¿Qué hace que el hidrógeno y el helio y los átomos huyan de la atmósfera de la Tierra y no se vean obligados por la gravedad lo suficiente como para mantenerse abajo?

Es más complicado de lo que parece: tanto el escape de alta velocidad de elementos de luz neutra como varios procesos que involucran átomos ionizados (cargados) están en juego. Discutiré el caso del helio porque

1. Sabemos la tasa de liberación de helio a la atmósfera porque todo el helio en la tierra proviene de la desintegración radiactiva de uranio y torio. Por lo tanto, cuando los científicos tienen más limitaciones cuando consideran qué procesos de escape tienen lugar para producir la concentración de helio en nuestra atmósfera.
2. Tengo un papel muy bonito frente a mí, que menciona varios mecanismos para el escape de helio (escape de helio de la atmósfera de la Tierra: el mecanismo de intercambio de carga revisado).

Otros ya han discutido cómo los elementos de luz neutra pueden escapar de la atmósfera siendo lo suficientemente rápidos. A una temperatura dada, las moléculas de gas obedecen a una distribución de velocidad de Maxwell-Boltzmann, de modo que una pequeña fracción es mucho más rápida que la media. Los átomos ligeros tienen una mayor velocidad de máxima probabilidad y una distribución ‘más gorda’ con una mayor cola de velocidad rápida (ver imagen a continuación). Para comparar las velocidades en el siguiente gráfico, la velocidad de escape de la Tierra es independiente de la masa de partículas y varía de 11.2 a 7.1 km / s (dependiendo de la altitud), por lo que una pequeña fracción infinitesimal de átomos de helio tiene suficiente velocidad (el gráfico a continuación ni siquiera muestra esta cola extrema).
Distribuciones de probabilidad de Maxwell-Boltzmann a temperatura ambiente (300K) para gases con diferentes masas atómicas. Tenga en cuenta que hay un gradiente de temperatura en la atmósfera, con una temperatura que disminuye a medida que sube. Fuente de la imagen: distribución de Maxwell-Boltzmann .

Resulta que los átomos de helio que escapan al exceder la velocidad de escape no pueden explicar la concentración de helio en la atmósfera. Se estima que el flujo de helio que se libera a la atmósfera desde la corteza terrestre (en base a los tiempos de desintegración radiactiva del uranio-238 y el torio y la difusión a través del material de la corteza) es [matemático] \ aproximadamente 1 \ por 10 ^ 6 cm ^ {- 2} s ^ {- 1} [/ matemáticas] [1]. Sin embargo, el flujo de átomos de helio neutros que escapan térmicamente es [matemática] \ aprox. 4 \ por 10 ^ 3 cm ^ {- 2} s ^ {- 1} [/ matemática] –tres órdenes de magnitud. Si esto fuera lo único que sucedería, tendríamos una tonelada de helio en nuestra atmósfera. Pero desafortunadamente no lo hacemos, por lo que se deben considerar otros procesos de escape, muchos que involucran iones de helio cargados. Los átomos neutros pueden cargarse después de encontrar suficiente luz UV de alta energía del sol o de encontrar otros átomos cargados. Algunos de los procesos de escape mencionados en la Ref. [1] son:

1. Aceleración de [matemáticas] He ^ + [/ matemáticas] por campos eléctricos (de origen no especificado). Pueden acelerarse para escapar de la velocidad, o pueden neutralizarse y luego cargarse nuevamente y completar el escape paso a paso.
2. “Pening Ionization”: [matemáticas] He_ {metaestable} 2 ^ 3S + O \ rightarrow He + O ^ + + e + 6.2 eV [/ matemáticas]
   Si una fracción significativa del exceso de energía entra en la energía cinética del helio, puede escapar de la atmósfera, porque la velocidad de escape es de 2.5 eV (eV o electronvoltio es una unidad de energía dada por julios / carga de electrones)
3. Expulsión de [matemáticas] He ^ + [/ matemáticas] a través del viento polar
4. Interacciones de intercambio de carga exotérmica como [matemáticas] He ^ + + N_2 \ rightarrow He + N_2 ^ + + 9 eV [/ matemáticas]
   con el mismo argumento que (2) con respecto a que recibe una patada por el exceso de energía

El autor de la ref. [1] defiende el último mecanismo, pero imagino que este sigue siendo un tema de investigación ayudado por la mejora de la información de los satélites y los globos meteorológicos de gran altitud.

tl; dr: el escape térmico no tiene en cuenta la concentración de helio en la atmósfera, y otros mecanismos más complicados juegan un papel importante. Los mismos argumentos son válidos para el hidrógeno, pero los procesos específicos a considerar pueden ser diferentes.

[1] O. Lie-Svendsen y col . Ciencia planetaria y espacial . 40 p1639 (1992)

El escape atmosférico es la pérdida de gases atmosféricos planetarios en el espacio exterior.

Nuestra atmósfera existe debido a la gravedad. Los gases más ligeros, como el hidrógeno (el más ligero) pueden escapar de la gravedad de la Tierra y, por lo tanto, salir al espacio.

Como ya sabemos que el gas no tiene ninguna forma, ocupa la forma del contenedor y se extiende al azar dentro de un contenedor.

