Här på jorden tenderar vi att ta vår atmosfär för givet, och inte utan anledning. Vår atmosfär har en härlig blandning av kväve och syre (78% respektive 21%) med spårmängder vattenånga, koldioxid och andra gasformiga molekyler. Dessutom har vi ett atmosfärstryck på 101.325 kPa, som sträcker sig till en höjd av cirka 8,5 km.
Kort sagt, vår atmosfär är riklig och livslångt. Men hur är det med solsystemets andra planeter? Hur staplar de upp när det gäller atmosfärisk sammansättning och tryck? Vi vet faktiskt att de inte andas av människor och inte kan stödja livet. Men precis vad är skillnaden mellan dessa bollar av sten och gas och våra egna?
Till att börja med bör det noteras att varje planet i solsystemet har en atmosfär av ett eller annat slag. Och dessa sträcker sig från otroligt tunt och svagt (som Mercurys "exosfär") till den otroligt täta och kraftfulla - vilket är fallet för alla gasjättarna. Och beroende på planets sammansättning, oavsett om det är en markbunden eller en gas / is-jätte, varierar gaserna som utgör dess atmosfär från antingen väte och helium till mer komplexa element som syre, koldioxid, ammoniak och metan.
Mercury's Atmosphere:
Kviktsølv är för varmt och för litet för att behålla en atmosfär. Den har dock en svag och variabel exosfär som består av väte, helium, syre, natrium, kalcium, kalium och vattenånga, med en kombinerad trycknivå på cirka 10-14 stapel (en fyrdubbelsedel av jordens atmosfärstryck). Det antas att denna exosfär bildades av partiklar som fångats från solen, vulkanisk utgasning och skräp som kastades in i bana genom mikrometeoritpåverkan.
Eftersom det saknar en livskraftig atmosfär har Merkurius inget sätt att behålla värmen från solen. Som ett resultat av detta och dess höga excentricitet upplever planeten betydande temperaturvariationer. Medan den sida som vetter mot solen kan nå temperaturer upp till 700 K (427 ° C), medan sidan i skugga sjunker ner till 100 K (-173 ° C).
Venus 'atmosfär:
Ytobservationer av Venus har varit svåra tidigare, på grund av dess extremt täta atmosfär, som främst består av koldioxid med en liten mängd kväve. Vid 92 bar (9,2 MPa) är den atmosfäriska massan 93 gånger den för jordens atmosfär och trycket vid planetens yta är ungefär 92 gånger det på jordens yta.
Venus är också den hetaste planeten i vårt solsystem med en medeltemperatur på 735 K (462 ° C / 863,6 ° F). Detta beror på den CO²-rika atmosfären som, tillsammans med tjocka svaveldioxidmoln, ger den starkaste växthuseffekten i solsystemet. Ovanför det täta CO²-skiktet sprider tjocka moln som huvudsakligen består av svaveldioxid och svavelsyredroppar cirka 90% av solljuset ut i rymden.
Ett annat vanligt fenomen är Venus starka vindar, som når hastigheter upp till 85 m / s (300 km / h; 186,4 mph) vid molntopparna och cirklar planeten var fjärde till fem jorddagar. Vid denna hastighet rör sig dessa vindar upp till 60 gånger hastigheten för planetens rotation, medan jordens snabbaste vindar endast är 10-20% av planetens rotationshastighet.
Venus flybys har också indikerat att dess täta moln kan producera blixtnedslag, precis som molnen på jorden. Deras intermittenta utseende indikerar ett mönster som är förknippat med väderaktivitet, och blixtnedslaget är minst hälften av det på jorden.
Jordens atmosfär:
Jordens atmosfär, som består av kväve, syre, vattenånga, koldioxid och andra spårgaser, består också av fem lager. Dessa består av troposfären, stratosfären, mesosfären, termosfären och exosfären. Som regel minskar lufttrycket och densiteten ju högre man går in i atmosfären och desto längre är det från ytan.
Närmast jorden är troposfären, som sträcker sig från 0 till mellan 12 km och 17 km (0 till 7 och 10,56 mi) över ytan. Detta lager innehåller ungefär 80% av massan av jordens atmosfär, och nästan all atmosfärisk vattenånga eller fukt finns också här. Som ett resultat är det det lager där det mesta av jordens väder äger rum.
