大気圏脱出

古典的な熱脱出メカニズムの 1 つはジーンズ脱出^{[ 1 ]}であり、この大気損失のプロセスを最初に記述した英国の天文学者サー・ジェームズ・ジーンズにちなんで名付けられました。 ^{[ 2 ]}一定量のガスでは、任意の分子の平均速度はガスの温度によって測定されますが、個々の分子の速度は互いに衝突し、運動エネルギーを獲得したり失ったりするにつれて変化します。分子間の運動エネルギーの変動は、マクスウェル分布によって記述されます。運動エネルギー (${\displaystyle E_{kin}}$）、 質量 （${\displaystyle m}$）、速度（${\displaystyle v}$分子の ) は、${\displaystyle E_{\mathit {kin}}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$分布のハイテール（平均速度よりもはるかに速い粒子が少数存在する領域）にある個々の分子は、別の衝突を受ける前に脱出できれば、脱出速度に達して大気圏を離れる可能性がある。これは主に外気圏で起こり、そこでは平均自由行程の長さが圧力スケールハイトと同程度である。脱出できる粒子の数は、外気圏底における分子濃度に依存し、これは熱圏を通る拡散によって制限される。

ジーンズ脱出の相対的な重要性に大きく影響する要因は3つあります。分子の質量、惑星の脱出速度、そして主星からの放射による上層大気の加熱です。重い分子は、同じ温度では軽い分子よりも動きが遅いため、脱出しにくくなります。これが、水素が二酸化炭素よりも大気から脱出しやすい理由です。次に、質量の大きい惑星は重力も大きいため、脱出速度が大きくなり、脱出に必要なエネルギーを得る粒子が少なくなります。これが、巨大ガス惑星が依然として大量の水素を保持し、地球の大気からより容易に脱出する理由です。最後に、惑星が恒星からどれだけ離れているかも影響します。恒星に近い惑星は、大気の温度が高く、速度も速いため、脱出の可能性が高くなります。遠い天体は、大気の温度が低く、速度も遅いため、脱出の可能性が低くなります。

高圧・高温の大気も流体力学的脱出を起こすことがある。この場合、通常は極端紫外線放射による大量の熱エネルギーが大気に吸収される。分子が加熱されると、上方に膨張し、脱出速度に達するまでさらに加速される。この過程で、より軽い分子が衝突によってより重い分子を引きずり込み、大量のガスが脱出する。^{[ 3 ]}流体力学的脱出は、ホットジュピターHD 209458 bを含む、主星に近い系外惑星で観測されている。^{[ 4 ]}

上層大気では、高エネルギーの紫外線光子が分子とより容易に反応します。光解離は分子をより小さな構成要素に分解し、それらの構成要素が脱出するのに十分なエネルギーを与えます。光電離はイオンを生成し、それらは惑星の磁気圏に捕捉されるか、解離再結合を起こす可能性があります。前者の場合、これらのイオンは以下に説明する脱出メカニズムを経る可能性があります。後者の場合、イオンは電子と再結合してエネルギーを放出し、脱出することができます。^{[ 5 ]}

太陽風からの過剰な運動エネルギーは、固体表面からのスパッタリングと同様に、大気粒子を放出するのに十分なエネルギーを与えることができる。この種の相互作用は、惑星の磁気圏がない場合に顕著になる。これは、帯電した太陽風が磁場によって偏向され、大気の損失が軽減されるためである。^{[ 6 ]}

太陽風や磁気圏のイオンは、上層大気の分子と電荷交換を行うことができる。高速で移動するイオンは、低速の大気中性粒子から電子を捕獲し、高速の中性粒子と低速のイオンを生成する。低速のイオンは磁力線に捕捉されるが、高速の中性粒子は脱出することができる。^{[ 5 ]}

磁気圏を持つ惑星では、極風によって大気分子が極域から脱出することもあります。磁気圏の極付近では磁力線が開いており、大気中のイオンが宇宙空間へ放出される経路ができます。両極性電場は電離層内のイオンを加速し、これらの磁力線に沿って放出します。^{[ 8 ] [ 9 ]}

地球の大気からの水素の流出は、電荷交換による流出（約60～90%）、ジーンズによる流出（約10～40%）、極風による流出（約10～15%）によるもので、現在、約3  kg/sの水素が失われている。^{[ 1 ]}地球はさらに、 主に極風による流出によって約50 g/sのヘリウムを失っている。他の大気成分の流出ははるかに少ない。^{[ 1 ]} 2017年に日本の研究チームが、地球から来た少量の酸素イオンが月に存在する証拠を発見した。^{[ 11 ]}

10 億年後には太陽の明るさが10%増し、地球の大気は十分に高温になり、太陽の紫外線によってH₂Oが分解され_、徐々に宇宙空間に逃げていき、最終的に海は干上がってしまうだろう。^{[ 12 ]： 159}

最近のモデルによると、金星の水素の脱出は、主に光化学反応と太陽風との電荷交換といった超熱的メカニズムによるものがほとんどです。酸素の脱出は、電荷交換とスパッタリングによる脱出が支配的です。^{[ 13 ]}金星探査機Venus Expressは、コロナ質量放出が金星の大気脱出率に及ぼす影響を測定し、研究者らは、コロナ質量放出が増加した期間には、穏やかな宇宙天気と比較して脱出率が1.9倍増加することを発見しました。^{[ 14 ]}

原始火星も複数の小規模衝突侵食イベントの累積的な影響を受けており、^{[ 15 ]} MAVENによる最近の観測では、火星大気中の^36Arの66%が過去40 億年の間に超熱的脱出によって失われ、同じ期間に失われたCO2の量は0.5バール以上であること_が示唆されて いる。^{[ 16 ]}

MAVENミッションでは、火星の大気散逸の現在の速度も調査されています。ジーンズ散逸は、火星における水素の継続的な散逸において重要な役割を果たしており、160～1800  g/s の範囲で変動する損失率に寄与しています。^{[ 17 ]}水素のジーンズ散逸は、重力波、対流、砂嵐などの下層大気プロセスによって大きく変調される可能性があります。^{[ 18 ]}酸素の損失は、超熱的方法によって支配されています。光化学（約1300  g/s）、電荷交換（約130  g/s）、スパッタリング（約80  g/s）散逸を合わせると、合計損失率は約1500  g/sになります。炭素や窒素などの他の重原子は、主に光化学反応と太陽風との相互作用によって失われます。^{[ 1 ] [ 13 ]}

土星の衛星タイタンと木星の衛星イオは、大気を持ち、大気の消失過程の影響を受けます。これらの衛星は独自の磁場を持っていませんが、強力な磁場を持つ惑星の周りを公転しており、軌道がバウショック内にあるときは太陽風から保護されています。しかし、タイタンは公転周期のおよそ半分をバウショックの外で過ごし、遮るもののない太陽風にさらされます。太陽風に伴うピックアップとスパッタリングによって得られる運動エネルギーは、タイタンの軌道全体で熱脱出を増加させ、中性水素を脱出させます。 ^{[ 19 ]}脱出した水素はタイタンの軌跡に沿って軌道を維持し、土星の周りに中性水素トーラスを形成します。木星の周りを公転するイオは、プラズマ雲に遭遇します。^{[ 20 ]}プラズマ雲との相互作用によりスパッタリングが誘発され、ナトリウム粒子が飛び出します。この相互作用により、イオの軌道の一部に沿って静止したバナナ型の帯電ナトリウム雲が生成されます。