Мобилизация веществ в экзосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Теоретические основы экзосферы и ее основные характеристики

1.1 Экзосфера как составляющая атмосферы

1.2 Понятие и общая характеристика экзосферы

2. Мобилизация веществ в экзосфера

2.1 Общая характеристика веществ в экзосфере

2.2 Потери планетами веществ из экзосферы

2.3 Вещества в экзосфере Меркурия

Заключение

Список литературы

Введение

Экзосфера (от др.-греч. «снаружи», «вне» и уцбйсб - «сфера») представляет собой самую внешнюю часть верхней атмосферы планет. Экзосфера обладает низкой концентрацией нейтральных атомов с концентрацией частиц n0 < 107см?3. Экзосфера имеет нижнюю границу экзобазу, которая определяется из соотношения равенства длины свободного пробега высоте однородной атмосферы. Крупицы экзосферы ведут свое движение преимущественно по баллистическим траекториям, благодаря этому при наличии у них второй космической скорости у них имеется высока вероятность покинуть планету избежав столкновения.

Экзосфера представляет собой сферу рассеяния, наиболее отдаленную от Земли (от 800 до 1600 км от ее поверхности) оболочка атмосферы, где еще находятся атмосферные газы и откуда проистекает утечка атомов водорода и гелия в пространство космоса. На верхней границе экзосферы совершается плавный переход в межпланетное пространство. В экзосфере расположены радиационные пояса Земли.

Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам. Протяжённую экзосферу планеты нередко именуют короной, поскольку она состоит из атомов водорода, «улетучивающихся» из верхней атмосферы.

О экзосфере написано очень мало в научной литературе, практически нет публикаций по данной проблеме ни в солидных монографиях, ни учебниках, многие аспекты экзосферы даже не обозначаются. В результате проблема исследования экзосферы оказывается представленной в ущербном виде. По данной причине до сих пор проблема экзосферы остается загадочной и во многом неясной. Поэтому она, как и любое малоисследованное явление вызывает повышенный интерес.

Не претендуя на полное и законченное раскрытие темы экзосферы и мобилизируемых в ней веществ, я постарался дать панорамное и систематическое освещение данной проблемы.

Исходя из этого, была выбрана тема курсовой работы "Мобилизация веществ в экзосфере". Вышесказанное говорит о том, что тема работы курсовой актуальна и своевременна.

Объектом курсовой работы является мобилизация веществ в экзосфере.

Предметом - особенности мобилизации веществ в экзосфере.

Цель курсовой работы исследовать экзосферу и мобилизацию веществ в ней.

Цель работы находит выражение в поставленных задачах:

1. Рассмотреть теоретические основы экзосферы и ее основные характеристики.

2. Обозначить экзосферу как составляющую атмосферы.

3. Показать понятие и общую характеристику экзосферы.

4. Представить мобилизацию веществ в экзосфера.

5. Изучить общую характеристику веществ в экзосфере.

6. Определить потери планетами веществ из экзосферы.

7. Исследовать вещества в экзосфере Меркурия.

Курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.

экзосфера атмосфера меркурий вещество

1. Теоретические основы экзосферы и ее основные характеристики

1.1 Экзосфера как составляющая атмосферы

Чтобы понять, что такое экзосфера вначале следует рассмотреть понятие «атмосферы», чьей составляющей и является экзосфера. Атмосфера это газовая оболочка, опоясывающая небесное тело. Характеристики атмосферы находятся в зависти от масштаба, веса, температуры, быстроты обращения и химической формулы небесного тела, а также предопределены историей его развития инициируя с времени зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, нарекаемой воздухом. Ее основополагающие элементы это азот и кислород в балансе примерно 4:1.

Наука, постигающая атмосферу, получила название метеорологией, хотя предметом настоящею науки обнаруживаются также погода и ее воздействие на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, размещенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также видоизменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и обнаруживаются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов объединены с потоками солнечной радиации, космическим излучением и магнитным полем Земли.

Высокие слои атмосферы - своего рода химическая лаборатория, поскольку в условиях, близких к вакууму, отдельные атмосферные газы под воздействием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, постигающая эти взаимосвязанные явления и процессы, получило название физикой высоких слоев атмосферы.

