúa como un gran contenedor y la superficie de la tierra como fuente de calor (porque la mayor parte del calor pasa a través de la atmósfera y es absorbida o reflejada por la superficie de la tierra), por lo que el aire cerca de la superficie se calienta más. Cuando hiervemos agua, el agua caliente sube de abajo hacia arriba, de manera similar el aire caliente con alta energía cinética sube desde la superficie como las corrientes de convección que causan movimientos hacia arriba. Mientras sube, se enfría adiabéticamente (sin cambios en la presión), por lo que la temperatura y el volumen caen y se vuelve más pesado y vuelve a bajar. Esta confusión tiene lugar en nuestra troposfera y en todos los demás fenómenos de meteorización. Por encima tenemos estratosfera, mesosfera, ionosfera y exosfera (o termosfera) que en su mayoría son tranquilas y la disposición de los gases no ha sido perturbada desde la formación de la atmósfera. Los gases eran gases de escape de la tierra caliente en un período temprano, los gases más ligeros subieron, los gases más pesados ​​y compuestos se hundieron en la capa inferior. Ahora creo que cuando se forman gases más ligeros, obtienen suficiente energía cinética para alcanzar las capas a las que pertenecen, tal vez en intentos sucesivos si no al principio. Por lo tanto, la gravedad actúa como una fuerza de unión y no permite que los gases escapen, pero cerca de la superficie terrestre hay muchos otros factores que gobiernan los movimientos del aire de manera prominente. Si ese movimiento se produce en capas superiores, creo que la gravedad podría no ser capaz de contener esos gases. Pero bueno, así es como nuestro sistema evoluciona y es estable.

Otros respondedores han cubierto la dinámica bastante bien, así que solo quería agregar una nota aquí sobre la mecánica estadística.

En ausencia de gravedad, se esperaría que la presión de un gas sea uniforme en toda una región. La razón de esto es la entropía. Hay más microestados para las moléculas de gas cuando se extienden de manera uniforme que cuando se concentran en un área.

¿Qué cambia cuando una fuerza gravitacional está presente? Esencialmente, esto: la energía total se conserva, por lo que tenemos que restringir nuestra consideración a los macroestados de una energía total dada. Entre estos, los que tienen el mayor número de microestados tienen más moléculas de gas cerca del fondo del contenedor. ¿Por qué? Bueno, porque cuantas más moléculas de gas tenga cerca del fondo del recipiente, menor será la energía potencial y, por lo tanto, mayor será la energía cinética. Más energía cinética significa más espacio de fase de impulso para las moléculas de gas. Por otro lado, si coloca demasiadas moléculas de gas en el fondo del contenedor, el espacio de fase de posición se vuelve más pequeño. El macroestado real con el mayor número de microestados está determinado por estos dos factores competitivos. Cuanto más fuerte es el campo gravitacional, más significativo es el efecto anterior (por lo que el “mejor” macroestado tiene un gradiente de presión más pronunciado).

La fuerza que empuja el gas lejos de la superficie es el movimiento térmico de las partículas. Las colisiones entre moléculas ejercen una presión constante contra las moléculas circundantes, aunque el movimiento neto de las moléculas es en general cero a partir del movimiento browniano solo. La gravedad de la Tierra agrega un componente hacia abajo a la velocidad neta de las partículas en el gas, de modo que en promedio caen más que hacia arriba, mientras que la cantidad que se mueve de lado a lado no se ve afectada. Esta es la razón por la cual el gas más alto tiene una presión más baja que el gas más bajo y por qué el aire tiene capas horizontales de la misma presión.

A medida que caen más partículas, se suman a la energía cinética de las capas inferiores, aumentando la temperatura por debajo (además de los rayos solares). Esto, por supuesto, ejerce una presión hacia arriba. El perfil de densidad actual de la atmósfera es el equilibrio entre el calor que separa el gas y la gravedad que lo empuja hacia abajo.

