چرا جو به فضا مکیده نمیشود

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: roham hesami

محل اقامت: Tehran -Qeytariyeh, Ketabi Street, 8 meters from Saba

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 431

سپاس: 207

جنسیت:

تماس:

چرا جو به فضا مکیده نمیشود

پست توسط rohamjpl »

ابتدا در مورد ثبات جو Atmospheric stability چند مثال میزنم
فرار از زمینتصویر
برای اینکه هر چیزی از زمین خارج شود و دیگر هرگز برنگردد ، اعم از یک فضاپیما ، ذره ای از گرد و غبار یا یک مولکول ، باید با سرعت فرار یا بالاتر از آن در حرکت باشد - حدود 11 کیلومتر در ثانیه در سطح زمین ، در قسمت زمین کمی کمتر خط کارمان (ارتفاعی که لبه فضا در نظر گرفته می شود). کندتر ، و این جسم مسیر مداری را در اطراف زمین دنبال می کند یا به زمین برمی گردد.
گاز مجموعه ای از مولکول ها است که در فضا در حال حرکت هستند و با اجسام یا سایر مولکول ها برخورد می کنند. طبق توزیع آماری ، مولکولهای منفرد موجود در یک نمونه گاز دارای سرعتهای مختلفی خواهند بود. سرعت متوسط ​​(در واقع انرژی جنبشی) با پارامتری که ما دما می نامیم توصیف می شود.ممکن است که یک مولکول گاز ، مثلاً از برخورد ، سرعت فرار را بدست آورد و اگر اتفاقاً آن مولکول به اندازه کافی در جو قرار داشته باشد که به هیچ چیز دیگری برخورد نکند ، می تواند زمین را برای همیشه ترک کند. این اتفاق همیشه می افتد ، فقط در سرعتی که قابل توجه باشد ، نیست. مگر اینکه اتفاقاً مولکول ها مانند هیدروژن یا هلیوم بسیار سبک باشند. به دلیل سبک بودن آنهاست که در شرایطی که مولکولهای دیگر مانند نیتروژن و اکسیژن قادر به فرار از سرعت نیستند ، می توانند به راحتی تسریع شوند.
پاسخ واقعی این است که خلا of فضا هیچ نیرویی بر جو وارد نمی کند. هوا "نمی مکد". ما کلمه "مکیدن" را با "جاروبرقی" مرتبط می کنیم اما این یک اسم غلط است. این جاروبرقی ها نیست.
مثالی را من میزنم شما در نظر بگیرید که همه هوا را از جعبه خارج کرده و داخل آن خلا ایجاد کرده ایم. بگذارید بگوییم ما روی زمین ، در سطح دریا هستیم ، و یک جعبه را سوراخ می کنیم. چه اتفاقی خواهد افتاد؟هوا به داخل جعبه می ریزد و آن را پر می کند. باشه. اما چرا این کار را انجام داده است؟ دلیلش این بود که خلا هوا را به داخل جعبه می مکد؟ نه
آنچه در واقع در آنجا اتفاق می افتد این است که فشار هوا در اطراف جعبه باعث می شود هوا بدون فشار وارد فضا شود. هوایی که جعبه را پر می کند با فشار هوا به فضای خالی رانده می شود.
جاروها هرگز هوا را "نمی مکند". کاری که آنها انجام می دهند ارائه یک فضای خالی است و سپس فشار هوا .هوا را به خلا منتقل می کند.
فشار هوا در کل جو یکنواخت نیست. هرچه ارتفاع کمتر باشد ، فشار هوا بیشتر می شود. بنابراین ، هرچه بالاتر می روید ، فشار هوا کاهش می یابد. در واقع ، در حد بالایی جو ، فشار هوا اساساً به صفر کاهش می یابد.
و از آنجا که فشار هوایی واقعی برای صحبت کردن در آنجا وجود ندارد ، پس هیچ نیرویی نیست که هوا را به فضای خالی فشار دهد.
اکنون ، این بدان معنی نیست که جاذبه در اینجا کار نمی کند. در حقیقت ، گرانش دلیل اصلی ما فشار هوا است. گرانش جو را تحت فشار قرار می دهد ، آن را فشرده می کند و فشار ایجاد می کند.
اگر می توانستیم جاذبه را به طرز جادویی خاموش کنیم ، جو از آن فشرده سازی آزاد می شود و از زمین دور می شود.
بنابراین ، در ریشه آن ، جاذبه چیزی است که جو را در نزدیکی سطح نگه می دارد. برای انجام این کار فقط مبارزه با خلافضا نیست.