Рассмотрим теперь, размеры атмосферы. Потоки энергии из глубоких слоев Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли, вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Данный солнечный ветер обтекает магнитное поле Земли, вырабатывая продленную «полость», изнутри коей и сконцентрирована земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно сужено с направленной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык, вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, - с противоположной, ночной стороны. Черта магнитного поля Земли получила название магнитопаузы. С дневной стороны этот рубеж проходит на дистанции около семи земных радиусов от поверхности, но в периоды увеличенной солнечной активности оказывается еще ближе к поверхности Земли.

Магнитопауза является границей земной атмосферы, внешняя оболочка которой именуется также магнитосферой, так как в ней сконцентрированы заряженные частицы (ионы), общее направление которых обусловлено магнитным полем Земли. Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5 1015 т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2.

Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отгораживает сильный защитный слой. Космическое пространство пронизано сильным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более агрессивным космическим излучением, и эти виды радиации губительны для всего живого. На наружной границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но существенная его доля придерживается атмосферой вдалеке от поверхности Земли.

Самый нижний, приземной слой атмосферы в особенности значителен для человека, который обитает в месте контакта твердой, жидкой и газообразной оболочек Земли. Верхняя оболочка «твердой» Земли называется литосферой. Около 72% поверхности Земли покрыто водами океанов, составляющими бльшую часть гидросферы. Атмосфера граничит как с литосферой, так и с гидросферой. Человек живет на дне воздушного океана и неподалеку или выше уровня океана водного. Взаимодействие этих океанов обнаруживается одним из важных факторов, устанавливающих состояние атмосферы.

Состав атмосферы. Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов. Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак.

В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. В наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы - водород и гелий. Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижних 30 км, то изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.

Энергообмен. Солнце прибывает основополагающим источником энергии, идущей на Землю. Находясь на расстоянии ок. 150 млн. км от Солнца, Земля обретает одну двухмиллиардную часть излучаемой им энергии, главным образом в видимой части спектра, которую называют светом. Большая часть данной энергии впитывается атмосферой и литосферой. Земля тоже излучает энергию, в главном в виде длинноволновой инфракрасной радиации. Таким образом, воцаряется равновесие между получаемой от Солнца энергией, нагреванием Земли и атмосферы и обратным потоком тепловой энергии, излучаемой в пространство.

Пыль и молекулы газов рассеивают свет, частично отражая его в мировое пространство. Еще большую часть приходящей радиации отражают облака. Часть энергии поглощается непосредственно молекулами газов, но в основном - горными породами, растительностью и поверхностными водами. Водяной пар и углекислый газ, наличествующие в атмосфере, пропускают видимое излучение, но поглощают инфракрасное. Тепловая энергия накапливается главным образом в нижних слоях атмосферы. Аналогичный эффект возникает в теплице, когда стекло пропускает свет внутрь и почва нагревается. Так как стекло сравнительно непрозрачно для инфракрасной радиации, в парнике аккумулируется тепло. Нагрев нижних слоев атмосферы за счет существования водяного пара и углекислого газа называют парниковым эффектом.

Существенную роль в сохранении тепла в нижних слоях атмосферы играет облачность. Если облака рассеиваются или возрастает прозрачность воздушных масс, температура неизбежно понижается по мере того, как поверхность Земли свободно испускает тепловую энергию в опоясывающее пространство. Вода с поверхности Земли, поглощает солнечную энергию и испаряется, превращаясь в газ - водяной пар, который выносит огромное количество энергии в нижние слои атмосферы.

Таким образом, вследствие парникового эффекта и испарения воды атмосфера прогревается снизу. Этим отчасти объясняется высокая активность ее циркуляции по сравнению с циркуляцией Мирового океана, который прогревается только сверху и потому значительно стабильнее атмосферы.

Помимо общего нагревания атмосферы солнечным «светом», значительное прогревание некоторых ее слоев происходит за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца.

Строение атмосферы. В сравнении с жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере увеличения расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Данный барьер непроницаем, так как газообмен происходит между воздухом и водой и даже между воздухом и горными породами, но в данном случае этими факторами можно пренебречь.

