thumb|right|350px|Maan kaasukehä avaruudesta nähtynä.
Planeettojen kaasukehät ovat planeettojen ympärillä olevia kaasuvaippoja. Niiden koostumus riippuu saatavien aineiden lisäksi siitä, mitä aineita planeetta pystyy kaasukehässään pidättelemään. Hyvin suurilla planeetoilla raskas kaasukehä nesteytyy suurissa paineissa. Näin on muun muassa Jupiterilla.
Kaasukehää tuottavat tulivuoren purkaukset, pinnalta tapahtuva haihtuminen tai sublimaatio ja kosmisen hiukkassäteilyn sekä Auringon säteilyn ja mikrometeorien kaasuosasia pinnasta irrottava vaikutus. Kaasua tuottaa myös kivien rapautuminen ja komeettatörmäykset.
Kaasukehä karkaa avaruuteen muun muassa molekyylien lämpöliikkeen takiaMustelin 1980, s. 49 mihin monesti liittyy kosmisen säteilyn tai Auringon säteilyn molekyylejä hajottava vaikutus. Hajonneen molekyylin atomit ovat kevyempiä kuin alkuperäinen molekyyli ja karkaavat siksi helpommin avaruuteen. Esimerkiksi vesihöyry haihtuu avaruuteen, jos se nousee kyllin korkealla. Noin 20 kilometrin korkeudessa, otsonikerroksen yläpuolella Auringon ultraviolettisäteily alkaa hajottaa vesimolekyylejä vedyksi ja hapeksi. Yli 150 kilometrin korkeudessa vesihöyryn molekyylit ovat täysin ja varmasti hajonneetPetre D. Ward, Planeetta Maan elämä ja kuolema, Ursa 88,141. Jos planeetta on kevyt, se ei kykene pidättelemään kuin raskaita kaasuja, tai ei kaasuja ollenkaan. Esimerkiksi Maan Kuulla ei ole kaasukehää, koska sen painovoima ja pakonopeus ovat pieniä. Lähempänä Aurinkoa on kuumempaa ja kaasujen lämpöliike on nopeampaa joten kaasut karkaavat helpommin. Marsista happi ja typpi karkaavat melko nopeasti pois, koska planeetan painovoima ja pakonopeus ovat pienet. Maasta karkaavat vety ja helium. Lisäksi aurinkotuuli puhaltaa kaasukehää ja edistää sen karkaamista avaruuteen. Maalla sen magneettikenttä suojaa aurinkotuulelta mutta esimerkiksi Marsilla tätä ei ole.
Kaasukehää tai sen osia voi tiivistyä tilapäisesti tai pysyvästi planeetan pinnalle lämpötilan laskiessa. Jotkin kivet voivat reagoida joidenkin kaasukehän kaasujen kanssa ja niin sitoa kaasua itseensä.
Planeettojen ja kuiden kaasukehiä Planeettatai kuu Lämpötila Pakonopeuspinnalla m/s 1/6 pakonopeudesta Kaasun paine Maan ilmakehää Kaasun tiheyspinnalla kg/m3 Kaasukoostumus pääosin Keskimääräinenkaasun atomimassa (amu) Venus 737 K (464 °C) 10 361 1 727 90 67 Hiilidioksidi CO2 96,5 %, Typpi N2 3,5 % noin 43,2 Maa 288 K (n. 15 °C) 11 181 1 863 1 1,293 Happi O2 20,9 %, Typpi N2 78,1 % 28,6 Mars 210 K (-63 °C) 5 026 838 0,007 (6,3 mbar) 0,018 95,3 % CO2, N2 2,7 % 42,5 Titan 95 K (-178 °C) 2 650 noin 1,5 90 % Typpi N2, 7 % Metaani CH4
Käytännössä kaasukehättömän Merkuriuksen pakonopeus on 4 400 m/s ja lämpötila 130–770 K. Sieltä niin kuin Kuustakin karkaa myös hiilidioksidi.
