Κάθε στροφή και κάθε φρενάρισμα κρύβουν νόμους της φυσικής που καθορίζουν το αποτέλεσμα. Ανακάλυψε πώς η ορμή επηρεάζει την κίνηση και τι συμβαίνει στις συγκρούσεις. Άνοιξε το καπό και δες πώς τα αέρια μετατρέπουν τη θερμότητα σε ισχύ. Μπες στη θέση του οδηγού και ετοιμάσου για τον μεγάλο αγώνα μαζί μας 🏎️🏁

Φυσική Προσανατολισμού Β' Λυκείου

14. Ένθετο: Γιατί δεν υπάρχει υδρογόνο στην ατμόσφαιρα της Γης

# Γιατί δεν υπάρχει υδρογόνο στην ατμόσφαιρα της Γης

Η κινητική θεωρία των αερίων εξηγεί γιατί η ατμόσφαιρα της Γης αποτελείται κυρίως από οξυγόνο και άζωτο και όχι από υδρογόνο, παρόλο που το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο Σύμπαν. Το κλειδί βρίσκεται στη σύνδεση ανάμεσα στην ενεργό ταχύτητα των μορίων (που εξαρτάται από τη μάζα τους και τη θερμοκρασία) και στην ταχύτητα διαφυγής <tooltip tip="η ελάχιστη ταχύτητα που πρέπει να έχει ένα σώμα για να ξεφύγει από το βαρυτικό πεδίο ενός ουράνιου σώματος">ταχύτητα διαφυγής</tooltip> από το βαρυτικό πεδίο. Η ταχύτητα διαφυγής στην επιφάνεια της Γης είναι \(11{,}2 \ \mathrm{km/s}\), ενώ στο όριο της ατμόσφαιρας (σε ύψος περίπου \(600 \ \mathrm{km}\)) μειώνεται στα \(10{,}8 \ \mathrm{km/s}\).

Η ενεργός ταχύτητα ενός μορίου συνδέεται με τη θερμοκρασία \(T\) και τη μάζα του μέσω της σχέσης

\[
\upsilon_{\varepsilon\nu} = \sqrt{\dfrac{3kT}{m}}
\]

όπου \(k\) η σταθερά Boltzmann και \(m\) η μάζα του μορίου. Επειδή η ενεργός ταχύτητα είναι αντιστρόφως ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας της μάζας, τα ελαφρύτερα μόρια κινούνται γρηγορότερα. Έτσι, σε θερμοκρασία περίπου \(1500 \ \mathrm{K}\) που επικρατεί στα ανώτερα στρώματα, τα μόρια οξυγόνου αποκτούν ενεργό ταχύτητα μόλις \(1{,}1 \ \mathrm{km/s}\), ενώ τα πολύ ελαφρύτερα μόρια υδρογόνου φτάνουν τα \(4{,}4 \ \mathrm{km/s}\).

<fact>

Η ενεργός ταχύτητα είναι αντιστρόφως ανάλογη της \(\sqrt{m}\): όσο μικρότερη η μάζα του μορίου, τόσο μεγαλύτερη η ταχύτητά του στην ίδια θερμοκρασία. Γι' αυτό το υδρογόνο (το ελαφρύτερο αέριο) κινείται πολύ γρηγορότερα από το οξυγόνο. 🚀

</fact>

Καμία από τις δύο ενεργές ταχύτητες δεν φτάνει την ταχύτητα διαφυγής. Ωστόσο, η κατανομή ταχυτήτων Maxwell–Boltzmann δείχνει ότι τα μόρια ενός αερίου δεν έχουν όλα την ίδια ταχύτητα: γύρω από την ενεργό ταχύτητα υπάρχει ένα ευρύ φάσμα τιμών. Για το οξυγόνο, τα μόρια πρακτικά ποτέ δεν αποκτούν ταχύτητα ίση με την ταχύτητα διαφυγής, οπότε παραμένει στην ατμόσφαιρα. Αντίθετα, για το υδρογόνο υπάρχει μεγάλος αριθμός μορίων με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα διαφυγής. Διαφεύγουν μόνο εκείνα που η ταχύτητά τους έχει τον κατάλληλο προσανατολισμό (προς τα έξω).

<alert>

Ακόμη και ένα μικρό ποσοστό μορίων που ξεπερνά την ταχύτητα διαφυγής αρκεί: σε διάστημα περίπου \(4 \times 10^{9}\) ετών το υδρογόνο διέφυγε σιγά - σιγά από το βαρυτικό πεδίο της Γης, διαχεόμενο προς τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. ⏳

</alert>

Με τον ίδιο τρόπο εξηγείται η σύσταση της ατμόσφαιρας άλλων ουράνιων σωμάτων. Η Σελήνη, στην οποία η ταχύτητα διαφυγής από την επιφάνεια είναι μόλις \(2{,}37 \ \mathrm{km/s}\), δεν έχει καθόλου ατμόσφαιρα, αφού ακόμη και τα βαρύτερα μόρια διαφεύγουν εύκολα. Στον Άρη, όπου η ταχύτητα διαφυγής είναι \(4{,}97 \ \mathrm{km/s}\), η ατμόσφαιρα είναι πολύ αραιή. 🌙