Так как атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только нижняя граница и верхняя (внешняя) граница, открытая со стороны межпланетного пространства. Через внешнюю границу происходит утечка некоторых нейтральных газов, поступление вещества из окружающего космического пространства. Большая часть заряженных частиц, за исключением космических лучей, обладающих высокой энергией, либо захватывается магнитосферой, либо отталкивается ею.

На атмосферу действует сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сдавливаются под действием собственного веса. Это сжатие предельно у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью давление воздуха равно весу вышележащего столба атмосферы, приходящемуся на единицу площади.

В отличие от атмосферного давления температура с высотой не понижается непрерывно. Это происходит при поглощении солнечной ультрафиолетовой радиации кислородом. При этом образуется газ озон, молекулы которого состоят из трех атомов кислорода (О3). Он тоже поглощает ультрафиолетовое излучение, и поэтому этот слой атмосферы, называемый озоносферой, нагревается.

Выше температура вновь понижается, так как там гораздо меньше молекул газа, и соответственно сокращается поглощение энергии. В еще более высоких слоях температура снова увеличивается вследствие поглощения атмосферой максимально коротковолнового ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. Под воздействием этого мощного излучения происходит ионизация атмосферы, т.е. молекула газа теряет электрон и приобретает положительный электрический заряд. Такие молекулы делаются позитивно заряженными ионами. Благодаря существованию свободных электронов и ионов этот слой атмосферы приобретает свойства электропроводника.

Температура повышаться до высот, где разреженная атмосфера переходит в межпланетное пространство. На расстоянии нескольких тысяч километров от поверхности Земли преобладают температуры от 5000 до 10 000 С. Молекулы и атомы имеют высокие скорости движения и высокую температуру, этот разреженный газ не является «горячим» в привычном смысле. Из-за мизерного количества молекул на больших высотах их суммарная тепловая энергия весьма невелика.

Таким образом, атмосфера состоит из отдельных слоев (т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое свойство представляет наибольший интерес.

1.2 Понятие и общая характеристика экзосферы

Экзосфера это самая внешняя часть верхней атмосферы Земли и планет с низкой концентрацией нейтральных атомов (концентрация частиц n0<107см?3). Экзосфера -- зона рассеяния, внешняя часть термосферы. Протяжённую экзосферу планеты часто называют короной; она состоит из атомов водорода, «улетучивающихся» из верхней атмосферы.

Экзосфера представляет собой сферу рассеяния, внешний, наиболее разрежённый слой атмосферы, где длины свободного пробега частиц так велики, что частицы могут диссипировать (рассеиваться) в межпланетное пространство. Нижняя граница экзосферы -- экзобаза -- определяется из соотношения равенства длины.

Экзосфера - внешний слой атмосферы, из которого быстро движущиеся лёгкие атомы водорода могут вылетать (ускользать) в космическое пространство. Температура достигает уровня более 3000 К. На больших расстояниях от Земли (2--3 тыс. км и более) нейтральную экзосферу образуют почти исключительно атомы водорода, на более низких высотах заметную долю составляют атомы гелия, а ещё ниже -- также и атомы кислорода.

Экзосфера находится на расстоянии 800-1000 км от поверхности Земли. Экзосфера выделяется на основе изменения температур и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по орбите под воздействием силы притяжения планеты, но многие молекулы рассеиваются, поэтому экзосферу еще называют зоной рассеивания.

Нижняя граница экзосферы -- экзобаза -- определяется из соотношения равенства длины свободного пробега высоте однородной атмосферы. Частицы экзосферы двигаются в основном по баллистическим траекториям, поэтому при наличии у них второй космической скорости достаточно высока вероятность покинуть планету без столкновений.

Протяжённую экзосферу планеты часто называют короной; она состоит из атомов водорода, «улетучивающихся» из верхней атмосферы. Геокорона распространяется вплоть до высот порядка 100 тыс. км, а корона Венеры -- до 200 тыс.км.

