الهروب من الغلاف الجوي

إحدى آليات الهروب الحراري الكلاسيكية هي هروب جينز ، ^{[ 1 ]} نسبةً إلى عالم الفلك البريطاني السير جيمس جينز ، الذي وصف هذه العملية لفقدان الحرارة من الغلاف الجوي لأول مرة. ^{[ 2 ]} في كمية من الغاز ، تُقاس السرعة المتوسطة لأي جزيء بدرجة حرارة الغاز ، لكن سرعات الجزيئات الفردية تتغير عند تصادمها مع بعضها البعض، فتكتسب وتفقد طاقة حركية. ويُوصف التغير في الطاقة الحركية بين الجزيئات بتوزيع ماكسويل . الطاقة الحركية (${\displaystyle E_{kin}}$)، كتلة (${\displaystyle m}$) والسرعة (${\displaystyle v}$ترتبط ( ) الجزيء بـ${\displaystyle E_{\mathit {kin}}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$قد تصل الجزيئات الفردية في الجزء العلوي من التوزيع (حيث تمتلك بعض الجسيمات سرعات أعلى بكثير من المتوسط) إلى سرعة الإفلات وتغادر الغلاف الجوي، شريطة أن تتمكن من الإفلات قبل التعرض لاصطدام آخر؛ ويحدث هذا بشكل رئيسي في الغلاف الخارجي ، حيث يكون متوسط ​​المسار الحر مماثلاً في طوله لارتفاع مقياس الضغط . ويعتمد عدد الجسيمات القادرة على الإفلات على التركيز الجزيئي عند قاعدة الغلاف الخارجي ، والذي يحده الانتشار عبر الغلاف الحراري .

تُساهم ثلاثة عوامل بشكلٍ كبير في الأهمية النسبية لهروب جينز: كتلة الجزيء، وسرعة إفلات الكوكب، وتسخين الغلاف الجوي العلوي بفعل إشعاع النجم الأم. تقل احتمالية إفلات الجزيئات الأثقل لأنها تتحرك أبطأ من الجزيئات الأخف عند نفس درجة الحرارة. لهذا السبب، يهرب الهيدروجين من الغلاف الجوي بسهولة أكبر من ثاني أكسيد الكربون . ثانيًا، يميل الكوكب ذو الكتلة الأكبر إلى امتلاك جاذبية أكبر، وبالتالي تكون سرعة الإفلات أكبر، ويقل عدد الجسيمات التي تكتسب الطاقة اللازمة للإفلات. لهذا السبب، لا تزال الكواكب الغازية العملاقة تحتفظ بكميات كبيرة من الهيدروجين، الذي يهرب بسهولة أكبر من الغلاف الجوي للأرض . أخيرًا، تلعب المسافة التي يدور بها الكوكب حول نجمه دورًا أيضًا؛ فالكوكب القريب يتميز بغلاف جوي أكثر سخونة، وسرعات أعلى، وبالتالي احتمالية إفلات أكبر. أما الجسم البعيد فيتميز بغلاف جوي أكثر برودة، وسرعات أقل، وفرصة إفلات أقل.

يمكن للغلاف الجوي ذي الضغط والحرارة المرتفعين أن يخضع أيضًا للهروب الهيدروديناميكي. في هذه الحالة، يمتص الغلاف الجوي كمية كبيرة من الطاقة الحرارية، عادةً عبر الأشعة فوق البنفسجية الشديدة . ومع تسخين الجزيئات، تتمدد لأعلى وتتسارع أكثر حتى تصل إلى سرعة الإفلات. في هذه العملية، يمكن للجزيئات الأخف أن تسحب معها الجزيئات الأثقل من خلال التصادمات، مما يؤدي إلى هروب كمية أكبر من الغاز. ^{[ 3 ]} وقد لوحظ الهروب الهيدروديناميكي للكواكب الخارجية القريبة من نجمها المضيف، بما في ذلك كوكب المشتري الساخن HD 209458 b . ^{[ 4 ]}

