¿Helio en las atmósferas de los planetas terrestres?

¿Tiene alguna estimación confiable de cuánto helio se ha gaseado en los últimos 4 mil millones de años?

Estimaciones confiables - no. Malas conjeturas, tal vez.

Respuesta corta: solo cantidades mínimas. Es imposible tener suficiente material radiactivo raro para producir una atmósfera de helio real. Incluso si el planeta retiene todo su helio de la descomposición radiactiva, debería ser medible en partes por millón, no en una atmósfera real.

Respuesta larga a continuación:

La cantidad de partículas alfa que crea un elemento radiactivo es bastante sencilla, simplemente reste los bariones en el estado final del estado inicial. La desintegración beta cambia el tipo de hadrón, pero no el número, por lo tanto, de uranio 238 a plomo 206 : pérdida de 32 bariones, y todos ellos a través de la desintegración alfa: las partículas alfa se convierten en átomos de helio, por lo que cada U-238 se desintegra en 8 helio. .

Torio 232 en Plomo 208 - 6 helio.

Uranio 235 en Plomo 207 - 7 helio.

El potasio 40 , el otro elemento radiactivo común, solo sufre una desintegración beta en CA40 (89,3 %) y AR40 (10,7 %), por lo que es irrelevante en el cálculo del helio. Hay cantidades más pequeñas de otros elementos que emiten partículas alfa, como PT-190 , pero son lo suficientemente raros como para ignorarlos. La mayor incógnita es cuántos elementos con una vida media más corta eran comunes cuando la Tierra era joven pero ya no están presentes. No tengo idea de cómo calcular eso, por lo que será un poco desconocido. Un enfoque posible sería decir que el planeta en formación estaría lo suficientemente caliente como para perder gran parte de su helio, pero eso es un poco engañoso. Creo que, al principio, las predicciones son aproximadas debido a cantidades desconocidas de elementos de vida media más corta.

El U-238 es más fácil de calcular con una vida media de aproximadamente la edad de la Tierra, por lo que aproximadamente la mitad del U-238 de la Tierra ha completado su cambio de descomposición y ha producido 8 helio por U-238.

Torio-232, con una vida media de unos 14 mil millones de años, por lo que solo alrededor del 20% del torio-232 inicial se ha desintegrado a lo largo de la edad de la Tierra.

y el U-235, con una vida media de unos 700 millones de años, significa que casi el 99% se ha desintegrado a lo largo de la edad de la Tierra. Las estimaciones actuales dicen que alrededor del 0,72% del uranio es U-235

Mencioné esto anteriormente, pero la gran incógnita para este escenario está en el rango de 100 millones de años de vida media. Es decir, elementos que son lo suficientemente duraderos como para sobrevivir a la formación de la Tierra pero que no permanecerían en altas concentraciones en la actualidad. Eso está en este rango , la parte inferior de los 10 ^ 12 segundos, la parte superior de los 10 ^ 15 segundos.

Curium-247 tiene una vida media de unos 15 millones de años y se descompone en plomo-207 liberando 10 partículas alfa en el proceso. Si la formación de planetas ocurre relativamente rápido, eso podría suministrar algo de helio a un planeta, pero voy a ignorarlo porque tiene una vida media demasiado corta.

El uranio-236 tiene una vida media de unos 23 millones de años y se desintegra en torio, emitiendo solo 1 partícula alfa. Presumiblemente, gran parte se convertiría en torio en el momento de la formación del planeta, por lo que también lo ignoraré.

Plutonio-244 , en su mayoría sintético, pero es el elemento primordial más raro en la Tierra. Del artículo de Wikipedia:

Las mediciones precisas, que comenzaron a principios de la década de 1970, han detectado plutonio primordial-244, lo que lo convierte en el segundo nucleido primordial de vida más corta después de 146Sm. La cantidad de 244Pu en la nebulosa presolar (hace 4,57 × 109 años) se estimó en 0,008 de la cantidad de 238U.

Si las estimaciones lo sitúan en un poco menos del 1 % de lo que es común como el U-238, también lo ignoraré, ya que el 1 % no supondrá una gran diferencia.

Finalmente, vale la pena considerar el samario-146 con una vida media de aproximadamente 100 millones de años (o 68 millones según la fuente que utilice). Se descompone en Neodimio-142 liberando una única partícula alfa. Samario 147 y 148 también experimentan una descomposición alfa pero muy lentamente, con una vida media de 100 mil millones y 7 cuatrillones respectivamente.