Hyvin kuuma, mutta suunnilleen Maan kokoinen Venus ei kykene pidättelemään vesihöyryä kaasukehässään, mutta viileämpi, suunnilleen samankokoinen Maa pystyy.. Maassa ja Venuksessakin pysyvät happi ja typpi, mutteivät vety ja heliumNils Mustelin, elämää maailmankaikkeudessa sivu 51. Titan ei kykene pidättelemään kaasukehässä vesihöyryä, joka tosin jäätyy sen oloissa. Maan kaasukehälle on ominaista lämpötilan kasvu stratosfäärissä 7/18–50 km:n korkeudessa. Venuksella ja Marsilla ei ole Maan tyyppistä tropopaussia ja stratosfääriä, mesosfääri alkaa suoraan 45–55 km:n korkeudessa ja lämpötila putoaa jatkuvasti. Maassahan stratosfääriä lämmittää otsoni.
Lisätietoja planeettojen/kuiden kaasukehistä
Venus Maa Mars Titan Pintapaine (bar) 92 1 0,006 1,5 Skaalakorkeus (km) 16 8 11 Kaasupylvään massa (kg) 1,0E+06 1,0E+04 1,6E+02 Kokonaismassa (kg) 4,8E+20 5,2E+18 2,3E+16 Kaasupylvään molekyylitiheys (/m2) 1,5E+31 2,2E+29 2,3E+27 Molekyylitiheys pinnalla (/m3) 9,01E+26 2,52E+25 1,95E+23 Tiheys pinnalla (kg/m3) 6,58E+01 1,21E+00 1,42E-02 Kaasun molekyylimassa 44,01 28,97 44,01 28,67
Kaasukehän kaasupylväs on neliömetrin alainen kaasupylväs, joka ulottuu koko kaasukehän korkeudelle. Kun tämän massa kerrotaan koko planeetan alalla, saadaan kaasukehän massa. Todellisissa kaasukehissä kaasun tiheys vaihtelee eri puolilla planeettaa.
Vertailutieto: tulivuoren purkauskaasujen koostumus 80 % H2O vesihöyryä 12 % CO2 6.5 % SO2 1.3 % N2 0.6 % H2 0.4 % CO
Planeettojen kaasukehiä Merkurius Venus Maa Mars Jupiter Saturnus Uranus Neptunus Etäisyys Auringosta (AU) 0.387 0.723 1 1.524 5.203 9.538 19.18 30.06 Kiertoaika vuotta 0.24 0.61 1.00 1.88 11.87 29.46 84.00 164.81 Säde (km) 2 439 6 052 6 378 3 398 71 400 60 330 25 559 24 764 Massa (10^24 kg) 0.33 4.87 5.98 0.642 1 900 569 86.8 102 Painovoima pinnalla (m/s2) 3.70 8.87 9.81 3.71 24.86 10.43 8.86 11.09 Pakonopeus (km/s) 4.25 10.35 11.18 5.02 59.54 35.45 21.27 23.43 Pyörähdysaika (tuntia) 1 408 5 832 24 24.62 9.8 10.6 17.3 16.1 Kaasukehän koostumus He, O, Na CO2 N2, O2, CO2 H2, He H2, He H2, He H2, He Kaasun molekyylimassa (amu) 16 44 29 44 2.22 2.07 2.64 2.61 Albedo 0.12 0.59 0.39 0.15 0.44 0.46 0.56 0.51 Lämpötila (teoreettinen) 444 268 252 222 108 79 53 43 Todellinen lämpötila 100-700 740 288 223 125 95 60 50 Pintapaine (bar) 9.47E-15 92 1 0.006 1 1 1 1 Skaalakorkeus (km) 62 16 8 11 19 36 21 14 Kaasukehän korkeus/H 39 387 763 301 3 819 1 660 1 207 1 737 Kaasupylvään massa (kg) 2.6E-10 1.0E+06 1.0E+04 1.6E+02 4.0E+03 9.6E+03 1.1E+04 9.0E+03 Kaasukehän massa (kg) 1.9E+04 4.8E+20 5.2E+18 2.3E+16 2.6E+20 4.4E+20 9.3E+19 6.9E+19 Kaasupylvään molekyylitiheys (/m2) 1.0E+16 1.5E+31 2.2E+29 2.3E+27 1.1E+30 2.9E+30 2.7E+30 2.2E+30 Kaasun molekyylitiheys pinnalla (/m3) 1.55E+11 9.01E+26 2.52E+25 1.95E+23 5.80E+25 7.63E+25 1.21E+26 