Экзосфера Земли состоит из ионизированного газа (плазмы); у её основания отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1, в верхней части экзосферы газ почти полностью ионизирован. Нижняя и средняя части экзосферы в основном состоят из атомов О и N, с увеличением же высоты быстро растет относительная концентрация лёгких газов, особенно ионизированного водорода. Газокинетическая температура составляет 1500-3000 К, она слабо растет с высотой. Рост солнечной активности приводит к потеплению экзосферы и к увеличению её толщины.

Самый крайний слой экзосферы, состоящий из рассеивающихся атомов водорода, называют «короной» планеты, которая может простираться на расстояние до 10 000 км от поверхности планеты. Экзосфера Земли состоит из ионизированного газа (плазмы); у её основания отношение концентраций заряженных и нейтральных частиц близко к 1, в верхней части экзосферы газ почти полностью ионизирован.

Нижняя и средняя части экзосферы в основном состоят из атомов О и N, с увеличением же высоты быстро растет относительная концентрация лёгких газов, особенно ионизированного водорода. Газокинетическая температура составляет 1500--3000 К, она слабо растет с высотой. Рост солнечной активности приводит к потеплению экзосферы и к увеличению её толщины.

Таким образом, была рассмотрена экзосфера - внешний слой атмосферы, граничащий с термосферой с одной стороны и открытым космосом с другой. В экзосфере частицы газов рассеиваются в космическое пространство.

2. Мобилизация веществ в экзосфера

2.1 Общая характеристика веществ в экзосфере

Экзосфера, как Земли, так и других планет изобилует различными веществами. Верхний разряжённый слой атмосферы Земли (экзосфера) как бы сливается с этим потоком летящих от солнца горячих газов. Рассмотрим их более подробно. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а из-за сильной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою.

Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Для незаряженных частиц критической скоростью будет 11,2 км/сек.Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, «ускользать», рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния.

Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам.

Солнечный ветер перестал сдувать с экзосферы Земли летучие молекулы, водород, к примеру. В результате вода оказалась защищена гораздо лучше. И это несмотря на то, что мощность первичного магнитного поля составляла 50-70 процентов от существующей ныне. Водород в экзосфере находится преимущественно в виде:

1)CH4

2)H2O

3)NH3

4)H+

5)H2S

В экзосфере так же происходит фиксация азота из воздуха осуществляется группами анаэробных и цианобактерий - 1 млрд. т в N2 в год.

Недавно предполагалось, что экзосфера и с нею вообще земная атмосфера кончается на высотах порядка 2000-3000 км.Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20000 км.Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.

С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия - порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.

Итак, была обозначена и рассмотрена общая характеристика веществ в экзосфере.

2.2 Потери планетами веществ из экзосферы

Итак, рассмотрим возможные потери планетами веществ из экзосферы на примере Земли и небесного тела, называемого Желтый карлик WASP-12. в первую очередь будет рассмотрена потеря веществ из земной экзосферы. Земля теряла значительный объем летучих веществ из экзосферы. Группа геофизиков из США, Южно-Африканской Республики и Китая, выяснила, что магнитное поле древней Земли было едва ли не в два раза слабее, чем нынешнее.

Характеристики поля удалось определить благодаря изучению пород возрастом более трех миллиардов лет, которые были найдены в Африке. Внимание ученых привлекли вулканические породы (дациты), содержащие миллиметровые кристаллы кварца, в которых, в свою очередь, обнаруживаются наноразмерные магнитные включения, хранящие информацию о поле Земли. Они извлекли из породы возрастом в 3,40-3,45 миллиарда лет частицы полевого шпата и кварца.

С помощью модифицированных сверхчувствительных СКВИД-магнитометров было проведено ряд измерений. Выяснилось, что 3,5 миллиарда лет назад поле Земли было на 30-50 процентов слабее, чем сейчас. Геофизики предполагают, что в те времена средняя интенсивность солнечного ветра приблизительно в 20 раз превосходила современное значение.

Таким образом, в условиях ослабленного поля магнитопауза нашей планеты должна была проходить на расстоянии менее пяти земных радиусов от ее центра. Сейчас она находится приблизительно в два раза дальше. При этом под воздействием солнечного ветра Земля потеряла внушительный объем летучих веществ из экзосферы.

