¿Viento solar, viento terrestre y vientos planetarios?

Al revisar la literatura, el artículo de Wang et al. 2021 está citando, estoy casi seguro de que el término "viento de la Tierra" debe ser una invención reciente, quizás por esos mismos autores.

Sin embargo, es correcto llamar al viento solar un 'viento'. Esto se debe a que un viento es un movimiento masivo impulsado por la presión de un gas acoplado colectivamente. El viento solar, en su base, es impulsado por los enormes gradientes de presión a través de la corona solar caliente de 1 millón de Kelvin.
Si bien la atmósfera primaria rica en hidrógeno de la Tierra podría haber experimentado tal fenómeno, es incorrecto nombrar el escape atmosférico actual como 'viento'.

Pero ahora dejando de lado el vocabulario, las tasas actuales de escape atmosférico en los planetas terrestres están gobernadas por varios procesos de escape iónico, el más importante de ellos es el escape de la cúspide polar. Entonces, los datos que realmente está buscando son datos sobre el escape de la cúspide polar de varios orbitadores. Afortunadamente, Gunell et al., (2018) han proporcionado un compendio reciente sobre esto (consulte su tabla A.1) e intentaron un modelo simple de los datos. No hay datos disponibles sobre el escape polar de Marte y Venus, ya que este concepto no se aplica a esos planetas. Los otros procesos de escape son, en promedio, más pequeños para el hidrógeno, pero más grandes para los iones de oxígeno.

Del mismo modo, creo que no hay datos disponibles sobre el escape de gases de los gigantes gaseosos. Se han estudiado las magnetosferas de Júpiter y Saturno, y se han caracterizado sus poblaciones de partículas, pero creo que no está claro cuánto del contenido magnetisférico se pierde finalmente. No hay datos confiables disponibles sobre el escape polar de Urano y Neptuno, ya que esos planetas solo fueron visitados por un sobrevuelo singular (el de la Voyager 2).

Todos los planetas pierden una pequeña cantidad de gases atmosféricos debido a que algunos átomos/moléculas (incluso los neutros) tienen una energía lo suficientemente alta como para escapar del campo gravitatorio del planeta. Esto tiende a afectar más a los elementos más ligeros, ya que tienen velocidades más altas a la misma temperatura. Este tipo de 'desgasificación' térmica es, en principio, el mismo que produce el 'viento solar'.

La eyección de iones en las regiones polares mencionadas en este enlace se debe a un mecanismo ligeramente diferente. Son causados ​​por campos eléctricos (campos de polarización de plasma) en la ionosfera. Pero estos, a su vez, se deben a que los electrones no están ligados gravitacionalmente y, por lo tanto, pueden escapar de la tierra, creando así un campo eléctrico neto. Sólo pueden escapar en la región de las líneas de campo magnético abiertas, es decir, cerca de los polos. Nuevamente, esto también es finalmente el resultado de que algunas partículas pueden escapar del campo gravitatorio.

No es demasiado difícil calcular la cantidad de gas que puede escapar del campo de gravedad del planeta. Consideremos el hidrógeno atómico (masa m=1.6*10 ^-24 g} en el caso de la tierra. La densidad a una altura de aproximadamente 400:km (por encima de la cual la atmósfera puede considerarse sin colisiones) es aproximadamente$n=10^5/cm^3$

La temperatura puede ser muy variable entre aproximadamente$600K$y$2000K$dependiendo del día y la actividad solar. Tomemos un valor medio de$T=1200K$aquí. La altura de 400 km entonces haría que el radio en ese nivel$R=6778 km$y por lo tanto el área total de la esfera$A=4\pi R^2$. El flujo de escape de un centímetro cuadrado de esa esfera es (suponiendo una distribución de velocidad de Maxwell y considerando que solo la mitad de los átomos (hacia arriba) pueden escapar)

dónde$v_0$es la velocidad térmica

con$k$la constante de Boltmann y

la velocidad de escape del planeta con masa$M$(=6*10 ²⁷ g para la tierra) con radio R y G la constante gravitatoria.

Con los valores dados, esto da como resultado un flujo de escape de átomos de H de$F_{esc}=4*10^7/cm^2/sec$y por lo tanto una pérdida total de masa de hidrógeno de$F_{esc}*A*m=0.4 kg/sec$. Si miras la página de Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_escape#Earth , dan 3 kg/seg para la pérdida de hidrógeno de la tierra, que es un poco más, pero esta cifra podría basarse en diferentes condiciones físicas. parámetros, especialmente porque esto depende mucho de la temperatura. Con T=2000 K, el resultado sería ya 4,4 kg/seg según el cálculo anterior. Para otros elementos además del hidrógeno, la tasa de pérdida es mucho menor debido a las menores velocidades térmicas. Incluso a 2000 K, el helio, por ejemplo, solo se pierde a una velocidad de 4*10 ^-3 kg/seg y el oxígeno atómico incluso a aproximadamente 10 ^-18kg/seg. Todo esto supone, en primer lugar, una distribución de velocidad maxwelliana, que puede o no ser una aproximación precisa en la cola de alta velocidad de la distribución.

En el caso del plasma solar, existe la complicación de que los electrones están gravitacionalmente prácticamente libres debido a su pequeña masa. Esto significa que escaparán libremente hasta que se alcance un estado de equilibrio en el que el sol se cargue positivamente en una cantidad tal que su tasa de escape sea igual a la de los iones (mucho más pesados) (es decir, tanto los electrones como los iones deben tener la misma carga). energía potencial neta). Entonces, ignorando la energía potencial gravitacional de los electrones, en equilibrio la ecuación debe cumplir ($U_G$= energía potencial gravitacional,$U_E$= energía potencial eléctrica)

donde el lado izquierdo es la energía potencial neta para un electrón y el lado derecho para el ion ($U_E$es negativo en el lado derecho porque el sol cargado positivamente repelerá los iones en lugar de atraerlos).

Esta ecuación obviamente nos da

es decir, el campo eléctrico inducido por el escape de electrones (campo de polarización del plasma) reduce efectivamente la gravedad a la mitad para los iones. En las ecuaciones para el cálculo del flujo de escape anterior, tenemos que reducir efectivamente la masa solar M por un factor 1/2 (lo que reduce la velocidad de escape por un factor$1/\sqrt{2}$). Haciendo esto y asumiendo una densidad de iones de$n=10^8/cm^3$en$R=740000 km$, uno puede igualar el flujo/densidad observado del viento solar en la tierra con una temperatura de$T=2.5*10^6 K$, que de nuevo parece un valor razonable. La pérdida de masa total en este caso se sigue de lo anterior como$8*10^8 kg/sec$que también es consistente con el valor que uno puede encontrar citado en otros lugares.