1.45E+26 Kaasukehän tiheys pinnalla(kg/m3) 4.11E-15 6.58E+01 1.21E+00 1.42E-02 2.14E-01 2.62E-01 5.29E-01 6.28E-01 Kuu Io Europa Ganymedes Kallisto Titan Triton Etäisyys Auringosta (AU) 1 5.2 5.2 5.2 5.2 9.538 30.06 Kiertoaika (yrs) Säde (km) 1 738 1 820 1 565 2 640 2 420 2 575 1 350 Massa (10^24 kg) 0.0735 0.0889 0.0479 0.148 0.108 0.135 0.0214 Painovoima pinnalla (m/s2) 1.62 1.79 1.30 1.42 1.23 1.36 0.78 Pakonopeus (km/s) 2.37 2.55 2.02 2.73 2.44 2.64 1.45 Pyörähdysaika Koostumus He, Na, O SO2 O2 O2 O2 N2, CH4 N2 Molekyylimassa amu 23 64 32 32 32 28 28 Albedo 0.11 0.63 0.64 0.43 0.17 0.2 0.14 Teoreettinen pintalämpötila 277 97 97 109 119 87 50 Todellinen pintalämpötila 100-400 94 ~50 Pintapaine (bar) 1.2E-15 9.2E-10 3.3E-12 2.2E-12 1.9E-10 1.5 1.00E-05 Skaalakorkeus km 61 7 19 20 25 19 19 Kaasukehän korkeus H 28 259 82 133 97 136 72 COLUMN MASS (kg) 7.4E-11 5.1E-05 2.6E-07 1.5E-07 1.5E-05 1.1E+05 1.3E+00 Kaasukehän massa (kg) 2.8E+03 2.1E+09 7.9E+06 1.3E+07 1.1E+09 9.2E+18 2.9E+13 Kaasupylvään molekyylitiheys (/m2) 2.0E+15 5.0E+20 5.0E+18 3.0E+18 3.0E+20 2.5E+30 2.9E+25 Molekyylitiheys pinnalla(/m3) 3.13E+10 6.81E+16 2.50E+14 1.45E+14 1.15E+16 1.16E+26 1.45E+21 Kaasukehän tiheys pinnalla (kg/m3) 1.19E-15 7.24E-09 1.33E-11 7.71E-12 6.10E-10 5.37E+00 6.73E-05
Planeetan kaasukehän laskemista Jotta kaasu pysyisi planeetan kaasukehässä, sen lämpöliikkeen eli äänen nopeuden kaasussa on oltava huomattavasti pienempi kuin planeetan pakonopeuden.
Planeetan pakonopeus riippuu planeetan läpimitasta:
,
missä on pakonopeus, Maan pakonopeus 11190 m/s on gravitaatiovakio 6,67384E-11 N m2 kg-2 on planeetan massa, Maan massa on 5,9737E24 kg ja on planeetan säde, Maan päiväntasaajasäde on 6382640 m
Jos kaasu liikkuu ilmakehässä pakonopeutta suuremmilla nopeuksilla, se karkaa avaruuteen. Kuulla on hyvin pieni pakonopeus Maahan verrattuna, koska se on maata kevyempi ja eikä niin tiheä kuin Maa. Siksi se ei kykene pidättelemään kaasukehää.
Lämpimämmiltä planeetoilta karkaa enemmän kaasua pois ilmakehästä avaruuteen kuin kylmemmiltä, koska suuremmassa lämpötilassa kaasuosasten lämpöliike on voimakkaampaa. Auringon lämmittäessä kaasukehän kaasua sen osaset saavuttavat tietyn nopeusjakauman. Jotkin kaasuhiukkaset saattavat liikkua auringon säteilyn kiihdyttämänä jopa viisi kertaa kaasumolekyylien keskimääräistä nopeutta nopeammin. Kevyet kaasut kuten vety liikkuvat raskaampia kaasuja, esimerkiksi happea ja hiilidioksidia vikkelämmin.
Ideaalisen kaasumolekyylin keskinopeus voidaan laskea seuraavasti:
,
missä on kaasun keskinopeus (keskimääräinen lämpöliike, äänen nopeus), on Boltzmannin vakio, 1,3806504E-23 on keskilämpötila kelvineissä, Maan keskilämpötila 288 K ja on kaasumolekyylin keskimääräinen massa atomimassayksikköinä, Atomimassayksikkö on 1,660540E−27 kg.