Кроме того, на молодой планете должны были наблюдаться гигантские полярные сияния. "Обычной ночью 3,5 миллиарда лет назад полярное сияние распространялось бы на юг до Нью-Йорка", - утверждает участник исследования Джон Тардуно из Рочестерского университета.

Данные, полученные с орбитального телескопа "Хаббл", подтвердили, что самую горячую из известных экзопланет - WASP-12b действительно пожирает ее собственная звезда, постепенно "высасывая" вещество из верхних слоев ее атмосферы.

В феврале группа ученых под руководством Шу-лин Ли из Института астрономии и астрофизики Кавли в Пекине, изучив свойства необычной двойной системы WASP-12, пришла к выводу, что притяжение звезды искажает форму планеты, а возникающие гравитационные приливные волны так сильно разогревают ее изнутри, что вокруг образуется облако вещества, которое постепенно оттягивает звезда. Из-за этого WASP-12b примерно через 10 миллионов лет полностью исчезнет.

Кэрол Хасвелл из Открытого университета в Великобритании и ее коллеги подтвердили эти предположения с помощью ультрафиолетового спектрографа Cosmic Origins Spectrograph телескопа "Хаббл". Они выяснили, что планету окружает экзосфера, облако вещества, "оторванного" притяжением звезды.

По мнению Хэсвелла, можно видеть огромное облако вещества вокруг планеты, которое постепенно "перетягивает" звезда. В нем ученые идентифицировали химические элементы, которые раньше никогда не обнаруживались на планетах за пределами Солнечной системы", - сказала.

Ученые получили с "Хаббла" спектроскопические данные о планете. В ее экзосфере они обнаружили следы марганца, иттербия, скандия, алюминия, ванадия и некоторых других химических элементов.

Желтый карлик WASP-12, удаленный от Земли примерно на 700 световых лет, по массе и размерам похож на Солнце. Однако планета, которая обращается вокруг него, почти в полтора раза массивнее Юпитера, а ее радиус - в три раза больше. Температура на ее поверхности составляет более 2,5 тысячи градусов Цельсия, что обнаруживается рекордом для планеты: такую температуру имеют красные карлики, небольшие звезды.

Так сильно планету нагревает близость к звезде: WASP-12b совершает полный оборот вокруг нее чуть более, чем за сутки, двигаясь на расстоянии в 75 раз меньшем, чем расстояние от Земли до Солнца. WASP-12b открыли европейские и американские астрономы в 2008 году в рамках проекта по поиску экзопланет SuperWASP.

В 2008 г. году европейские учёные обнаружили первую планету за пределами Солнечной системы, которая состоит из камня, как наша Земля. Она расположена слишком близко к своей звезде, что исключает возможность существования на ней каких-либо форм жизни. Тем не менее это большое открытие для тех, кто пытается найти жизнь во Вселенной: в ней могут существовать и другие подобные планеты, где условия окажутся более благоприятными.

Новая планета, получившая название CoRoT-7b, - первая, плотность которой почти такая же, как у Земли - 4,7 г на кубический см. Это дает основания считать, что она имеет каменистую структуру. Такие планеты труднее найти, поскольку они гораздо меньше по размерам, чем газообразные.

Таким образом, в данном параграфе курсовой работы были рассмотрены потери планетами веществ из экзосферы на примере Земли и небесного тела, называемого Желтый карлик WASP-12.

2.3 Вещества в экзосфере Меркурия

Ученые НАСА из Центра космических полётов им. Р. Годдарда всерьез занимаются изучением такой планеты Солнечной системы, как Меркурий. Солнечный ветер и многочисленные метеориты заставляют экзосферу планеты постоянно меняться. Эта изменчивость может о многом рассказать астрономам. Маленький Меркурий переживает большие катастрофы: мощный солнечный ветер и высокоскоростные микрометеориты.

В качестве инструментов по изучению экзосферы Меркурия применялся атмосферный и поверхностный спектрометр MASCS. Для сравнения на этом обзоре показаны графики с плотностью атомов натрия в экзосфере Меркурия, зарегистрированной в течение первого и второго пролета планеты космическим аппаратом MESSENGER. Выбросы натрия менее симметричны во время первого пролета, с большей концентрацией в северном полушарии по отношению к югу. Во время второго пролета наблюдалась симметрия северного и южного полушария.