Stratosfären sträcker sig från troposfären till en höjd av 50 km (31 mi). Detta lager sträcker sig från toppen av troposfären till stratopausen, som ligger på en höjd av cirka 50 till 55 km (31 till 34 mi). Detta lager av atmosfären är hem till ozonskiktet, som är den del av jordens atmosfär som innehåller relativt höga koncentrationer av ozon.
Nästa är Mesosphere, som sträcker sig från ett avstånd av 50 till 80 km (31 till 50 mi) över havet. Det är den kallaste platsen på jorden och har en medeltemperatur på cirka -85 ° C (-120 ° F; 190 K). Termosfären, det näst högsta lagret i atmosfären, sträcker sig från en höjd av cirka 80 km (50 mi) upp till termopausen, som ligger på en höjd av 500–1000 km (310–620 mi).
Den nedre delen av termosfären, från 80 till 550 kilometer (50 till 342 mi), innehåller jonosfären - som så heter eftersom det är här i atmosfären som partiklar jonas av solstrålning. Detta lager är helt molnfritt och fritt från vattenånga. Det är också i denna höjd som fenomen som kallas Aurora Borealis och Aurara Australis är kända för att äga rum.
Exosfären, som är det yttersta lagret av jordens atmosfär, sträcker sig från exobasen - belägen högst upp på termosfären på en höjd av cirka 700 km över havet - till cirka 10 000 km (6 200 mi). Exosfären slås samman med det yttre rymdets tomhet och består huvudsakligen av extremt låga tätheter av väte, helium och flera tyngre molekyler inklusive kväve, syre och koldioxid
Exosfären ligger för långt ovanför jorden för att alla meteorologiska fenomen ska vara möjliga. Aurora Borealis och Aurora Australis förekommer emellertid ibland i den undre delen av exosfären, där de överlappar varandra i termosfären.
Den genomsnittliga yttemperaturen på jorden är ungefär 14 ° C; men som redan nämnts varierar detta. Till exempel var den hetaste temperaturen som någonsin registrerats på jorden 70,7 ° C (159 ° F), som togs i Lut Desert of Iran. Samtidigt mättes den kallaste temperaturen som någonsin registrerats på jorden vid den sovjetiska Vostok-stationen på den antarktiska platån och nådde ett historiskt läge på -89,2 ° C (-129 ° F).
Mars 'atmosfär:
Planet Mars har en mycket tunn atmosfär som består av 96% koldioxid, 1,93% argon och 1,89% kväve tillsammans med spår av syre och vatten. Atmosfären är ganska dammig och innehåller partiklar som mäter 1,5 mikrometer i diameter, vilket är det som ger den Martiska himlen en glödande färg när den ses från ytan. Mars 'atmosfärstryck sträcker sig från 0,4 - 0,87 kPa, vilket motsvarar cirka 1% av jordens havsnivå.
På grund av dess tunna atmosfär och dess större avstånd från solen är yttemperaturen på Mars mycket kallare än vad vi upplever här på jorden. Planetens medeltemperatur är -46 ° C (51 ° F), med en låg nivå av -143 ° C (-225,4 ° F) under vintern vid polerna, och en höjd av 35 ° C (95 ° F) under sommaren och middag vid ekvatorn.
Planeten upplever också dammstormar, som kan förvandlas till det som liknar små tornadon. Större dammstormar uppstår när dammet blåses i atmosfären och värms upp från solen. Den varmare dammfyllda luften stiger och vindarna blir starkare, vilket skapar stormar som kan mäta upp till tusentals kilometer i bredd och pågå i månader i taget. När de blir så stora kan de faktiskt blockera det mesta av ytan från synen.
Spårmängder av metan har också upptäckts i den Martiska atmosfären, med en uppskattad koncentration på cirka 30 delar per miljard (ppb). Det förekommer i utsträckta plommor, och profilerna innebär att metan släpptes från specifika regioner - varav den första ligger mellan Isidis och Utopia Planitia (30 ° N 260 ° W) och den andra i Arabia Terra (0 ° N 310 ° W).
Ammoniak upptäcktes också tentativt på Mars av Mars Express satellit, men med en relativt kort livslängd. Det är inte klart vad som producerade det, men vulkanisk aktivitet har föreslagits som en möjlig källa.