Esimerkiksi vetymolekyylille molekyylimassa on 2, hapelle 32, hiilidioksidille 44 ja vesihöyrylle 18 atomimassayksikköä. Niinpä happimolekyylin massa on noin 5,3E-26 kg.
Ideaalikaasun yksittäisten osasten keskinopeus noudattaa Maxwellin nopeusjakaumaa, jossa keskinopeuden yläpuolella liikkuu huomattava osa kaasumolekyyleistä. Näin ollen suuri osa kaasua karkaa avaruuteen, jos kaasuosaset liikkuvat planeetan pakonopeudella tai vaikkapa murto-osalla tästä. Jos nopeusjakauman keskiarvo on sama kuin planeetan pakonopeus, kaasukehä karkaa hyvin nopeasti.
Koska kaasumolekyylien nopeusjakauma on liukuva, ei osata sanoa tarkkaa rajaa sille, missä ajassa ja miten suurelta planeetalta tietyistä kaasuista, esimerkiksi hapesta ja typestä koostuva kaasukehä karkaa. Käytännössä voidaan sanoa, että puolet kaasukehästä pysyy planeetan pinnalla 1000 miljoonaa vuotta jos eli kaasuhiukkasten keskinopeus on alle viidesosa pakonopeudesta.Karttunen et al 2010, s. 224, luku 7.7 Mutta jos kaasumolekyylit liikkuvat neljäsosan nopeudella, kaasu pysyy ilmakehässä vain muutamia tuhansia vuosia, ja kolmasosan nopeudella pakonopeudesta vain muutaman viikonMustelin 1980, s. 52.
Nyrkkisääntönä pidetään monesti, että planeetta pystyy pitämään pitkiä aikoja (miljardeja vuosia) kaasua, jos
,
missä on planeetan pakonopeus, on Boltzmannin vakio, on lämpötila (Kelvineissä), ja on keskimääräinen molekyylipaino, joka on esim. vetymolekyylille 2 atomimassayksikköä eli noin 3,32 e -27
Jolloin kaasu pysyy kaasukehässä, jos sen molekyylipaino
,
missä on molekyylipaino, on Boltzmannin vakio, on planeetan säde, on planeetan massa, on gravitaatiovakio, ja on planeetan pintalämpötila.
Erään toisen teorian mukaan kaasu pysyy varmasti kaasukehässä Aurinkokunnan eliniän, jos sen keskimääräisen liikenopeuden kymmenesosa on suurempi kuin pakonopeus, . Kaasu pysyy jonkin aikaa, jos ., ja jos , kaasu karkaa nopeasti.
Maalle näyttää olevan ominaista, että se heliumin liikenopeus on suurempi kuin Maan pakonopeuden kuudesosa eli Mustelin 1980, s. 51 . Happi liikkuu Maan ilmakehässä suunnilleen nopeudella 0,46 km/s 0-asteessa ja vety nopeudella 1,84 km/s. Maan pakonopeus on 11,2 km/s.
Jos siis planeetta on huomattavasti kevyempi kuin Maa, sen pinnalta karkaa suuri osa kaasusta pois kuten Marsissa on käynyt. Marsin massa on noin 0,15 Maan massasta. Pakonopeus on siellä noin 5 km/s. Keskilämpötila on 210 kelviniä. Näissä oloissa Marsilla on vain ohut ilmakehä, jonka paine on alle prosentin maan ilmanpaineesta eli 0,7–0,9 kPa.
Kaasun paine planeetan pinnalla Kaasun painetta planeetan pinnalla ei kyetä laskemaan, jos ei tunneta kaasuosasten määrää. Silti voidaan laskea skaalakorkeus H, jonka pohjalta voidaan päätellä, että esimerkiksi planeetan, jonka painovoima pinnalla on 0,5 g ja joka omaa samankaltaisen ilmamäärän kuin Maa, ilmanpaine pinnalla on 0,5 ilmakehää, eli juuri ja juuri hengityskelpoinen. Joissain yhteyksissä on käytetty Maan ja Marsin ilmanpaineista johdettua arviota, jonka mukaan ilmanpaine olisi suunnilleen planeetan massa potenssiin kaksi. . Toisaalta jos samantyyppisen ilmakehän omaavia Marsia ja Venusta verraten tullaan siihen tulokseen, että potenssi onkin suunnilleen 4.
Kaasujen liikenopeuksia eri lämpötiloissa