Si la tierra estuviera lo suficientemente lejos del sol, no habría suficiente calor para mantener el gas expandido lejos de la superficie, y se congelaría en nieve y caería al suelo (Esto ha sucedido en Marte), y si estuviera mucho más cerca, la atmósfera se calentaría tanto que escaparía por completo de la gravedad de la Tierra (esto ha sucedido en Mercurio). Además, si la Tierra tuviera suficiente gravedad y suministros de gas, la atmósfera se calentaría solo por contracción gravitacional y evitaría que se congele (hasta que irradie todo el calor).

De hecho, tanto Júpiter como Saturno producen suficiente calor de la contracción gravitacional que, en conjunto, emiten tanta energía al espacio como la que reciben del sol (por cm cuadrado de superficie, creo que son aproximadamente 5 vatios). Para pagar este calentamiento, Júpiter se contrae aproximadamente 1 cm al año convirtiendo energía potencial gravitacional en calor. Sin el sol, en unos pocos miles de millones de años, Júpiter continuaría contrayéndose e irradiando todo su calor al espacio, terminando como una bola congelada de hidrógeno metálico.

Balance hidrostático. La compresión de la gravedad se equilibra mediante una fuerza de gradiente de presión.

Existe una fuerza de gradiente de presión cuando la presión difiere a través de una superficie. Dado que la atmósfera superior es menos densa que la atmósfera inferior, hay una aceleración de alta presión a baja presión. Sin oposición por la gravedad, esa aceleración se llevaría la atmósfera.

Porque tienen suficiente energía para mantenerlos separados. Las moléculas en el fondo chocan contra el suelo y rebotan. Luego siguen subiendo hasta que chocan contra otras moléculas, lo que empuja esas moléculas más arriba, que luego empujan a otras moléculas más arriba, y así sucesivamente. Todas las moléculas están en un estado de movimiento constante, debido a su temperatura, y ese movimiento hace que reboten continuamente y se separen.

Ahora, si la tierra se enfriara lo suficiente (si el sol se fue, por ejemplo). La atmósfera se contraería, cada vez más pequeña, hasta que los gases se convirtieran en líquidos y se acumularan en la superficie. Pero eso requeriría temperaturas de casi doscientos grados bajo cero. Mientras sea más cálido que eso, las moléculas de gas tienen suficiente energía para separarse entre sí.

Estoy de acuerdo con la parte de presión que contrarresta la gravedad, pero creo que hay otro factor importante en juego: la rotación de la Tierra sobre su eje y su movimiento alrededor del Sol.

Si observa agua en acción en una lavadora o líquido en una licuadora, notará que el material se empuja hacia las paredes del recipiente. Esto sucede debido a la fuerza centrífuga y en forma empírica viene dada por la relación:

[matemática] F = m \ omega ^ {2} r [/ matemática], donde [matemática] \ omega [/ matemática] es la velocidad angular de rotación yr es el radio o la distancia a la cual la partícula está desde el eje de rotación.

El radio de la Tierra es de 6400 km, una rotación completa dura aproximadamente 24 horas, esto da una velocidad angular de 7.27 x 10 ^ -5 rad / s

La masa de una molécula de nitrógeno, el gas más frecuente en la atmósfera es 4.65 x 10 ^ -23 kg

Así, la aceleración centrífuga experimentada por una molécula de nitrógeno al nivel del mar es: 0.34 m / s ^ 2

Esto es insignificante en comparación con la aceleración debida a la gravedad, g que es 9.8 m / s ^ 2

Sin embargo, al aumentar la altura, la aceleración centrífuga aumenta mientras que g disminuye. Los alcances superiores de la atmósfera tienen vientos de alta velocidad. La Tierra pierde mucho helio cada año, un gas muy ligero e inerte.

Fundamentalmente, la atmósfera está haciendo exactamente eso. Cada molécula está unida independientemente a la gravedad de la tierra, y está cayendo. Sin embargo, la gravedad es relativamente débil en comparación con las otras fuerzas, y las otras fuerzas son lo suficientemente fuertes como para contrarrestar esos efectos.