Jupiters atmosfär:
Liksom Jorden upplever Jupiter auroror nära dess norra och södra poler. Men på Jupiter är auroralaktiviteten mycket intensivare och slutar sällan någonsin. Den intensiva strålningen, Jupiters magnetfält och överflödet av material från Ios vulkaner som reagerar med Jupiters jonosfär skapar en ljusshow som verkligen är spektakulär.
Jupiter upplever också våldsamma vädermönster. Vindhastigheter på 100 m / s (360 km / h) är vanliga i zonstrålar och kan nå upp till 620 km / h. Stormar bildas inom timmar och kan bli tusentals km i diameter över natten. En storm, den stora röda fläcken, har rasat sedan åtminstone i slutet av 1600-talet. Stormen har krympt och expanderat genom sin historia; men under 2012 föreslogs att Giant Red Spot så småningom skulle försvinna.
Jupiter är evigt täckt med moln som består av ammoniakkristaller och eventuellt ammoniumhydrosulfid. Dessa moln är belägna i tropopausen och är arrangerade i band med olika breddegrader, kända som "tropiska regioner". Molnskiktet är bara cirka 50 km (31 mi) djupt och består av minst två däck av moln: ett tjockt undre däck och en tunn klarare region.
Det kan också finnas ett tunt lager av vattenmoln som ligger bakom ammoniakskiktet, vilket framgår av blixtnedslag som upptäcktes i Jupiters atmosfär, vilket skulle orsakas av att vattenets polaritet skapar den laddningsseparation som behövs för blixt. Observationer av dessa elektriska urladdningar indikerar att de kan vara upp till tusen gånger så kraftfulla som de som observeras här på jorden.
Saturnus atmosfär:
Den yttre atmosfären i Saturn innehåller 96,3% molekylärt väte och 3,25 volymprocent helium. Gasgiganten är också känd för att innehålla tyngre element, även om andelen av dessa relativt väte och helium inte är känd. Det antas att de skulle matcha det ursprungliga överflödet från bildandet av solsystemet.
Spårmängder av ammoniak, acetylen, etan, propan, fosfin och metan har också upptäckts i Saturnus atmosfär. De övre molnen är sammansatta av ammoniakkristaller, medan molnen på lägre nivå verkar bestå av antingen ammoniumhydrosulfid (NH4SH) eller vatten. Ultraviolett strålning från solen orsakar metanfotolys i den övre atmosfären, vilket leder till en serie kolväte-kemiska reaktioner, varvid de resulterande produkterna transporteras nedåt av virvel och diffusion.
Saturnus atmosfär uppvisar ett bandat mönster som liknar Jupiters, men Saturnus band är mycket svagare och bredare nära ekvatorn. Liksom med Jupiters molnlager är de uppdelade i de övre och nedre lagren, som varierar i sammansättning baserat på djup och tryck. I de övre molnskikten, med temperaturer i intervallet 100–160 K och tryck mellan 0,5–2 bar, består molnen av ammoniakis.
Vattenismoln börjar på en nivå där trycket är cirka 2,5 bar och sträcker sig ner till 9,5 bar, där temperaturerna sträcker sig från 185–270 K. Blandat i detta skikt är ett band av ammoniumhydrosulfidis, som ligger i tryckområdet 3–6 bar med temperaturer 290–235 K. Slutligen innehåller de nedre skikten, där trycket är mellan 10–20 bar och temperaturerna 270–330 K, ett område med vattendroppar med ammoniak i en vattenlösning.
Ibland visar Saturnus atmosfär långlivade ovaler, liknande det som vanligtvis observeras på Jupiter. Medan Jupiter har den stora röda fläcken, har Saturn regelbundet det som kallas den stora vita fläcken (alias Great White Oval). Detta unika men kortlivade fenomen inträffar en gång varje Saturnian år, ungefär var 30 jordår, runt tiden på norra halvklotets sommarsolstånd.
Dessa fläckar kan vara flera tusentals kilometer breda och har observerats 1876, 1903, 1933, 1960 och 1990. Sedan 2010 har ett stort band med vita moln kallat Northern Electrostatic Disturbance observerats som omsluter Saturnus, som upptäcktes av Cassini-rymdsonden. Om den stormiga periodens natur upprätthålls kommer en annan att inträffa cirka 2020.