Рис. 1 Изменение экзосферы на Меркурии

Меркурианская экзосфера в значительной степени обязана своим существованием Солнцу. Тонкая газовая оболочка планеты, экзосфера, немногим плотнее вакуума и не может защитить планету. Она постоянно меняется и пополняется натрием, калием, кальцием, магнием и другими элементами, которые освобождаются из почвы Меркурия солнечным ветром. Насыщенная разнообразными элементами, экзосфера активно реагирует на солнечный свет, ветер и магнитное поле, и ее удивительная изменчивость может многое рассказать астрономам.

Суммировав данные, полученные в ходе миссии космического зонда Messenger, ученые НАСА из Центра космических полётов им. Р. Годдарда составили "портрет" Меркурия и представили его широкой публике в сентябрьском издании Icarus.

Моделирование Меркурия представляется весьма сложной задачей. Ни один космический аппарат не садился на его поверхность, поэтому астрономам приходится искать косвенные способы исследования. Например, изучать Луну. Как и Меркурий, Луна имеет схожие процессы переноса вещества с поверхности в очень тонкую экзосферу. Когда ученые захотели выяснить, какая почва может привести к повышенной концентрации натрия и калия в экзосфере Меркурия, они изучили образцы лунного грунта, привезенного 16-ю советскими аппаратами серии "Луна".

Чтобы понять, как изучить экзосферу, вначале рассмотрим как атомы и молекулы в атмосфере Земли совершают резкие движения и все время сталкиваются друг с другом, но в экзосфере Меркурия это скорее исключение - они чаще падают на поверхность, чем "находят" друг друга. Наблюдения с наземных телескопов и MESSENGER-а показывают, что натрий, кальций и магний, освобождаются из почвы в результате различных процессов и ведут себя в экзосфере по-разному.

Теперь рассмотрим натрий в экзосфере. Новые модели продемонстрировали удивительные силы, высвобождающие огромные количества натрия. Исследователи считали, что основным фактором, влияющим на этот процесс, является удар заряженных частиц о поверхность планеты, который освобождает натрий в процессе, называемом ионным распылением (бомбардировка объекта некоторыми частицами, имеющими энергию большую, чем связи атома объекта, в результате чего объект распыляется). Но оказалось, что основным фактором является фотостимулированная десорбция (отделение поглощённого вещества в результате колебательного движения), усиленная ударами ионов.

Атомы натрия, толкаемые солнечным ветром, вытягиваются в огромный хвост, который отстает от Меркурия и вытягивается наподобие хвоста кометы. По нему можно судить о влиянии солнечной радиации на экзосферу. После расчетов также выяснилось, что 15% наблюдаемых выбросов натрия связаны с ударами микрометеоритов.

Моделирование магнитосферы Наибольшая концентрация натрия наблюдается на Северном и Южном полюсах Меркурия, но во время первого пролета MESSENGER-а обнаружилось, что в Северном полушарии выброс натрия на 30% больше. Моделирование магнитосферы Меркурия показывает, что причина в том, что вблизи Северного полюса протонная бомбардировка поверхности в четыре раза интенсивнее. Это происходит из-за того, что солнечный ветер давит на магнитное поле планеты под углом и искривляет его.

Удары заряженных частиц вблизи Северного полюса активно работают с фотостимулированной десорбцией, и это быстро истощает запасы натрия на поверхности. На извлечение натрия из более глубоких слоев почвы требуется больше времени, что занимает определенное время, но заряженные частицы существенно ускоряют этот процесс.

Интенсивный солнечный свет может превращать освободившиеся из почвы материалы в положительные ионы (процесс фотоионизации). Некоторые из этих ионов могут путешествовать по "конвейеру" вокруг планеты - совершать половину или несколько оборотов. Не исключено, что этот гипотетический конвейер также может создавать магнитные аномалии вроде "провалов" в магнитном поле Меркурия, которые обнаружил MESSENGER на обеих сторонах планеты. Пока доподлинно неизвестно, что именно является их причиной и достаточно ли ионов в "конвейере" для создания таких мощных искривлений поля.

