巨碰撞中的大气逃逸取决于撞击前表面条件

地球很可能在其形成的主阶段获得了大部分挥发性元素库存。因此,地球的部分原大气必定在巨碰撞(星子级天体间的碰撞,主导吸积后期)中幸存下来。本文利用一系列一维流体动力学模拟与阻抗匹配计算,量化了撞击前表面条件(如大气压力与海洋存在)对原行星在巨碰撞中大气与海洋逃逸效率的影响。我们发现——在无海洋情况下——更轻、更热、低压的大气更易逃逸。与无海洋情形相比,海洋的存在可显著提高大气逃逸效率,且随着大气与海洋质量比减小,低逃逸与高逃逸机制之间出现快速转变。然而,与以往认识相反,若海洋质量不足(通常小于大气质量的数倍),其存在反而会降低大气逃逸。因此,巨碰撞导致的挥发性损失对碰撞天体的表面条件高度敏感。为使本文结果能与三维撞击模拟结合,我们建立了将逃逸与地表速度及表面条件关联的标度律。结果表明,行星最终的挥发性预算关键取决于其前行星胚胎所经历的撞击确切时间与序列,使得大气属性成为吸积过程中高度随机的结果。