Vindarna på Saturnus är de näst snabbaste bland solsystemets planeter, efter Neptuns. Voyager-data indikerar höga östliga vindar på 500 m / s (1800 km / h). Saturnus norra och södra poler har också visat bevis på stormigt väder. Vid nordpolen har detta formen av ett hexagonalt vågmönster, medan södern visar bevis på en massiv jetström.
Det bestående sexkantiga vågmönstret runt nordpolen noterades först i Voyager bilder. Hexagonens sidor är vardera cirka 13 800 km (8 600 mil) långa (vilket är längre än jordens diameter) och strukturen roterar med en period av 10 timmar 39 m 24s, vilket antas vara lika med rotationsperioden för Saturns interiör.
Den sydpoliga virveln observerades under tiden först med hjälp av Hubble-rymdteleskopet. Dessa bilder indikerade närvaron av en jetström, men inte en hexagonal stående våg. Dessa stormar beräknas generera vindar på 550 km / h, är jämförbara i storlek med Jorden och tros ha pågått i miljarder år. Under 2006 observerade rymdsonden Cassini en orkelliknande storm som hade ett tydligt definierat öga. Sådana stormar hade inte observerats på någon annan planet än Jorden - inte ens på Jupiter.
Uranus 'atmosfär:
Liksom med Jorden bryts atmosfären i Uranus i lager, beroende på temperatur och tryck. Liksom de andra gasjättarna har planeten inte en fast yta, och forskare definierar ytan som det område där atmosfärstrycket överstiger en bar (trycket som finns på jorden vid havsnivån). Allt som är tillgängligt för fjärranalysförmåga - som sträcker sig ner till ungefär 300 km under 1 barnivån - anses också vara atmosfären.
Med hjälp av dessa referenspunkter kan Uranus 'atmosfär delas upp i tre lager. Den första är troposfären, mellan -300 km under ytan och 50 km över den, där trycket sträcker sig från 100 till 0,1 bar (10 MPa till 10 kPa). Det andra lagret är stratosfären, som når mellan 50 och 4000 km och upplever tryck mellan 0,1 och 10-10 bar (10 kPa till 10 uPa).
Troposfären är det tätaste skiktet i Uranus atmosfär. Här varierar temperaturen från 320 K (46,85 ° C / 116 ° F) vid basen (-300 km) till 53 K (-220 ° C / -364 ° F) vid 50 km, varvid den övre regionen är den kallaste i solsystemet. Tropopauseregionen är ansvarig för den stora majoriteten av Uranus termiska infraröda utsläpp och bestämmer därmed dess effektiva temperatur på 59,1 ± 0,3 K.
Inom troposfären finns molnlager - vattenmoln med lägsta tryck, med ammoniumhydrosulfidmoln ovanför dem. Ammoniak och vätesulfidmoln kommer nästa. Slutligen låg tunna metanmoln på toppen.
I stratosfären varierar temperaturerna från 53 K (-220 ° C / -364 ° F) vid den övre nivån till mellan 800 och 850 K (527 - 577 ° C / 980 - 1070 ° F) vid basen av termosfären, främst tack vare uppvärmning orsakad av solstrålning. Stratosfären innehåller etansmog, som kan bidra till planetens tråkiga utseende. Acetylen och metan finns också, och dessa diser hjälper till att värma stratosfären.
Det yttersta lagret, termosfären och korona, sträcker sig från 4 000 km till så högt som 50 000 km från ytan. Denna region har en enhetlig temperatur på 800-850 (577 ° C / 1.070 ° F), även om forskare är osäkra på orsaken. Eftersom avståndet till Uranus från solen är så stort kan mängden solljus som absorberas inte vara den främsta orsaken.
Liksom Jupiter och Saturn följer Uranus väder ett liknande mönster där system bryts upp i band som roterar runt planeten, som drivs av intern värme som stiger till den övre atmosfären. Som ett resultat kan vindar på Uranus nå upp till 900 km / h (560 mph), vilket skapar massiva stormar som den som Hubble Space Telescope upptäckte under 2012. I likhet med Jupiters Great Red Spot var denna "Dark Spot" en jätte molnvirvel som mätte 1 700 kilometer med 3 000 kilometer (1 100 mil med 1 900 mil).