La fuerza electromagnética hace que las moléculas se empujen unas contra otras y se extiendan en una capa uniforme. Si la gravedad fuera más fuerte que esta fuerza electromagnética, entonces la atmósfera se comprimiría hasta el suelo (y también el suelo se comprimiría hasta el núcleo, y entonces el núcleo probablemente se reduciría a su radio de agujero negro y tendríamos un agujero negro )

Pero no lo es, así que no lo hace.

La fuerza gravitacional que actúa sobre un cuerpo está dada por

F = (G * m1 * m2) / d ^ 2

Donde m1, m2 son las masas de dos cuerpos, G es una constante gravitacional y d es la distancia entre los dos cuerpos.

Sabemos que la masa de partículas de aire es muy inferior y, como resultado, la fuerza gravitacional que actúa sobre las partículas de aire es muy inferior en comparación con la fuerza ejercida sobre objetos más pesados ​​por la tierra. Pero la fuerza es lo suficientemente alta como para crear una atmósfera alrededor de la superficie terrestre. Por lo tanto, las partículas de aire no son arrastradas hacia el suelo.

Nuestra atmósfera, de hecho, cayó al suelo. Eso es precisamente donde está.

Sin embargo, las moléculas individuales continúan rebotando entre sí, manteniendo cierta distancia promedio entre ellas, dependiendo de la temperatura y la presión.

He reflexionado sobre esto durante mucho tiempo y todavía no tengo una respuesta completa, pero le daré algunas de las cosas que he concluido.

No se puede pensar en la atmósfera como un montón de rocas que simplemente caerían al suelo y se quedarían allí. Están mucho más cerca de las pelotas de goma. En otras palabras, sus colisiones con la tierra son mucho más elásticas que inelásticas. Una vez que imaginas la atmósfera como un montón de pelotas de goma, comienza a ser más claro por qué no caerían a la tierra y se sentarían allí.

Por supuesto, las partículas individuales no solo caen durante varios kilómetros y luego rebotan a varios kilómetros de altura. Es más exacto decir que las bolas superiores caen hasta que golpean algunas bolas debajo de ellas, luego esas bolas caen hasta que chocan con otras bolas.

Y luego está el hecho de que no estamos hablando de bolas de una pulgada de diámetro. Estamos hablando de bolas sub-nanométricas que son fácilmente “arrastradas” por corrientes masivas de otras bolas.

Finalmente, debes considerar que estas bolas intercambian constantemente energía cinética con su entorno. incluso una pelota de goma rebotará más y más y más hasta que se detenga, pero a nivel molecular, esto realmente no sucede. No solo nunca descansan realmente, sino que a menudo comienzan a rebotar más y más alto si el suelo está caliente.

Esto sucede todo el tiempo. Constantemente. La luz que golpea la tierra lo calienta. Los rayos del sol calientan una vereda calurosa de verano. ¡Las moléculas que “rebotan” no solo no se están desacelerando, sino que también están aceleradas por la acera caliente! Luego comienzan a transferir su energía térmica a las moléculas que ni siquiera tocan la acera.

En el otro extremo de la atmósfera, algunas de estas bolas se aceleran cuando absorben ciertos tipos de luz solar y, por lo tanto, van lo suficientemente rápido como para superar los efectos de la gravedad únicamente de la energía del sol.

Lo hace, hasta cierto punto. Como otros dijeron, la gravedad es lo que evita que el aire escape al espacio. La presión es lo que evita que todo el aire se asiente en una capa gruesa con el vacío del espacio por encima.

En la cima del Monte Everest, hay (aproximadamente) el 25% del oxígeno en volumen como lo está al nivel del mar. Eso es porque el aire es menos denso. La densidad del aire disminuye gradualmente a medida que aumenta la altitud.

El agua no es compresible pero el aire sí. Es por eso que es más denso al nivel del mar y mucho menos denso más arriba.