اگر گرانش زمین یک نیروی گرانشی رو به پایین به سمت همه مولکول های هوا وارد کند ، چگونه ممکن است که مولکول ها سرانجام حرکت خود را از دست ندهند و همه ته نشین شوند؟ چگونه جو بعد از میلیاردها سال هنوز مایل فرسوده است؟تی در دمای صفر به دلیل مکانیک کوانتوم ، مولکول ها کمی تکان می خورند
جو در بعضی از نقاط یخ می زند (مانند 50K) بنابراین در زیر آن دما فقط روی زمین قرار می گیرد
من فرض کردم که زمین و جو دمای یکسانی دارند زیرا در تعادل گرمایی قرار دارند. در حقیقت ، دمای آنها می تواند کمی متفاوت باشد ، زیرا فرآیندهای اضافی انتقال حرارت آهسته دارندمکانیک آماری برای اینکه شما را با چیزی کمی دقیق تر (هرچند کاملاً ساده) روبرو سازد ، به ما می گوید که احتمال وجود بخشی از سیستم در یک انرژی معین برای اشغال سطح$p \propto \exp({-E \over kT}) $ است که k یک ثابت بولتزمن است. ؛ به همین دلیل فقط متناسب است ، ∝).برای جو گاز ایده آل که در آن مولکول ها فقط انرژی بالقوه دارند (انرژی جنبشی در اینجا مهم نیست زیرا مولکول ها در گاز ایده آل با یکدیگر تعامل ندارند) ما$E = mgh $ این به ما $p \propto \exp({-mgh \over kT})$ می دهد. می بینید که جو "می خواهد" پایین بیاید p (p برای h پایین تر بزرگتر است) اما دما آن را "مجبور" می کند که بالا برود. با معادله مقادیر مختلف T و g (قدرت جاذبه) بازی کنید تا ببینید چه اتفاقی می افتد.پاسخ های دیگر صحیح است اما برای درک آنها باید در مورد میزان انرژی گرمایی یک مولکول متوسط ایده بگیریدطبق توزیع ماکسول-بولتزمن ، محتمل ترین سرعت یک مولکول هوا (مثلاً نیتروژن) در دمای اتاق $v_p = \sqrt { \frac{2kT}{m} } = 422 m/s $ است. بدون برخورد با سایر مولکول هاقبل از اینکه گرانش آن را متوقف کند و به زمین بکشد ، می تواند به سمت بالا $h=\frac{v_{0}^{2}}{2g} $ = 9 کیلومتر حرکت کند. اساساً ، انرژی بالقوه مولکولها در میدان گرانشی در مقایسه با انرژی جنبشی آنها بسیار کم است تا بتواند آنها را پایین نگه دارد.بروزرسانی: هنوز هم گرانش دلیل این است که بعد از میلیاردها سال جو داریم.این بدان دلیل است که خورشید دائماً انرژی جنبشی آنها را تأمین می کند ، که می دانید دما است. سپس قانون گاز ایده آل p * V = nRT را بیان می کند ، بنابراین میزان حجم تقریباً ثابت می ماند.
فشار ناشی از دافعه الکترواستاتیک بین مولکول ها است که آنها را از هم دور می کند و نیروی جاذبه آنها را به سمت زمین بزرگ می کشاند.پاسخ های فعلی همه در ذره ذره فرو می روند ، بنابراین فکر کردم می توانم پاسخ مفهومی بیشتری ارائه دهم. اول از همه ، اگر همه اثرات متقابل ، تابشی و غیره را نادیده بگیرید و فقط تحت تأثیر نیروی جاذبه هوا را گاز ایده آلی بدانید ، پس به دلیل صرفه جویی در انرژی ، ته نشین نمی شود - جایی برای مولکول های هوا وجود ندارد انرژی جنبشی اولیه برای رفتن.
اما در عمل ، هوا ویسکوزیته کوچک اما غیر صفر دارد ، بنابراین در طول میلیاردها سال ، در درجه حرارت صفر اصطکاک داخلی باعث کاهش سرعت مولکول های هوا می شود (انرژی جنبشی از دست رفته را به عنوان گرما تابش می کند) و آنها واقعاً به زیر زمینمولکول های هوای اطراف ما همه با یک سرعت حرکت نمی کنند ، حتی اگر هوا در یک دما باشد. برخی از مولکولهای هوا بسیار سریع حرکت خواهند کرد ، برخی با سرعت متوسط و بعضی از مولکولهای هوا به سختی حرکت خواهند کرد. به همین دلیل ، ما نمی توانیم questions جواب دهیم مانند "سرعت یک مولکول هوا در یک گاز چقدر است؟" از آنجا که یک مولکول در یک گاز می تواند یکی از تعداد زیادی سرعت ممکن را داشته باشد.