Neptuns atmosfär:
I höga höjder är Neptuns atmosfär 80% väte och 19% helium, med en spårmängd metan. Liksom med Uranus är denna absorption av rött ljus från den atmosfäriska metanen en del av det som ger Neptune sin blå nyans, även om Neptunes är mörkare och mer livlig. Eftersom Neptuns atmosfäriska metaninnehåll liknar innehållet i Uranus, tros någon okänd beståndsdel bidra till Neptunes mer intensiva färgning.
Neptuns atmosfär är indelad i två huvudregioner: den nedre troposfären (där temperaturen minskar med höjden) och stratosfären (där temperaturen ökar med höjden). Gränsen mellan de två, tropopausen, ligger vid ett tryck av 0,1 bar (10 kPa). Stratosfären vänder sig sedan till termosfären vid ett lägre tryck än 10-5 till 10-4 mikrolister (1 till 10 Pa), som gradvis övergår till exosfären.
Neptuns spektra antyder att dess lägre stratosfär är disig på grund av kondensation av produkter orsakade av interaktion mellan ultraviolett strålning och metan (dvs fotolys), som producerar föreningar som etan och etyn. Stratosfären är också hem för att spåra mängder kolmonoxid och vätecyanid, som är ansvariga för att Neptunes stratosfär är varmare än för Uranus.
Av orsaker som förblir otydliga upplever planetens termosfär ovanligt höga temperaturer på cirka 750 K (476,85 ° C / 890 ° F). Planeten är för långt från solen för att denna värme kan genereras av ultraviolett strålning, vilket innebär att en annan uppvärmningsmekanism är involverad - vilket kan vara atmosfärens interaktion med joner i planetens magnetfält, eller tyngdkraftsvågor från planetens inre som sprids i atmosfären.
Eftersom Neptune inte är en solid kropp genomgår atmosfären differentiell rotation. Den breda ekvatorialzonen roterar med en period av cirka 18 timmar, vilket är långsammare än 16,1-timmars rotation av planetens magnetfält. Däremot gäller det omvända för de polära regionerna där rotationsperioden är 12 timmar.
Denna differentiella rotation är den mest uttalade av någon planet i solsystemet och resulterar i stark latitudinal vindskjuvning och våldsamma stormar. De tre mest imponerande upptäcktes alla 1989 av rymdsonden Voyager 2 och namngavs sedan utifrån deras utseende.
Den första som upptäcktes var en massiv anticyklonisk storm som mätte 13 000 x 6 600 km och liknade Jupiters stora röda fläck. Känd som den stora mörka fläcken upptäcktes inte denna storm fem senare (2 november 1994) när Hubble rymdteleskop letade efter det. Istället hittades en ny storm som var mycket lik utseende på planetens norra halvklot, vilket tyder på att dessa stormar har en kortare livslängd än Jupiters.
Scooter är en annan storm, en vit molngrupp som ligger längre söderut än Great Dark Spot - ett smeknamn som först uppstod under månaderna fram till Voyager 2 möte 1989. The Small Dark Spot, en sydlig cyklonisk storm, var den näst mest intensiva stormen som observerades under 1989-mötet. Det var ursprungligen helt mörkt; men som Voyager 2 närmade sig planeten, en ljus kärna utvecklades och kunde ses i de flesta av de högupplösta bilderna.
Sammanfattningsvis har planetens i vårt solsystem alla atmosfärer av olika slag. Och jämfört med jordens relativt svaga och tjocka atmosfär, kör de spektrumet mellan väldigt mycket tunt till mycket väldigt tätt. De varierar också i temperaturer från extremt hett (som på Venus) till extremt frysande kyla.
Och när det gäller vädersystem kan saker lika extrema, med planetens skryt antingen väder alls, eller intensiva cyklon- och dammstormar som gör stormar här och jorden till skam. Och medan vissa är helt fientliga mot livet som vi känner till det, andra kanske vi kan arbeta med.
Vi har många intressanta artiklar om planetarisk atmosfär här på Space Magazine. Till exempel är han What is the Atmosphere? Och artiklar om atmosfären i Mercury, Venus, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus och Neptune,
För mer information om atmosfärer, kolla in NASA: s sidor om jordens atmosfäriska lager, kolcykeln och hur jordens atmosfär skiljer sig från rymden.
Astronomy Cast har ett avsnitt om källan till atmosfären.