Así que estos son los 4 isótopos primarios de "desgasificación" de helio relevantes después de la formación del planeta. U-238 (8 helio), U-235 (7), Th-232 (6) y SM-146 (1). Y en cuanto a cuánto, hay que preguntarse cuánto tiempo ha existido el planeta.

SM-146 se desintegra bastante rápido, vida media 100 millones de años. U-235 - 700 millones de años U-238 - 4.500 millones de años T-232 - 14.000 millones de años.

Si tomamos un planeta de la edad de la Tierra

SM-146 - esencialmente todo U-235 - 99% U-238 - 50% T-232 - 20%

Ahora el truco es, cuánto de estos elementos es probable que tenga un planeta terrestre en formación.

Si nos guiamos por las estimaciones de desintegración radiactiva y calor radiogénico , TH-232 y U-238 se combinan para generar 20 billones de vatios (primer artículo). Eso es 6 x 10 ^ 20 julios por año o alrededor de 3,75 x 10 ^ 33 mEV por año, por desintegración radiactiva de esos 2 elementos.

La cadena de desintegración del torio emite alrededor de 42,6 MeV por desintegración para 7 partículas alfa. (unos 7 MeV por helio) y la cadena de desintegración del U-238 , unos 51,7 MeV para 8 partículas alfa. (estadio de béisbol 6,5 MeV). Sin embargo, eso incluye a los neutrinos y esa energía debe descartarse. No pude encontrar números precisos, pero este sitio web pierde alrededor de 10 MeV (o 20%) en neutrinos (técnicamente antineutrinos) . Entonces, muy aproximado, digamos que 5 MeV de calor crean una partícula alfa.

Las tasas actuales de descomposición del torio y el U-238 deberían producir alrededor de 7,5 x 10^32 partículas alfa, lo que corresponde a alrededor de 1,2 a 1,3 mil millones de moles de helio o alrededor de 5 millones de kg, entre 5 y 6 toneladas de helio producido en la corteza terrestre. y el manto cada año, según mediciones radiactivas que probablemente sean bastante precisas.

Actualmente, el torio es aproximadamente 4 veces más abundante que el U-238, pero debido a que se desintegra 3 veces más lentamente, la producción de helio y la generación de calor en el núcleo de la Tierra son similares ( este gráfico sugiere que la producción de calor del torio es mayor, pero están cerca) .

La producción de helio del Torio ha sido bastante consistente, ya que el 80% del Torio en la formación del planeta todavía está aquí. La producción del U-238 fue aproximadamente el doble cuando se formó la Tierra. La producción del U-235 es actualmente insignificante en comparación con los otros dos, pero fue mucho mayor cuando la Tierra era joven. partiendo de que el U-235 es aproximadamente el 0,7% del uranio total y ha pasado entre 6 y 7 vidas medias desde la formación de la Tierra (y representa que el U-238 es el doble de abundante cuando se formó la Tierra), eso significa entre 32 y 64 (digamos 50) x 0,7, por lo que había un 30-40% tanto de U-235 como de U-238 cuando se formó la Tierra.

Malas matemáticas otra vez:

Torio, 2.5-3 toneladas por año ahora, 25% más que cuando se formó la Tierra. digamos 3 toneladas por año, promedio

U-238, 2,5 toneladas por año ahora, el doble que cuando se formó la tierra. permitamos un promedio aproximado de eso a 3.5-4 toneladas por año en promedio.

No voy a promediar el U-235 porque comienza demasiado alto y se descompone demasiado rápido, pero si hubiera un 30-40% de U-235 tanto como U-238 cuando se formó la Tierra, puedo simplemente multiplicar el U-238. números en un 35% y en 7/8, resultando en un promedio de alrededor de 1 tonelada por año.

Lo estoy haciendo por año/en promedio solo para malas matemáticas rápidas, por lo que 3 + 3-4 + 1 = alrededor de 7.5 toneladas por año x 4.5 mil millones de años - estimación rápida de cuánto helio produjeron esos 3 elementos - muy mala estimación , 33 mil millones de toneladas. La mayor parte de este helio se produce y quedaría atrapado en el interior de la Tierra hasta que la tectónica de placas le permita escapar. La tasa de escape está por encima de mi nivel de pago.

