エトセトラ（４）地球の大気の謎

それはご認識に誤りがあります。空気の分子の平均速度は、地球の第二宇宙速度よりはるかに小さいです。しかし、一部の分子は第二宇宙速度を超えることがあり、それが大気が徐々に失われる原因となっています。

大気分子の速度分布

気体分子は常にランダムに運動しており、その速度は一定ではありません。これは「マクスウェルの速度分布」という法則で説明されます。この分布によると、大部分の分子は平均的な速度で運動していますが、ごく一部の分子は平均速度を大きく上回る非常に速い速度を持っています。

平均速度: 地表付近の空気の平均速度は、酸素や窒素で秒速約0.5km程度です。

第二宇宙速度: 地球の第二宇宙速度は秒速約11.2kmです。

ご覧の通り、平均速度は第二宇宙速度の約20分の1程度であり、ほとんどの分子は地球の重力を振り切るには不十分な速度しか持っていません。

大気散逸のメカニズム

しかし、ごく一部の速度の速い分子（マクスウェルの速度分布の裾野に位置する分子）が、大気圏上層部（外気圏）で他の分子と衝突せずに上向きに運動し続けた場合、第二宇宙速度を超えて宇宙空間へと飛び出してしまうことがあります。これを「熱的散逸」と呼びます。

この熱的散逸によって、水素やヘリウムのような軽い分子は、比較的容易に宇宙空間に逃げていきます。これらの分子は質量が軽いため、他の分子に比べて同じ温度でも運動速度が速くなりやすいからです。そのため、地球の大気には重い窒素や酸素が主成分として残っているのです。

重力と磁場の役割

地球の強い重力は、大気の分子を地球の周りに留める最も重要な要因です。もし地球の重力が弱ければ、火星のように大気のほとんどが宇宙に逃げてしまっていたでしょう。

また、地球の磁場も大気が失われるのを防ぐ役割を担っています。磁場は太陽から来る高エネルギーの粒子（太陽風）を跳ね返し、大気が吹き飛ばされるのを防いでいます。

結論として、空気の分子の平均速度は第二宇宙速度より小さいため、地球の大気は失われません。しかし、速度の速いごく一部の分子は宇宙に逃げており、これが数十億年という長い時間をかけて大気の組成を変化させているのです。

「下記のURLには

https://gendai.media/articles/-/113841?page=2

熱圏は高度500km付近までありますが、この付近の空気はきわめて希薄です。500km以上は外気圏といい、気体分子の運動速度が地球の重力をふりきる脱出速度を超えているので、空気が宇宙空間へ逃げ出しています。
その一方で、火山活動によりマグマから放出される火山ガスにより、地中から大気に気体が補充されています。

これが地球の大気が失われない理由として正しいですか」