بنابراین به جای س ofال در مورد هر یک از مولکول های خاص گاز ، ما questions از این قبیل را می پرسیم: "توزیع سرعت در یک گاز در دمای مشخص چگونه است؟" ، جیمز کلرک مکسول و لودویگ بولتزمن پاسخ این سوال را فهمیدند. از نتیجه آنها به عنوان توزیع ماکسول-بولتزمن یاد می شود ، زیرا نشان می دهد که چگونه سرعت مولکول ها برای یک گاز ایده آل توزیع می شود. توزیع ماکسول-بولتزمن اغلب با نمودار زیر نشان داده شده است.محور y نمودار ماکسول-بولتزمن را می توان به عنوان تعداد مولکول در واحد سرعت در نظر گرفت. بنابراین ، اگر نمودار در یک منطقه مشخص بالاتر باشد ، به این معنی است که مولکول های گاز بیشتری با این سرعتها حرکت می کنند. [صبر کنید ، آیا احتمال حرکت یک مولکول گاز با سرعت دقیق برابر با صفر نیست؟
توجه داشته باشید که نمودار متقارن نیست. ، اما باید با صفر پایان یابد (از آنجا که یک مولکول نمی تواند سرعتی کمتر از صفر داشته باشد).معادله ریاضی واقعی برای توزیع ماکسول-بولتزمن کمی سخت و دیر فهم هست است
سرعت مربع-میانگین مربع یعنی چه؟
ممکن است فکر کنید سرعت مستقر در زیر قله نمودار ماکسول-بولتزمن میانگین سرعت یک مولکول در گاز است ، اما این درست نیست. سرعتی که مستقیماً در زیر قله قرار دارد \ redD {\ text {محتمل ترین سرعت} v_ {p}} محتمل ترین سرعت$ P(v) = 4\pi \left ( \frac {M}{2\pi RT} \right)^{3/2} v^2 e ^{-Mv^2/2RT}$ما توزیعی را در نظر گرفتیم که در آن دما T است و هر مولکول سرعت یکسانی دارد (البته در جهت تصادفی) و از این رو انرژی جنبشی هر مولکول $\frac {3}{2}k_bT $ است. هنگامی که ما بیشتر ادامه می دهیم می بینیم که مولکول ها با یکدیگر برخورد می کنند و (در بیشتر اوقات) این برخورد ها بین نگاه کردن و برخورد رو در رو است. معلوم می شود که بعضی از مولکول ها به گونه ای با مولکول های دیگر برخورد می کنند که به مرور زمان انرژی جنبشی به دست می آورند ، برخی دیگر از مولکول ها به گونه ای با هم برخورد می کنند که از دست دادن خالص انرژی جنبشی آنها حاصل می شود و از این رو این توزیع حاصل می شود.
اما همانطور که قبلاً گفتم questions زیادی باید مطرح شود که یکی از آنها در زیر آورده شده است.دیو ماکسول یک آزمایش فکری است که در آن جیمز کلرک فیزیکدان ، ماکسول پیشنهاد کرد که چگونه قانون دوم ترمودینامیک ممکن است به طور فرضی نقض شود. اصولاً یک شیطان در کوچکی بین دو محفظه گاز را کنترل می کند. با نزدیک شدن مولکولهای منفرد گاز به در ، دیو به سرعت در را باز کرده و در را می بندد تا مولکولهای سریع به محفظه دیگر عبور کنند ، در حالی که مولکولهای کند در محفظه اول باقی می مانند. از آنجا که مولکولهای سریعتر داغتر هستند ، رفتار شیطان باعث می شود که یک محفظه با خنک شدن اتاق دیگر گرم شود ، در نتیجه آنتروپی کاهش یافته و قانون دوم ترمودینامیک را نقض می کندهمه چیز اون چیه؟خوب دقت کنید باعث ثبات جو همین هست
سرعت خاموش و ثبات جوی / بی ثباتی.
میزان افت اتمسفر نوعی است که در آن دما با ارتفاع کاهش می یابد. فرض کنید به دلایلی بسته هوای جدا شده شروع به بالا آمدن می کند. این به دلیل کاهش فشار به دلیل افزایش میزان خنک می شود. سرعت خنک شدن این بسته به صورت آدیاباتیک با توجه به ارتفاع منجر به سرعت لغزش آدیاباتیک می شود. اگر سرعت لغزش اتمسفر از این میزان لرزش آدیاباتیک بیشتر باشد ، آن دسته از بسته های در حال افزایش به دلیل شناوری ادامه پیدا می کنند. جو با میزان افت فوق العاده آدیاباتیک ، جو ناپایداری است.
