流体力学的脱出

大気科学において、流体力学的脱出とは、惑星の大気中のより重い原子がより軽い原子と何度も衝突することによって脱出を引き起こす熱的な大気脱出メカニズムを指します。

流体力学的脱出は、軽い原子が熱によって大気圏から強く脱出し、抗力効果（衝突）によって重い原子も追い出される場合に発生します。^{[1]この方法で除去できる最も重い原子種は}クロスオーバー質量と呼ばれます。^[2]

大きな流体力学的脱出を維持するためには、ある高度に大きなエネルギー源が必要です。 軟X線や極端紫外線、衝突する流星体や小惑星からの運動量の移動、または惑星集積過程からの熱入力^[3]が、流体力学的脱出に必要なエネルギーを供給する可能性があります。

流体力学的脱出速度の推定は、惑星の大気の歴史と現在の状態の両方を分析する上で重要です。1981年にワトソンらは、すべての入ってくるエネルギーが宇宙への脱出によってバランスされる、エネルギー制限脱出を説明する計算を発表しました^[4]。最近の太陽系外惑星の数値シミュレーションでは、この計算は流体力学的フラックスを20〜100倍過大評価していることが示唆されています^[30] 。ただし、大気脱出の特殊なケースと上限近似として、ここで注目する価値があります。

エネルギー制限脱出時の流体力学的脱出フラックス（Φ、[m ^-2 s ^{-1 ]）は、（1）大気が非}粘性、（2）一定分子量のガスで構成され、（3）等方性圧力、（4）固定温度、（5）完全な極端紫外線（XUV）吸収、および（6）惑星からの距離が増加するにつれて圧力がゼロに減少することを仮定して計算できます。^[4]

${\displaystyle \Phi ={\frac {F_{\mathrm {XUV} }R_{p}R_{\mathrm {XUV} }^{2}}{GM_{p}}}}$

ここで（SI単位系）：

• F _{XUV は}対象波長における光子束 [J m ^-2 s ^-1 ]であり
• R _pは惑星の半径[m]、
• Gは重力定数[ms ^-2 ]、
• M _pは惑星の質量 [kg]、
• R _{XUV は}XUV吸収が起こる有効半径[m]です。

このモデルには、惑星のロッシュローブと光子束の吸収効率を考慮するための修正が長年にわたって提案されてきた。 ^{[5] [6] [7]}

しかし、計算能力が向上するにつれて、放射伝達、光化学、流体力学を組み込んだ、より洗練されたモデルが登場し、流体力学的逃避をより正確に推定できるようになりました。^[8]

原子種の 二乗平均熱速度（v _{th ）は}

${\displaystyle v_{\mathrm {th} }={\sqrt {\frac {3kT}{m}}}$

ここで、kはボルツマン定数、Tは温度、m は物質の質量です。したがって、同じ温度では、より軽い分子や原子はより重い分子や原子よりも速く動きます。これが、原子状水素が大気から優先的に逃げる理由であり、大気粒子のより軽い同位体とより重い同位体の比率が流体力学的逃げを示すことができる理由でもあります。

具体的には、さまざまな希ガス同位体の比率 ( ²⁰ Ne / ²² Ne、³⁶ Ar / ³⁸ Ar、^{78、80、82、83、86} Kr / ⁸⁴ Kr、^{124、126、128、129、131、132、134、136} Xe / ¹³⁰ Xe) または水素同位体の比率( D /H) を太陽レベルと比較することで、大気の進化における流体力学的脱出の可能性を示すことができます。太陽や、太陽の代理として使用されるCI コンドライトと比較して比率が大きいか小さいかは、惑星の形成以来、かなりの流体力学的脱出が発生していることを示しています。より軽い原子が優先的に脱出するため、表に示すように、希ガス同位体の比率が小さいほど (または D/H が大きいほど)、流体力学的脱出の可能性が高いと予想されます。

これらの比率を一致させることは、大気の進化を記述しようとする計算モデルの検証や確認にも使用できます。この方法は、初期の大気中の水素に対する酸素の放出を決定するためにも使用されています。^[10]

ホット・ジュピターのような、親星に極めて近い太陽系外惑星は、かなりの流体力学的脱出を経験する可能性があり^{[11] [12]、}その時点で星は大気を「燃やし尽くし」、惑星はガス惑星ではなくなり、核だけが残ります。その時点で、それらはクトニアン惑星と呼ばれます。ホット・ジュピター HD 209458bなど、主星に近い太陽系外惑星では流体力学的脱出が観測されています。[ ^13]

恒星の寿命の中で、太陽放射量は変化する可能性がある。若い恒星はより多くの極端紫外線を放出し、地球、火星、金星の初期の原始大気は流体力学的に脱出した可能性があり、これが大気中に存在する希ガス同位体分別を説明できる。^[14]