في طبقات الجو العليا، تتفاعل فوتونات الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة بسهولة أكبر مع الجزيئات. يمكن للتفكك الضوئي أن يكسر الجزيء إلى مكونات أصغر، موفرًا طاقة كافية لتلك المكونات للهروب. ينتج عن التأين الضوئي أيونات، والتي قد تُحاصر في الغلاف المغناطيسي للكوكب أو تخضع لإعادة تركيب تفككي . في الحالة الأولى، قد تخضع هذه الأيونات لآليات الهروب الموضحة أدناه. أما في الحالة الثانية، فيتحد الأيون مع إلكترون، مطلقًا طاقة، ثم يهرب. ^{[ 5 ]}

يمكن للطاقة الحركية الزائدة من الرياح الشمسية أن تمنح طاقة كافية لقذف جزيئات الغلاف الجوي، على غرار التذرية من سطح صلب. ويكون هذا النوع من التفاعل أكثر وضوحًا في غياب الغلاف المغناطيسي للكوكب، حيث تنحرف الرياح الشمسية المشحونة كهربائيًا بفعل المجالات المغناطيسية ، مما يقلل من فقدان الغلاف الجوي. ^{[ 6 ]}

يمكن للأيونات في الرياح الشمسية أو الغلاف المغناطيسي أن تتبادل الشحنات مع جزيئات الغلاف الجوي العلوي. يستطيع أيون سريع الحركة أن يلتقط الإلكترون من جزيء متعادل بطيء الحركة في الغلاف الجوي، مما يُنتج جزيء متعادل سريع الحركة وأيونًا بطيئًا. يُحاصر الأيون البطيء على خطوط المجال المغناطيسي، بينما يستطيع الجزيء المتعادل السريع الإفلات. ^{[ 5 ]}

يمكن لجزيئات الغلاف الجوي أيضًا أن تفلت من المناطق القطبية على كوكب ذي غلاف مغناطيسي، بفعل الرياح القطبية . بالقرب من قطبي الغلاف المغناطيسي، تكون خطوط المجال المغناطيسي مفتوحة، مما يسمح للأيونات الموجودة في الغلاف الجوي بالانطلاق إلى الفضاء. يعمل المجال الكهربائي ثنائي القطب على تسريع أيونات في طبقة الأيونوسفير، لتنطلق على طول هذه الخطوط. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

يعود تسرب الهيدروجين من الغلاف الجوي للأرض إلى عدة عوامل، منها تسرب تبادل الشحنات (حوالي 60-90%)، وتسرب جينز (حوالي 10-40%)، وتسرب الرياح القطبية (حوالي 10-15%)، حيث تفقد الأرض حاليًا حوالي 3  كجم/ثانية من الهيدروجين. ^{[ 1 ]} كما تفقد الأرض حوالي 50  جم/ثانية من الهيليوم، بشكل رئيسي من خلال تسرب الرياح القطبية. أما تسرب المكونات الأخرى للغلاف الجوي فهو أقل بكثير. ^{[ 1 ]} وفي عام 2017، وجد فريق بحث ياباني أدلة على وجود عدد قليل من أيونات الأكسجين على سطح القمر، مصدرها الأرض. ^{[ 11 ]}

بعد  مليار سنة، ستزداد سطوع الشمس بنسبة 10%، مما سيجعلها ساخنةً على الأرض بدرجة كافية لزيادة بخار الماء في الغلاف الجوي بشكلٍ كبير، حيث سيعمل ضوء الشمس فوق البنفسجي على تفكيك جزيئات الماء (H₂O) _، مما يسمح لها بالهروب تدريجيًا إلى الفضاء حتى تجف المحيطات . ^{[ 12 ] : 159}

