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行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

作者:太空生物学

【作者:黄媂】

当我们仰望星空时,无数个发光的小亮点点缀在整个夜空中,一闪一闪发光的星星共同形成了一个动态美景,这是我们凭借肉眼就可以清晰观看到的景象。

事实上,每个发光的亮点都有一个或者数个行星围绕着它们旋转,当中绝大部分的行星我们是无法通过肉眼直接观看到的,想要观看到这些行星只能通过各种望远镜才能办到,这是我们肉眼不可见的景象。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:colorhub.me|图解:图片中的每一个亮点代表一颗恒星,有些恒星周围存在一颗或数颗行星

我们生活在太阳系其中一颗行星上,地球上有太多不可思议的事与物,比如:

从微观的层面上看,绝大多数的气体我们是看不见摸不着的,这些气体相对于地球的自身重量来说是微不足道的。由于我们看不见它们,所以并不会太在意它们的存在。

从宏观的层面上看,地球上的氢气和氦气分别以每分钟400磅和每分钟7磅的逃逸速度向着星际空间逃逸,这些散发在星际空间中的气体不可能再回到地球上面了。

氢气、氦气和其它气体共同形成了保护地球的大气层,从外太空观看大气层它是呈现一个蓝色的保护圈,正是这个蓝色的光圈拦截了来自星际空间的能量辐射和免受一些陨石的撞击,使得地球上的生命得以生存繁衍。

薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹的,以至于大气层正在渐渐地消失也是一个板上钉钉的事实,为此多少都会有一些人感到好奇。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:pixabay|图解:行星周边有一层微亮的大气层包围着

引力与恒星热能之间的较量

大气层可以说是行星的一部分,大气逃逸并不是地球上独有的现象,因为不仅仅是地球上的行星会经历大气逃逸这个过程,而是整个宇宙的行星都会经历这个过程,所以说大气逃逸这个现象在整个宇宙里都是很普遍的。

大气逃逸以及它发生的方式,实际上告诉了我们这是行星本身存在的一个现象,同时也是揭示了行星自身的奥秘。当我们说起太阳系,或许有人会说太阳系的主要成员无非就是一个太阳加上金、木、水、火、土、天王、海王星以及地球这八颗行星,曾经的第九大行星冥王星一直还有人惦记着它的存在,无法从九大行星行列当中将它抹除。为了让大家能够了解大气逃逸这个现象,从火星和系外行星两个例子来说明。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:网络|图解:系外行星周边同样有一层微亮的大气层包围着

宇宙中围绕在恒星周围旋转的行星非常多,只不过它们的距离非常遥远,我们无法观测到它们,但是它们确实是存在的,宇宙中的行星基本上都是差不多的,它们都拥有相似的行星基本特征,那就是行星本身都是在引力的作用下束缚在一起形成一个整体,所以行星仅仅是一些物质在这引力的作用下聚在一起的产物,行星的体积越庞大,引力就越大,而引力越大就说明它们越接近球体,所以我们能够看到的行星基本上外形都是圆的,这就是引力发挥作用的结果,这个结果是我们肉眼可见的。

行星的另一个基本特征是我们无法看到的。众所周知,太阳系中的行星都在各自的轨道上围绕着太阳公转,实际上恒星是推动大气逃离行星的主要原因,虽然恒星为行星提供了能量和热量,恰恰是这些能量才导致了大气从行星逃逸。

举例说明:

我们放孔明灯的时候只要将蜡烛点燃,过不了多长时间孔明灯就能够漂浮在空中,当中的原理就是热空气推动气体上升。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:freepic|图解:热空气推动气体上升因此孔明灯会飞上天空

从太阳那里散发出来的能量和热量,只要能量足够大,就可以将包裹着行星的气体吹散,虽然这些行星的气体非常多,都是借助地球的引力才缠绕在行星周围的,但是地球的引力是非常小的,不足以和太阳辐射出来的热量抗衡,所以行星的大气会被热量吹散并且逃逸到星际空间去。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:网络|图解:行星的大气会被恒星辐射的热量吹散,并且逃逸到星际空间

  • 地球的引力力度究竟有多小呢?

