פחמן דו-חמצני אמור להיות ההרכב ה"רגיל" של האטמוספירה של פלנטה ארצית. בהתחלה ההכללה הזו עשויה להיראות שגויה, כי רק פלנטות מעטות מצייתות לה. לנוגה ולמאדים יש אטמוספירות של פחמן דו-חמצני, אבל לירח ולמרקורי אין אטמוספירות של ממש, ולכדור הארץ יש אטמוספירה של חנקן וחמצן, עם מעט מאוד פחמן דו-חמצני. אבל בואו נבחן מקרוב את התנאים הפיזיקליים בכל פלנטה. כל הפלנטות הארציות (והירח) היו בתחילת דרכן חמות מספיק לפעילות געשית, כפי שמראים מישורי הלבה בירח, במרקורי, במאדים, בנוגה ובכדור הארץ. כשהרי געש מתפרצים, הם פולטים פחמן דו-חמצני ואדי מים. לכן תוצרי הלוואי הטבעיים של הפנים המותך של פלנטה ארצית הם הגזים CO2 ו-H2O.
באדיבות NASA
באדיבות NASA
באדיבות NASA
אבל הרי הגעש אינם הגורם היחיד שמשפיע על הרכב האטמוספירה. הירח ומרקורי קטנים, וכוח המשיכה שלהם חלש, ולכן הם איבדו עם הזמן את האטמוספירות המקוריות שלהם. פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה מהשמש יכולים לפרק מולקולות מים לאטומים נפרדים של מימן וחמצן. היסודות הקלים האלה מקבלים תאוצות עצומות כשמולקולות אחרות מתנגשות בהם. המשקל האטומי של מימן הוא 1, של חמצן 16, המשקל המולקולרי של אדי מים 18, ושל פחמן דו-חמצני 44. מהתורה הקינטית של הגזים אנחנו יודעים שבאטמוספירה של תערובת גזים, אטומים או מולקולות קלים יכולים להאיץ בהתנגשויות למהירויות גבוהות – אפילו עד למהירות המילוט של הפלנטה. לכן היינו מצפים שהמימן יימלט בקלות, והפחמן הדו-חמצני יישאר. אפשר לשלב את העיקרון הזה עם התכונות הכימיות של הגזים כדי להסביר מדוע האטמוספירות של הפלנטות הארציות שונות כל כך זו מזו.
באדיבות NASA
בנוגה ובמאדים התפרקו מולקולות המים, והשאירו מאחור את מולקולות הפחמן הדו-חמצני. כשמולקולות מים מתפרקות לאטומים של מימן וחמצן, המימן דולף במהירות לחלל, ומולקולות המים כבר אינן יכולות להיווצר מחדש. אטומי החמצן שנשארים אינם מצטברים באטמוספירה, כי הם פעילים מאוד מבחינה כימית. במקום זאת הם מגיבים עם המינרלים שעל פני השטח, מחמצנים אותם, ונלכדים בסלעים ובקרקע. כך התחמצנו המינרלים של הברזל במאדים, וכך נוצר צבעו החלוד האופייני. המים שבאטמוספירה של מאדים שלא התפרקו ונמלטו קפאו בכיפות הקרח שבקטבים ובשכבות של קרקע קפואה מתחת לפני השטח.
גם לנוגה וגם למאדים יש אטמוספירות של פחמן דו-חמצני, אבל העובי שלהן שונה מאוד. האטמוספירה של נוגה עבה פי 90 בערך מזו של כדור הארץ, ואילו הלחץ האטמוספירי על פני מאדים הוא פחות מאחוז אחד מזה שעל פני כדור הארץ. ההבדל בין האטמוספירות נובע בעיקר מגודל הפלנטות: מאדים קטן יותר, וכוח המשיכה שלו היה חלש מכדי להחזיק יותר מאטמוספירה דלילה של פחמן דו-חמצני.
ההתפתחות של האטמוספירה של כדור הארץ חרגה מהדפוס הרגיל הזה. בניגוד לפלנטות האחרות, הטמפרטורה בכדור הארץ בדיוק מתאימה לכך שאדי המים יתעבו למים נוזליים ויצרו אוקיינוסים, במקום להישאר גז באטמוספירה. כשהיו אוקיינוסים נוזליים, הפחמן הדו-חמצני התמוסס בהם בקלות, ויצר תמיסה חלשה של חומצה פחמתית. החומצה הפחמתית הגיבה עם סלעים ויצרה מרבצים של מינרלים קרבונטיים. התהליך הזה הוציא מהאטמוספירה כמויות עצומות של פחמן דו-חמצני והשקיע אותן כסלעים. אחרי שהפחמן הדו-חמצני הוצא, או "נוקה", מהאטמוספירה, נשארה לכדור הארץ אטמוספירה יוצאת דופן, העשויה בעיקר חנקן (N2), שאחרת היה נשאר רכיב משני בלבד. שימו לב שחנקן הוא גז כבד, שמשקלו המולקולרי 28, ולכן כוח המשיכה של כדור הארץ מחזיק בו בקלות.
יש מבחן אלגנטי להסבר הזה לייחודה של האטמוספירה של כדור הארץ. כדור הארץ ונוגה דומים בגודלם, ולכן הם אמורים היו לייצר בתחילה כמויות דומות של פחמן דו-חמצני. בנוגה הפחמן הדו-חמצני אמור להיות באטמוספירה, ובכדור הארץ – כלוא בסלעים. מדענים ערכו מפקד של כל כמות הפחמן הדו-חמצני שבסלעים של כדור הארץ, ומצאו שיש בסלעים של כדור הארץ כמעט אותה כמות של פחמן דו-חמצני כמו באטמוספירה של נוגה.
→ הסעיף הקודם: 6.33 כבידה ואטמוספירות | הסעיף הבא: 6.35 חשיבותו של החמצן ←