Parte de esto ocurre cada vez que llueve, cuando el vapor de agua (que es ligeramente más ligero que el nitrógeno o el oxígeno) se condensa en líquido.

La gravedad atrae toda la materia. Cuanto más densa es la materia, más fuerza aplica y más baja se hunde, como una roca en una piscina o gotas de lluvia.

El calentamiento (al decir que el sol calienta el suelo) hace que las moléculas de aire se muevan más y ocupen más espacio, por lo que pierden densidad y se elevan, donde se enfrían. Esto hace que se condense un poco de agua (nubes) o mucha (lluvia).

Esto se debe a que la atmósfera es cálida, por lo que las moléculas de gas que forman la atmósfera tienen energía de movimiento y chocan y rebotan entre sí (y el suelo y el mar) y generan presión que expande la atmósfera. Si la atmósfera fuera más fría, ocuparía menos volumen y sería menos capaz de resistir la gravedad y reducirse hacia el suelo.

Primero: las “partículas de aire” no son una cosa. El aire es una mezcla de nitrógeno, oxígeno, argón, dióxido de carbono y trazas de otras cosas (vapor de agua y pedos, principalmente).

El aire es arrastrado hacia el suelo, por eso tenemos una atmósfera. Sin embargo, a los gases no les gusta ser comprimidos y ejercen presión para resistir esa compresión (la cantidad de presión depende de su temperatura). La atmósfera de la Tierra está en un equilibrio entre la atracción gravitacional de la Tierra sobre los gases en el aire y la tendencia del gas a retroceder contra esa atracción debido a la energía térmica que contiene.

Si la Tierra tuviera más masa (y, por lo tanto, una gravedad más fuerte), nuestra atmósfera sería más densa y terminaría a una altitud más baja. Llevando eso al extremo, si la gravedad de la Tierra fuera enormemente mayor, entonces nuestra atmósfera estaría bajo tal presión que se condensaría en un líquido (la alta presión hace que los gases se condensen incluso si la temperatura no cambia)

Lo entiendo, ¿por qué la gravedad no arrastra todo el aire al suelo? No lo hace porque todas las moléculas y átomos en el aire tienen una energía de movimiento, la misma energía que causa presión. Esta energía cinética hace que las partículas se muevan en todas las direcciones con una fuerza que, en promedio, supera la gravedad. Está relacionado con la temperatura, y si el aire estuviera lo suficientemente frío, dejaría de moverse de esa manera y se congelaría y caería al suelo. De hecho, en invierno, las moléculas de agua hacen exactamente eso y tenemos nieve, Santa y peleas de bolas de nieve. No tengo claro dónde encajan los duendes mágicos en todo esto, pero sé que no se congelan y caen al suelo, por lo que deben ser antigravitacionales.

La energía cinética más alta de una porción del número total de moléculas de O2 y N2 y la energía cinética generalmente más alta de las moléculas más ligeras como el H2.

Si no fuera por la gravedad, los gases atmosféricos habrían escapado por mucho tiempo al espacio exterior. La gravedad de la luna es tan pequeña que toda su atmósfera se ha escapado.

Digamos que sucede por un tiempo … Ahora, cuando las moléculas de gas comienzan a caer, la presión sobre la superficie aumenta y la fuerza sobre las moléculas de gas debido a repulsiones mutuas excede la de la gravedad … Por lo tanto, algunas de las moléculas serán empujadas hacia adentro. dirección ascendente (generalmente las más ligeras) … En ningún momento, la atmósfera cambiará su estado inicial de equilibrio … Ahora, sabemos que la gravedad varía con la altura, por lo que la densidad varía …

La gravedad mantiene la atmósfera unida. Es un gas En realidad, una mezcla de varios gases, así que, tal como dijo Mick Jaggar sobre Jack Flash, es un … Considere las propiedades de materia de un gas. El aire volaría al espacio sin gravedad.