举例说明:

目前的可观测宇宙直径为930亿光年,这仅仅是宇宙很小的一部分,根据科学家的推算,整个宇宙的原子数量一共有10⁸⁴个,从原子的数量可以推导出四种基本作用力的力度,其中引力的力度是最弱的,仅仅只是其它三种基本作用力的1/10³⁶倍,也就是说引力比其他三种基本作用力弱10³⁶倍。

实验如下:

一块小磁铁就可以轻松地将数颗螺丝钉吸住,不要小看这块小磁铁,因为此时的小磁铁给螺丝钉施加的电磁力与整个地球对螺丝钉施加的引力抗衡着,一块小磁铁竟然可以对抗整个行星的引力,可见引力比电磁力的力度要弱多少倍!

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:图虫创意

  • 既然引力的力度如此之弱,为什么可以在宇宙中占有主导地位?
  • 既然引力的力度如此之弱,为什么我们不可以将它忽略不计呢?

从直觉的角度来表述,假如一个物体相对于另外一个物体的强度弱了10³⁶倍,直觉告诉我们它已经被完全碾压了,不是吗?

事实上,在超大尺度和超大质量的情况下,引力就会变得非常重要了,在4种基本作用力中“强核力”和“弱核力”都是短程力,一般只在亚原子制度上起作用。“电磁力”是长程力,但它还是不能成为主宰恒星和行星运动的作用力,因为“引力”有一项特殊的属性——“引力”是单向作用力,它只会使物体相互吸引,而不会使物体相互排斥。

无论是地球,还是其他行星的自身引力都在与来自恒星的热量抗衡着,这两股力量相互影响着,然而来自恒星的热量最终会战胜地球上的引力,并将行星的大气全部吹散。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:网络|图解:恒星的热量吹散行星的大气层

地球大气中的氢气是以每分钟400磅的速度散发的,而氦气是以每分钟7磅的速度散发的,或许你会不明白当中的意思,看完这张图片你就很容易理解当中的意思了。

第一张地球照片是1981年由NASA“动力探索者号”在紫光线的照射下所拍摄,第二张地球的照片是最近所拍摄的,图片向你展示的不仅仅是逃逸了的红色氢气,还包括了白色的氧气、氮气和其他气体,即图中那个白色呈圆形的微光所形成的那一圈极光以及赤道附近的那一缕缕光亮。

从图片中可以看出红色的氢气已经弥漫了地球周边的星际空间。同时照片还向我们展示了地球的大气层不只是被束缚在地球表面,实际上大气层正以惊人的速度向太空延伸并且是与地球紧密相连着的。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:网络|图解:地球周边的红色就是地球散逸的氢气,白色的光圈是氧气、氮气和其他气体

地球并不是唯一经历大气逃逸的行星,距离地球最近的火星邻居比地球的体积要小很多,意味着火星维持大气层的引力也比地球小很多。虽然火星也有一层非常稀薄的大气层,或许我们看不到它的存在,相对地球的大气层而言,火星的大气层实在是太过于稀薄了。我们可以清晰地看到火星的地表和火山口以及一些凹凸不平陨石坑,陨石坑遗迹向我们披露了火星没有浓厚的大气层阻止来自外太空的天体撞击。

火星呈现的颜色是红色,大气逃逸是导致火星变成一颗红色荒芜且表面凹凸不平的行星的主要原因,火星在演化成红色的过程中大气逃逸占据了主要原因,其次的原因是氧气。

种种迹象表明火星过去的环境是比较湿润的,拥有大量的液态水,当液态水被太阳光照射后就会蒸发,在蒸发的同时会分解成氢气和氧气。氢气是很轻的,这就意味着它会逃逸到星际空间中去,而氧气较为偏重,只有一小部分会逃逸到星际空间,绝大部分的氧气则会下降到火星的地表最终氧化生锈,因此火星地表就变成了锈迹斑斑我们所看到的那种熟悉颜色——锈红色,这一点就足以证明火星的大气逃逸的确是发生过的。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:pixabay|图解:蓝色圈层是火星大气层,由于氧化生锈的作用火星表面呈现出红色

Mavens卫星是一个研究“火星大气与挥发物演化”的航天器,它的主要任务就是研究大气逃逸以及由此产生的结果。从Mavens卫星传回的图片与我们在地球上看到的火星景象非常类似。火星一直在挥发大气,这个过程可能持续了数十亿年,直至目前火星仅存的稀薄大气也还在继续挥发。