Samario-146 es el más difícil de estimar. Esencialmente, todo se descompone en Neodimio-142, pero tanto el Samario (tiene varios isótopos estables) como el Neodimio son abundantes, y esta cadena produce un solo helio. Es probable que no haga una gran diferencia en el total. Tabla de abundancia elemental en la corteza terrestre .

Atmosféricamente hablando, 33 mil millones de toneladas no es nada. Incluso si nos ajustamos a 40, 60 o 300 mil millones de toneladas, eso sigue siendo esencialmente demasiado poco para ser una atmósfera. Actualmente, el helio tiene alrededor de 5,2 ppm en la atmósfera y le da a la atmósfera de la Tierra una masa de alrededor de 5600 billones de toneladas, 5,2 % por molécula, ajustada por la proporción de masa de helio (4) a nitrógeno/oxígeno (29), hay alrededor de 4000 millones de toneladas. de helio en la atmósfera terrestre hoy. Si tuviéramos que decir que se produjeron 400 mil millones de toneladas de helio en la Tierra por desintegración radiactiva (alrededor de 10 veces mi estimación), eso sigue siendo una pequeña cantidad, solo 100 veces la cantidad actual o 520 PPM, que es menos que el argón ( actualmente 9.300 ppm ). Argón-40 que proviene de la desintegración radiactiva del Potasio-40(alrededor del 10% del tiempo), es más común porque el potasio-40 es mucho más común que el uranio, el torio y el samario-146 que descomponen las partículas alfa.

Esa es una respuesta muy larga que básicamente dice que no hay suficientes elementos emisores de partículas alfa que duren lo suficiente para sobrevivir a la formación planetaria, que produzcan algo más que una pequeña cantidad de helio.

La Tierra también retiene algo de helio terrestre, alrededor del 7% del helio de la Tierra es terrestre, el 93% se forma por desintegración radiactiva. La mayor parte del helio terrestre de la Tierra está en su manto, muy poco en su corteza.

Algunas lecturas interesantes y vagamente relacionadas. Yellowstone es capaz de liberar más helio que el material radiactivo que produce porque su corteza es única, muy antigua y ha atrapado helio durante más de 2 mil millones de años, solo recientemente comenzó a liberarlo.

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En cuanto a su pregunta original. Según tengo entendido, un planeta necesita ser muy grande para adquirir cantidades significativas de helio. Por partículas, el universo tiene un 92% de hidrógeno y un 8% de helio (o 75%-25% en masa).

La atmósfera exterior de Júpiter es ligeramente más rica en helio que eso, aproximadamente un 10% de helio.

La atmósfera superior de Urano tiene aproximadamente un 15% de helio , pero solo su borde exterior. Urano, a diferencia de Júpiter y Saturno, no es principalmente un planeta de hidrógeno y helio, es más un planeta de agua/hielo, a veces llamado gigante de hielo.

Parece que los planetas deben ser muy masivos para obtener cantidades significativas de los elementos más comunes, hidrógeno y helio, luego, como implica el artículo de Wikipedia , necesitan calentarse para perder su hidrógeno, por lo que los planetas con atmósfera de helio probablemente deban ser bastante grande, quizás más masivo que Neptuno. Podría ser bastante más difícil para un planeta terrestre típico hacer eso, a menos que fuera muy masivo y un planeta terrestre tan masivo podría parecerse a un gigante gaseoso de todos modos debido a una atmósfera muy espesa.

Me cuesta pensar en cualquier otra forma en que pueda ocurrir una atmósfera de helio, a menos que el planeta esté por debajo de los 20 grados K ​​y todos los demás gases se conviertan en líquido o hielo, pero sospecho que esa no es la respuesta que está buscando. . Creo que un planeta probablemente necesita ser bastante grande para retener cantidades significativas de helio. fuera de una circunstancia muy extraña como una enana blanca de helio que choca con otro objeto grande dentro de un vivero estelar, incluso entonces, el gas helio no se acumula como hielos y material rocoso, pero tal vez tal escenario podría poner suficiente helio en la formación planetaria. (un poco loco qué pasaría si), y no estoy seguro de comprarlo.

Traté de razonar esto, así que las correcciones son bienvenidas y alentadas. Intentaré limpiar la gramática un poco más tarde.