地球が保持できる空気の限界量

Question

現在地球は、地上で１気圧になる程度の空気を保持しています。この量は限界量なのでしょうか、それとももっと沢山のガスを持つことができるのでしょうか？仮に地球内部から、現在と同量のガスが噴出した場合、そのガスは宇宙に拡散してしまうのか、それとも大気が二倍に増えて２気圧になるのでしょうか？昔からとても不思議に思っています。

okormazd · Accepted Answer

限界量ではないようです。
ごく単純化した話をします。
気体は温度によって決まる熱運動をしています。この熱運動速度が、地球の脱出速度(第2宇宙速度)より大きければ、地球の重力から脱して宇宙空間に逃げていくでしょう。
地球の平均気温15℃ほどでは、N2、O2、CO2などの平均熱速度は、400～500[m/s]程度で、脱出速度11.2[km/s]の1/20程度です。熱速度には分布があって、平均が1/20程度なら、脱出速度を超える速度の分子はほとんどないのでしょう。したがって、N2、O2、CO2などは地球に保持され、さらに追加されても大気が多くなって気圧が上がるでしょう。
金星は、CO2の厚い大気に覆われていて、気圧が90atm以上、気温は温室効果により、460℃もあるようです。水がなかったので、CO2が炭酸塩鉱物として岩石中に閉じ込められなかったので、大気中に存在するということです。地球の炭酸塩からCO2が放出されたとすれば、金星と同程度の大気になるという計算もあるようです。
火星や月にはほとんど大気がありません。これらの星の温度での熱速度と、脱出速度を比べると、熱速度の平均が、脱出速度の1/5～1/10程度です。この程度だと、脱出速度を超える熱速度の分子が増えるので、大気はなくなってしまうのでしょう。
地球でいえばH2を保持するのは難しいでしょう。

現在の地球はいくらでもO2、CO2などの大気を貯められるようです。

熱速度と、脱出速度を計算した結果を添付しておきました。

htms42 · Answer

＃２、＃３で引力圏を脱出する速度と熱速度の値が計算されています。
２つの値の比が１／１０程度以下になると脱出が目立った来るのではないだろうかという事です。

地球でいうと水素、ヘリウム以外は大丈夫だろうという結論になっています。
これはもっぱら質量の違いから出てきています。

そこで１つ気のついたことがあります。
地球大気の成分は酸素Ｏ２と窒素Ｎ２です。質量は水素分子Ｈ２１つの１６倍、１４倍です。

上空に行くと大気の密度はどんどん小さくなっていきます。でもこれらの気体成分の割合は上空にいってもほとんど変わりません。かき混ぜが十分に起こっているという事です。
ところが１００ｋｍ以上の高さになるとＮやＯが目立ってきます。
太陽からの紫外線で分子が原子に解離してしまうのです。
原子に解離してしまうと質量が半分になりますから周囲の温度と同じ温度が実現するとしたら（十分に熱交換が行われるとしたら）熱速度は大きくなります。
粒子密度が小さいという事はいったん解離すると再結合が起こるのは難しいということにもなります。
１００ｋｍを超えた上空は粒子密度は小さいですが温度は高いです。温度は１０００Ｋほどまで上がっているようです。（大気の１００ｋｍを超えたところは温度が高いですから「熱圏」と呼ばれています。太陽からの輻射を受け入れる仕組みが働く場所であるというのが温度の高くなっている理由です。）

こういう事を考えると上空で少しずつ宇宙に逃げだしているという事が起こっているとしていいように思います。
熱圏での粒子密度は地表の１／１０^10倍程度ですからものすごくゆっくりです。

理科年表の地学分野、電離圏の項にグラフが載っています。

okormazd · Answer

#2です。
添付が失敗してますね。

debukuro · Answer

地球よりも小さい重力の金星が地球よりも多くの気体を持っています
木星など外惑星はほとんどが気体です
気体も多くなればそれ自身が集まって天体を形成できるのです
だから限界はありません
太陽は全部が気体であることからでも分かるでしょう

地球が保持できる空気の限界量

限界量ではないようです。

＃２、＃３で引力圏を脱出する速度と熱速度の値が計算されています。

#2です。

地球よりも小さい重力の金星が地球よりも多くの気体を持っています

この回答への補足

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