از طرف دیگر ، اگر سرعت لغزش جوی کمتر از میزان لغزش آدیاباتیک باشد ، آن دسته از بسته های هوا که در حال افزایش هستند ، به همان مکانی که شروع کرده اند برمی گردند و به همین ترتیب ، بسته های هوایی که در حال سقوط هستند ، به همان مکانی که شروع کرده اند برمی گردند. متناوباً ، اگر سرعت لغزش اتمسفر از میزان لغزش آدیاباتیک کمتر باشد ، بسته های هوا بالا یا پایین نمی آیند. جو با نرخ افت زیر آدیاباتیک در برابر همرفت پایدار است.
در سناریوی توصیف شده در سوال ، جو غیر ایده آل زمین با یک گاز ایده آل در یک ظرف (احتمالاً عایق بندی شده) جایگزین شده است. فرض کنید میزان افت اولیه در آن ظرف فوق آدیاباتیک باشد. در این حالت ، همرفت به سرعت گاز موجود در ظرف را به حالتی می رساند که سرعت لپ آن آدیاباتیک است.
نفوذ تنها فرایندی است که در طی آن دما می تواند با گذشت زمان تغییر کند ، در حالی که میزان افت در آدیاباتیک یا کمتر است. نفوذ تقریباً به اندازه قابل توجهی و همرفت در جو پایین زمین قابل توجه نیست. (نفوذ بیش از تلاطم در جو زمین بالاتر از حدود 100 کیلومتر ارتفاع است. این توربوپوز است.)
در اخرمثالی میزنم توزیع دما در ستون هوا اگر ستون مایع مانند جو بسیار بلند باشد ، فشار با افزایش ارتفاع کاهش می یابد و فرض روند جابجایی ایزوباریک مناسب نیست. معمولاً فرایند جابجایی آدیاباتیک برگشت پذیر (یعنی ایزنتروپیک) فرض می شود ، و این با گفتن اینکه هوا رسانای ضعیف گرما است ، توجیه می شود ، در زمان جابجایی یک عنصر سیال ، مقدار ناچیز گرما را از دست می دهد. اگر یک بسته هوایی به سمت بالا جابجا شود ، به دلیل کاهش فشار ، دما و چگالی آن کاهش می یابد (یادآوری ، $p/\rho ^\gamma= $ = ثابت). سوال این است که آیا چگالی به حدی کاهش یافته است که در آن سطح کمتر از چگالی جوی باشد؟ اگر داشته باشد ، ستون ناپایدار است ، در غیر این صورت پایدار است. همان محاسبه برای جابجایی رو به پایین نیز باید تکرار شود (فقط برای اطمینان) ، اما منطق یکسان است.ببینید اگر ستون هوا مهر و موم شده باشد ، احتمالاً باید فرض کنیم که جریان هوا زیاد نیست. در حالت ثابت می توانیم از صرفه جویی در انرژی برای حل این مسئله استفاده کنیم.
اول - فرض کنید که مجموع (متوسط) انرژی جنبشی و پتانسیل مولکول ها ، مستقل از ارتفاع ، ثابت باشد. می دانیم که در یک دما مشخص انرژی جنبشی گاز دیاتومیک سبک (مانند اکثر اجزای هوا) است$KE = \frac52 k_B T $و $m~g~h + \frac52 k_B T = \rm{C} $این بدان معنی است که با تغییر ارتفاع ، یک تغییر خطی در دما ایجاد می شود:$T(h) = T(0) - \frac{2mgh}{5 k_B} $که منجر به تغییر درجه حرارت 1 K برای هر 70 متر می شود. در واقع ، شیب جو (طبق براورد ناسا) حدود 0.00649 کیلومتر در متر است$T(h) = T(0) - 0.014 h $ یا دقیق بگم $ \rho(h)\propto e^{-mgh/kT}$دلیلی ندارد که توزیع در یک ستون واقعی جوی هم دما باشد. در واقع ، در قسمت پایین جو زمین که توسط همرفت به هم می خورد ، درجه حرارت با ارتفاع تقریباً با سرعت لغزش آدیاباتیک کاهش می یابد. این به این دلیل است که اگر بسته ای از هوا به سمت یک منطقه با فشار کمتر حرکت کند ، منبسط شده و سرد می شود. به همین ترتیب بسته ای که به سمت پایین حرکت می کند فشرده شده و داغ می شود.
البته دمای غیر یکنواخت فقط در تعادل مکانیکی نیست. برای تعادل حرارتی فرد تصور نمی کند که دما ثابت است ، می توان آن را در تنظیمات مکانیکی آماری مناسب اثبات کرد.
تصویر

ارسال پست