Космический аппарат Messenger первым нашел магний в экзосфере Меркурия. Астрономы ожидали, что наибольшая концентрация магния - на поверхности планет и постепенно сокращается по мере набора высоты. Вместо этого Messenger обнаружил значительную концентрацию магния над Северным полюсом, где он некоторое время сохранял свою плотность, а затем неожиданно концентрация резко упала. Больше такое явление не наблюдалось, и ученые не могут его объяснить.

Исследователи также отмечают, что температура этого магния может достигать десятков тысяч градусов, что значительно выше температуры поверхности (около 400 градусов Цельсия). Процессы, происходящие на поверхности планеты, вероятно, не могут быть причиной появления этого раскаленного магния, но истинная природа этого явления пока неизвестна.

Группе американских исследователей, анализировавших данные пролета автоматической станции MESSENGER над поверхностью Меркурия, удалось обнаружить магний в экзосфере планеты.

Сам факт регистрации магния не стал неожиданностью, -- говорит один из авторов работы Уильям Макклинток (William McClintock) из Колорадского университета в Боулдере. -- А вот высокие значения его концентрации в атмосфере нас удивили». Далее ученый замечает, что данные пролета, осуществленного станцией 6 октября 2008 года, разрешили также провести измерения процентного содержания кальция и натрия в экзосфере планеты. «Поскольку кальций и магний близки по своим химическим свойствам, мы рассчитывали получить схожие параметры распределения этих элементов.

6 октября 2007 г. года аппарат MESSENGER приблизился к Меркурию на расстояние около 200 км и передал снимки 30 процентов неизученной площади поверхности планеты; данные о составе атмосферы исследователи получили с помощью прибора MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer, спектрометр для определения состава атмосферы и поверхности Меркурия), который позволяет вести наблюдения в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.

По словам Уильяма Макклинтока, вещество, уносимое с поверхности планеты, ускоряет свое движение под воздействием солнечного излучения и образует гигантский «хвост» атомов, направленный в сторону от Солнца. Регистрируя изменения содержания различных элементов в атмосфере Меркурия, можно получить некоторую информацию о магнитном поле планеты и о его взаимодействии с солнечным ветром; извлечением этой информации из данных MASCS занимается в настоящее время коллега г-на Макклинтока Дэниел Бейкер (Daniel Baker).

Ученые также предполагают, что в ближайшее время им удастся зафиксировать в экзосфере следы других металлических элементов (алюминия, железа и кремния), поднятых с поверхности: они находились в околосолнечной туманности в период ее образования.

Возможно, многочисленные тайны Меркурия стали разгаданы после того, как 18 марта 2011 г. Messenger вышел на орбиту ближайшей соседки Солнца.

Заключение

Экзосфера -- зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация). До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли.

Самым верхним слоем атмосферы является экзосфера. Плотность воздуха в ней настолько мала, что понятие температуры теряет здесь свой физический смысл. Вследствие уменьшения плотности газов температура понижается от 0 °C в стратосфере до ?110 °C в мезосфере. Однако кинетическая энергия отдельных частиц на высотах 200--250 км соответствует температуре ~150 °C.

На высоте около 2000--3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме чрезвычайно разреженных пылевидных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Верхнюю границу экзосферы, а следовательно и всей атмосферы, практически определить нельзя, так как экзосфера постепенно переходит в межпланетное пространство. Но даже на высоте нескольких тысяч километров все еще имеются отдельные молекулы воздуха.

Во введении настоящей курсовой работы были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть теоретические основы экзосферы и ее основные характеристики.

2. Обозначить экзосферу как составляющую атмосферы.

3. Показать понятие и общую характеристику экзосферы.

4. Представить мобилизацию веществ в экзосфера.

5. Изучить общую характеристику веществ в экзосфере.

6. Определить потери планетами веществ из экзосферы.

7. Исследовать вещества в экзосфере Меркурия.

Таким образом, можно говорить, что указанные во введении курсовой работы следующие задачи были решены.

Размещено на Allbest.ru