10.3: الغلاف الجوي الهائل لكوكب الزهرة

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197146

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

وصف التكوين العام وهيكل الغلاف الجوي على كوكب الزهرة
اشرح كيف أدى تأثير الاحتباس الحراري إلى ارتفاع درجات الحرارة على كوكب الزهرة

ينتج الغلاف الجوي السميك لكوكب الزهرة درجة حرارة سطح عالية ويغلف السطح في شفق أحمر دائم. لا تخترق أشعة الشمس بشكل مباشر السحب الكثيفة، ولكن السطح مضاء جيدًا بالضوء المنتشر (تقريبًا مثل الضوء على الأرض تحت غائم شديد). يظل الطقس في الجزء السفلي من هذا الغلاف الجوي العميق حارًا وجافًا دائمًا، مع رياح هادئة. بسبب الغطاء الثقيل للغيوم والغلاف الجوي، فإن بقعة واحدة على سطح كوكب الزهرة تشبه أي بقعة أخرى فيما يتعلق بالطقس.

تكوين وهيكل الغلاف الجوي

أكثر الغازات وفرة في كوكب الزهرة هو ثاني أكسيد الكربون (\(\ce{CO_2}\))، والذي يمثل 96٪ من الغلاف الجوي. الغاز الثاني الأكثر شيوعًا هو النيتروجين. إن هيمنة ثاني أكسيد الكربون على النيتروجين ليست مفاجئة عندما تتذكر أن الغلاف الجوي للأرض سيكون أيضًا في الغالب ثاني أكسيد الكربون إذا لم يتم حبس هذا الغاز في الرواسب البحرية (انظر مناقشة الغلاف الجوي للأرض في الأرض ككوكب).

\(\PageIndex{1}\)يقارن الجدول تركيبات الغلاف الجوي لكوكب الزهرة والمريخ والأرض. وبهذه الطريقة، كنسب مئوية، فإن نسب الغازات الرئيسية متشابهة جدًا بالنسبة لكوكب الزهرة والمريخ، ولكن من حيث الكمية الإجمالية، تختلف أجواؤها الجوية بشكل كبير. يبلغ ضغط سطح كوكب الزهرة 90 بارًا، وهو يزيد حجمه عن نظيره المريخي بأكثر من 10000 مرة. بشكل عام، الغلاف الجوي لكوكب الزهرة جاف جدًا؛ وغياب الماء هو أحد الطرق المهمة التي تختلف بها الزهرة عن الأرض.

الجدول\(\PageIndex{1}\): تكوين الغلاف الجوي للأرض والزهرة والمريخ
الغاز	كوكب الأرض	كوكب الزهرة	المريخ
ثاني أكسيد الكربون (CO ₂)	0.03%	96%	95.3%
نيتروجين (ن ₂)	78.1%	3.5%	2.7%
أرجون (عربي)	0.93%	0.006%	1.6%
الأكسجين (O ₂)	21%	0.003%	0.15%
نيون (جديد)	0.002%	0.001%	0.0003%

يحتوي الغلاف الجوي لكوكب الزهرة على طبقة تروبوسفير ضخمة (منطقة الحمل الحراري) تمتد حتى 50 كيلومترًا على الأقل فوق السطح (الشكل\(\PageIndex{1}\)). داخل طبقة التروبوسفير، يتم تسخين الغاز من الأسفل ويدور ببطء، ويرتفع بالقرب من خط الاستواء وينزل فوق القطبين. إن التواجد في قاعدة الغلاف الجوي لكوكب الزهرة يشبه أن تكون على بعد كيلومتر أو أكثر تحت سطح المحيط على الأرض. هناك، تعمل كتلة الماء على تسوية التغيرات في درجات الحرارة وتؤدي إلى بيئة موحدة - وهو نفس تأثير الغلاف الجوي السميك على كوكب الزهرة.

بديل — الشكل: الغلاف الجوي\(\PageIndex{1}\) لكوكب الزهرة. تستند طبقات الغلاف الجوي الضخم لكوكب الزهرة الموضحة هنا إلى بيانات من مجسات دخول Pioneer و Venera. يتم قياس الارتفاع على طول المحور الأيسر، ويظهر المقياس السفلي درجة الحرارة، ويسمح لك الخط الأحمر بقراءة درجة الحرارة عند كل ارتفاع. لاحظ مدى ارتفاع درجة الحرارة بشكل حاد تحت الغيوم، وذلك بفضل تأثير الاحتباس الحراري الهائل على كوكب الأرض.