举例说明:

图片中展示的红色圆圈是火星的轮廓,蓝色圆圈就是从火星上逃逸的氢气。

蓝色圆圈甚至已经延伸到火星自身球体十倍多的距离之外,如此足够远的距离足以使氢气不再束缚于火星的引力,于是氢气就会随着太阳热量的波动而逃逸到星际空间中,这一点更加有助于科学家验证火星是通过氢气的逃逸而变成红色的这一个观点。

火星上逃逸的气体除了绝大部分是氢气以外,当中还包括了少量的氦气、氧气和氮气。由于氧气的比重较重,并不会像氢气逃逸得那么远,因此我们看到从火星逃逸的氧气全部被限制在那个红圈里。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:网络|图解:红色圆圈是火星的轮廓,蓝色圆圈是从火星上逃逸的氢气

大气逃逸这种现象不仅仅是地球会发生,其他行星也会发生这种现象。研究行星大气逃逸以能够帮助我们了解行星的概况,也可以了解包括地球在内的行星的过去以及未来的命运以,所以研究那些遥远的系外行星是我们了解行星未来的一个途径。

那些太阳系外的遥远行星被称为系外行星,系外行星当中所表达的意思是:目前被确认的系外行星已有5000多颗,其中绝大部分是通过“凌日法”发现的,而这个探测行星的方法就是:

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:网络图解:当行星经过恒星前面时,会挡住恒星所发出的一部分光,导致恒星的亮度下降

“凌日法”探测到的行星都有一个共同的特点,那就是观察这颗恒星的中央,会看到这颗恒星是在闪烁的,而造成恒星闪烁的原因是有行星遵从特定的轨道周期性从恒星前面经过,并且将一部分来自恒星的光挡住了,所以就会看到闪烁的光。

通过在夜空中观测那些闪烁的恒星可以找到系外行星,虽然我们看不见这些系外行星,当行星绕到恒星前面时光度就会变暗,观察光度的明暗以及持续的时间,因此相知道行星的概况不仅仅是只有对行星本身的研究,还可以通过行星遮挡恒星后所发出的光来得知行星的概况,比如不同的波长以及光线的亮度变化等等。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:网络|图解:系外行星

在太阳系内的地球和火星通过对紫外线的观测就可以得知它们的大气情况,而太阳系外的系外行星就要利用太空望远镜的观测了。

如果系外行星从恒星前面经过时,通过观测恒星的紫外线光,假如闪烁的亮度很明显,发出的光也很微弱暗淡的话,那么这颗系外行星的周围必定是有一个扩展的氢氧混合大气层包裹着整颗行星,所以行星看起来是膨胀的以及体积会比实际观测到的要大,正是这个大气层阻挡了一部分恒星的光,才会造成闪烁的亮度很明显和发出的是微弱暗淡的。

所以说,通过观测恒星所发出的光线,实际上是可以发现行星是否正在经历大气逃逸这一现象。

行星表面薄薄的气体大气层竟然有如此神奇的功能确实是令人惊叹

图源:NASA|图解:系外行星

通过"凌日法"目前已经发现了几十颗正在经历大气逃逸的系外行星,当前发现的5000多颗系外行星之中有一类行星被称为类木行星,这类行星和太阳系中的木星是同一类型的都是气体行星,但是它们相距恒星的距离却只有木星的100倍,有些相距甚至更远。

由于气体行星有大量的轻质量气体随时会逃逸以及恒星产生的热量,因此气体行星的大气逃逸毫无疑问是灾难性的。它们的大气逃逸并不像地球的每分钟损失400磅氢那么少,这类气体行星每分钟损失的氢是13亿吨的,所以说它们的大气逃逸是灾难性的,甚至会让行星不复存在!

因此,研究火星或者类木行星以及系外行星,我们会发现大气逃逸等现象告诉我们更多关于我们星球的信息。

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图源:ESA|图解:25颗热木星的艺术想象图合集

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作者简介:

黄媂,来自广东·阳江,创作太空生物学领域内相关的天文学,物理学,化学,地质学以及生物学的科普知识,用通俗易懂的语言为你分享不一样的认知。

编辑:黄姤

排版:余生

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