Y como en nuestra condición, no hay un contenedor que contenga gas de hidrógeno y no hay suficiente fuerza gravitacional, por lo tanto, el hidrógeno escapa ……

Pero espera !!!

La velocidad de escape del planeta Tierra es de 11,2 km / segundo o 40.320 km / hora .

Y la velocidad de escape es la velocidad más baja que debe tener un cuerpo para escapar de la atracción gravitacional de un planeta u otro objeto en particular.

Y como sabemos que incluso cada molécula presente en un gas tiene algo de energía y viaja al azar a altas velocidades …

En una cantidad de gas, la velocidad promedio de una molécula está determinada por la temperatura, pero la velocidad de las moléculas individuales cambia a medida que chocan entre sí, ganando y perdiendo energía cinética.

Según las declaraciones anteriores, podemos establecer claramente que todos los gases tienen energía cinética.

Así que aquí está la ecuación de la energía cinética.
Donde m es la masa
Y v es la velocidad.

Maxwell y Boltzmann dedujeron que la energía cinética media es proporcional a T. Esta afirmación generalmente se escribe

1/2 mv ^ 2 = 3/2 kT

Y aquí T es temperatura
Y
k es una constante fundamental llamada la constante de Boltzmann, que tiene el pequeño valor de 1.38 × 10-23 julios por Kelvin.

Entonces, con el aumento de T, aumenta la energía cinética y con el aumento de la energía cinética, aumenta la velocidad.

Como ejemplo, considere el aire que lo rodea.
¿Cuál es la velocidad típica de una molécula?

Supongamos que estamos tratando con nitrógeno, ya que la mayoría del aire está compuesto de nitrógeno. Una sola molécula de nitrógeno tiene una masa atómica. 28 veces la de un átomo de hidrógeno

o 4.68 × 10-26 kilogramos.

Suponga que el aire es de 20 ° C o 293 K. Podemos reorganizar la ecuación anterior para resolver la velocidad

v = √ (3 kT / m)

Ahora conectamos los números. Si usamos las unidades correctas, la respuesta saldrá en metros por segundo.

¡El resultado es que v = √ (3 x 1.38 x 10-23 x 293) / 4.68 x 10-26 = 509 metros por segundo!

Suena como una velocidad increíblemente alta. Pero, por supuesto, la energía cinética de cada molécula es solo 3/2 kT = 3/2 x 1.38 x 10-23 x 293 = 6.1 x 10-21 Julios,

La velocidad que se calcula igualando la temperatura con la energía cinética es una velocidad típica o cercana a una velocidad promedio para las partículas en un gas.

Podemos usar la ecuación anterior para mostrar cómo la velocidad de una partícula de gas depende del tipo de partícula y la temperatura.

La velocidad de las partículas es proporcional a la raíz cuadrada inversa de la masa.

Entonces, ¿qué tan rápido se movería el hidrógeno a temperatura ambiente?

En este ejemplo, la temperatura es la misma y la masa cambia. Como una molécula de nitrógeno es 28 veces más masiva que un átomo de hidrógeno, el átomo de hidrógeno se movería √28 = 5.3 veces más rápido, o una velocidad de 509 x 5.3 = 2700 metros por segundo.

Como ya sabemos, la velocidad de escape de la Tierra es de 11,2 kilómetros por segundo.

Esto se aplica a cualquier objeto en movimiento, desde un cohete hasta un solo átomo.

Las moléculas de nitrógeno más rápidas viajarán 509 x 6 = 3050 metros por segundo o aproximadamente 3.1 kilómetros por segundo. Esto está muy por debajo de la velocidad de escape.

Sin embargo, el hidrógeno en la atmósfera de la Tierra se moverá tan rápido como 2700 x 6 = 16,200 metros por segundo o 16.2 kilómetros por segundo.

Esto está muy por encima de la velocidad de escape de la Tierra. Entonces, los átomos de hidrógeno más rápidos, los que están en la cola de la distribución, son lo suficientemente enérgicos como para superar el control de la gravedad.

Supongo que esta página de distribución de Maxwell abordaría su pregunta.

Pero me gustaría abordar un tema más amplio: un aparente malentendido de una fuerza de gravedad, tan común en Quora.

La gravedad no tiene interruptor de “encendido / apagado”. Es una tontería decir “no estar obligado por la gravedad”. Cada molécula de gas aquí está limitada por la gravedad de la Tierra. Más que eso, está limitado por la gravedad de la Tierra para siempre y en todas partes. Más que eso: ¡todo en nuestro universo dentro de nuestro cono de luz está limitado por la gravedad de la Tierra!

Las moléculas de gas rebotan continuamente con energía térmica. La velocidad con la que lo hacen es una dispersión, una curva de campana. Por lo tanto, la mayoría de las moléculas viajan a velocidades moderadas, pero unas pocas viajarán considerablemente más rápido. Las moléculas ligeras viajan más rápido que las pesadas: la energía se comparte por igual, lo que significa que tienen que viajar más rápido por la misma energía. Entonces, algunas moléculas de los gases más ligeros, hidrógeno y helio, ocasionalmente viajan lo suficientemente rápido como para escapar completamente del campo gravitacional de la Tierra.

Están unidos gravitacionalmente pero por razones termodinámicas logran la velocidad de escape. En un gas caliente, las moléculas se mueven muy rápido entre la colisión y las moléculas ligeras se mueven aún más rápido.