تشير النماذج الحديثة إلى أن هروب الهيدروجين من كوكب الزهرة يعود بالكامل تقريبًا إلى آليات فوق حرارية، وتحديدًا التفاعلات الكيميائية الضوئية وتبادل الشحنات مع الرياح الشمسية. أما هروب الأكسجين فيُهيمن عليه تبادل الشحنات والهروب بالقذف. ^{[ 13 ]} قاس مسبار فينوس إكسبريس تأثير الانبعاثات الكتلية الإكليلية على معدل هروب الغلاف الجوي لكوكب الزهرة، ووجد الباحثون زيادةً في معدل الهروب بمقدار 1.9 ضعف خلال فترات ازدياد الانبعاثات الكتلية الإكليلية مقارنةً بفترات هدوء الطقس الفضائي. ^{[ 14 ]}

عانى المريخ البدائي أيضاً من التأثيرات التراكمية لعدة أحداث تآكل ناتجة عن اصطدامات صغيرة متعددة، ^{[ 15 ]} وتشير الملاحظات الحديثة التي أجراها مسبار مافن إلى أن 66% من الأرجون ^-36 في الغلاف الجوي للمريخ قد فُقد على مدى الأربعة  مليارات سنة الماضية بسبب الهروب فوق الحراري، وأن كمية _ثاني أكسيد الكربون المفقودة خلال نفس الفترة الزمنية تبلغ حوالي 0.5  بار أو أكثر. ^{[ 16 ]}

استكشفت مهمة مافن أيضًا معدل هروب الغلاف الجوي للمريخ. يلعب هروب جينز دورًا هامًا في استمرار هروب الهيدروجين على سطح المريخ، مساهمًا في معدل فقدان يتراوح بين 160 و1800  غ/ثانية. ^{[ 17 ]} يمكن تعديل هروب جينز للهيدروجين بشكل كبير بواسطة عمليات الغلاف الجوي السفلي، مثل موجات الجاذبية، والحمل الحراري، والعواصف الترابية. ^{[ 18 ]} يهيمن على فقدان الأكسجين طرق فوق حرارية: حيث تتضافر طرق الهروب الكيميائي الضوئي (حوالي 1300  غ/ثانية)، وتبادل الشحنات (حوالي 130  غ/ثانية)، والتذرية (حوالي 80  غ/ثانية) لتشكل معدل فقدان إجمالي يبلغ حوالي 1500  غ/ثانية. أما الذرات الثقيلة الأخرى، مثل الكربون والنيتروجين، فتُفقد بشكل أساسي نتيجة للتفاعلات الكيميائية الضوئية والتفاعلات مع الرياح الشمسية. ^{[ 1 ] [ 13 ]}

يمتلك قمرا زحل، تيتان وإيو ، قمر المشتري، غلافًا جويًا ويتعرضان لعمليات فقدان الغلاف الجوي. لا يمتلكان مجالًا مغناطيسيًا خاصًا بهما، لكنهما يدوران حول كواكب ذات مجالات مغناطيسية قوية، مما يحمي القمر من الرياح الشمسية عندما يكون مداره داخل منطقة الصدمة الأمامية . مع ذلك، يقضي تيتان ما يقارب نصف دورته المدارية خارج منطقة الصدمة الأمامية، معرضًا لرياح شمسية غير معاقة. تزيد الطاقة الحركية المكتسبة من التقاط وقذف الجسيمات المرتبطة بالرياح الشمسية من التسرب الحراري في مدار تيتان، مما يؤدي إلى هروب الهيدروجين المتعادل. ^{[ 19 ]} يحافظ الهيدروجين المتسرب على مداره متتبعًا مسار تيتان، مكونًا حلقة من الهيدروجين المتعادل حول زحل. أما إيو، في مداره حول المشتري، فيصطدم بسحابة بلازما. ^{[ 20 ]} يؤدي التفاعل مع سحابة البلازما إلى قذف الجسيمات، مما يؤدي إلى انطلاق جزيئات الصوديوم . ينتج عن هذا التفاعل سحابة صوديوم مشحونة ثابتة على شكل موزة على طول جزء من مدار إيو.