في طبقة التروبوسفير العليا، التي تتراوح بين 30 و60 كيلومترًا فوق سطح الأرض، تتكون الطبقة السحابية السميكة أساسًا من قطرات حمض الكبريتيك. يتكون حمض الكبريتيك\(H_2SO_4\)) من مزيج كيميائي من ثاني أكسيد الكبريت (\(SO_2\)) والماء (\(\ce{H_2O}\)). في الغلاف الجوي للأرض، يعد ثاني أكسيد الكبريت أحد الغازات الأولية المنبعثة من البراكين، ولكن يتم تخفيفه بسرعة وغسله بسبب هطول الأمطار. في الغلاف الجوي الجاف لكوكب الزهرة، تبدو هذه المادة غير السارة مستقرة. أقل من 30 كيلومترًا، يكون الغلاف الجوي لكوكب الزهرة خاليًا من السحب.

درجة حرارة سطح كوكب الزهرة

تم اكتشاف درجة حرارة سطح كوكب الزهرة العالية من قبل علماء الفلك الراديويين في أواخر الخمسينيات وأكدتها مجسات Mariner و Venera. كيف يمكن أن يكون كوكب جارنا حارًا جدًا؟ على الرغم من أن كوكب الزهرة أقرب إلى الشمس إلى حد ما من الأرض، إلا أن سطحه أكثر حرارة بمئات الدرجات مما تتوقعه من ضوء الشمس الإضافي الذي يتلقاه. تساءل العلماء عما يمكن أن يؤدي إلى تسخين سطح كوكب الزهرة إلى درجة حرارة أعلى من 700 K. وتبين أن الإجابة هي تأثير الاحتباس الحراري.

يعمل تأثير الاحتباس الحراري على كوكب الزهرة تمامًا كما هو الحال على الأرض، ولكن نظرًا لأن كوكب الزهرة لديه أكثر من ذلك بكثير\(\ce{CO_2}\) - ما يقرب من مليون مرة - فإن التأثير أقوى بكثير. \(\ce{CO_2}\)تعمل السماكة كبطانية، مما يجعل من الصعب جدًا على الأشعة تحت الحمراء (الحرارة) من الأرض العودة إلى الفضاء. ونتيجة لذلك، ترتفع درجة حرارة السطح. لا يتم استعادة توازن الطاقة إلا عندما يشع الكوكب بقدر الطاقة التي يتلقاها من الشمس، ولكن هذا لا يمكن أن يحدث إلا عندما تكون درجة حرارة الغلاف الجوي السفلي مرتفعة جدًا. تتمثل إحدى طرق التفكير في تسخين الدفيئة في أنه يجب رفع درجة حرارة سطح كوكب الزهرة حتى يتم تحقيق توازن الطاقة هذا.

هل كانت الزهرة تتمتع دائمًا بمثل هذا الجو الهائل ودرجة حرارة سطحها المرتفعة، أو ربما تطورت إلى مثل هذه الظروف من مناخ كان يشبه الأرض مرة أخرى؟ إن الإجابة على هذا السؤال ذات أهمية خاصة بالنسبة لنا عندما ننظر إلى المستويات المتزايدة\(\ce{CO_2}\) في الغلاف الجوي للأرض. عندما يصبح تأثير الاحتباس الحراري أقوى على الأرض، هل نحن في خطر تحويل كوكبنا إلى مكان جهنمي مثل كوكب الزهرة؟

دعونا نحاول إعادة بناء التطور المحتمل لكوكب الزهرة من بداية تشبه الأرض إلى حالتها الحالية. ربما كانت الزهرة ذات يوم تتمتع بمناخ مشابه لمناخ الأرض، مع درجات حرارة معتدلة ومحيطات مائية والكثير منها\(\ce{CO_2}\) مذاب في المحيط أو مدمج كيميائيًا مع الصخور السطحية. ثم نسمح بالتدفئة الإضافية المتواضعة - عن طريق الزيادة التدريجية في إنتاج الطاقة من الشمس، على سبيل المثال. عندما نحسب كيفية استجابة الغلاف الجوي لكوكب الزهرة لمثل هذه التأثيرات، يتبين أنه حتى كمية صغيرة من الحرارة الزائدة يمكن أن تؤدي إلى زيادة تبخر المياه من المحيطات وإطلاق الغاز من الصخور السطحية.

وهذا بدوره يعني زيادة إضافية في الغلاف الجوي\(\ce{CO_2}\)\(\ce{H_2O}\) والغازات التي من شأنها تضخيم تأثير الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي لكوكب الزهرة. سيؤدي ذلك إلى مزيد من الحرارة بالقرب من سطح كوكب الزهرة\(\ce{CO_2}\) وإطلاق المزيد من الرمال\(\ce{H_2O}\). ما لم تتدخل بعض العمليات الأخرى، تستمر درجة الحرارة في الارتفاع. مثل هذا الموقف يسمى تأثير الاحتباس الحراري الجامح.

نريد التأكيد على أن تأثير الاحتباس الحراري الجامح ليس مجرد تأثير كبير لظاهرة الاحتباس الحراري؛ إنها عملية تطورية. يتطور الغلاف الجوي من تأثير صغير للاحتباس الحراري، كما هو الحال على الأرض، إلى حالة يكون فيها الاحتباس الحراري عاملاً رئيسيًا، كما نرى اليوم على كوكب الزهرة. بمجرد تطور ظروف الاحتباس الحراري الكبيرة، ينشئ الكوكب توازنًا جديدًا أكثر سخونة بالقرب من سطحه.

من الصعب عكس الموقف بسبب الدور الذي تلعبه المياه. أما على الأرض، فإن معظمها إما\(\ce{CO_2}\) مرتبط كيميائياً بصخور قشرتنا أو يذوب بالمياه في محيطاتنا. عندما أصبحت الزهرة أكثر سخونة وأكثر سخونة، تبخرت محيطاتها، مما أدى إلى القضاء على صمام الأمان هذا. لكن بخار الماء في الغلاف الجوي للكوكب لن يدوم إلى الأبد في وجود الأشعة فوق البنفسجية من الشمس. يمكن لعنصر الضوء أن يهرب الهيدروجين من الغلاف الجوي، تاركًا الأكسجين وراءه ليندمج كيميائيًا مع الصخور السطحية. لذلك فإن فقدان الماء عملية لا رجعة فيها: بمجرد اختفاء الماء، لا يمكن استعادته. هناك أدلة على أن هذا هو بالضبط ما حدث للماء الذي كان موجودًا على كوكب الزهرة.

لا نعرف ما إذا كان نفس تأثير الاحتباس الحراري الجامح يمكن أن يحدث يومًا ما على الأرض. على الرغم من أننا غير متأكدين من النقطة التي ينهار فيها تأثير الاحتباس الحراري المستقر ويتحول إلى ظاهرة الاحتباس الحراري الجامحة، فإن كوكب الزهرة يمثل دليلًا واضحًا على حقيقة أن الكوكب لا يمكن أن يستمر في التسخين إلى أجل غير مسمى دون تغيير كبير في محيطاته وغطائه الجوي. إنها نتيجة نريد نحن وأحفادنا بالتأكيد أن نوليها اهتمامًا وثيقًا.

ملخص

جو فينوس هو 96٪\(\ce{CO_2}\). تتكون السحب الكثيفة على ارتفاعات من 30 إلى 60 كيلومترًا من حمض الكبريتيك\(\ce{CO_2}\)، ويحافظ تأثير الاحتباس الحراري على ارتفاع درجة حرارة السطح. من المفترض أن كوكب الزهرة وصل إلى حالته الحالية من ظروف أولية تشبه الأرض نتيجة لظاهرة الاحتباس الحراري الجامحة، والتي تضمنت فقدان كميات كبيرة من المياه.

مسرد المصطلحات

تأثير الاحتباس الحراري الجامح: العملية التي من خلالها يستمر تأثير الاحتباس الحراري في النمو بمعدل متزايد بدلا من الحفاظ على استقراره أو تقليله من خلال التدخل