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行星大气或成为探寻外星生命突破口

时间:2021/7/1 15:32:56 点击:

  核心提示: 太阳系艺术图(图片由作者提供) 星辰思语 在多姿多彩的太阳系行星世界里,除水星几乎没有大气层外,其他七颗都有大气包裹。各种变幻莫测的大气现象在行星上不断上演,为太阳系带来了斑斓的色彩,为地球上的...

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太阳系艺术图
(图片由作者提供)


星辰思语

在多姿多彩的太阳系行星世界里,除水星几乎没有大气层外,其他七颗都有大气包裹。各种变幻莫测的大气现象在行星上不断上演,为太阳系带来了斑斓的色彩,为地球上的天文爱好者们提供了绝佳的观测素材。

行星大气从何而来

行星的大气和太阳系的形成密不可分。大约46亿年前,一团巨大的星云在其他天体的扰动下,开始引力坍缩。经过几百万年,形成了致密炽热的中央区域——原太阳,以及一片弥散的外部区域——原行星盘。原行星盘的引力不稳定性导致某些区域凝结成环带,其中形成了许多由硅酸盐、冰物质构成的小“疙瘩”,大小只有上千米,称为星子。星子在碰撞、并合中成长为了原行星,个头差不多和今天的月亮一样大。

在离太阳较远的外围区域,温度比较低,而且受太阳风的影响也更小。这儿的原行星在围绕太阳运动的过程中俘获了足够多的物质和大量气体,最终形成了气态巨行星。木星、土星、天王星、海王星的浓密大气就是这么吸附而来的。

在靠近太阳的地方,受到的辐射更强,温度也更高。氢、氦等轻元素物质都被蒸发,形成的是富含较重元素的岩质行星。它们的质量偏小,虽然也曾吸附过薄薄的原初大气,不过在太阳风粒子和星子碎片残骸的撞击下,很快就消散了。现存的金星、地球、火星大气,都由火山喷发而来。在它们形成之初,气体分子混合物通过化学作用被保存到了岩石体中。岩石里的放射性元素(如铀、钍等)在衰变为铁的过程中会释放出大量能量,将行星加热。逐渐升高的温度最终使岩块融化,使得过热的行星幔层变得极不稳定,开始频繁发生火山爆发。原先固化在岩层中的气体分子被火山喷发出来,就形成了包裹在行星表面的大气。

水星的质量不到地球的6%,表面重力加速度太小,气体分子很快就会逃逸到太空中去。所以水星只有一个比地球大气稀薄上万亿倍的气体层,由微陨石和高能粒子撞击表面岩石而释放出纳和钾以及来自太阳风粒子的氢和氦喷溅而成,并不是严格意义上的大气。同样,在已发现的160多颗卫星中,包括月亮在内,除了土卫六“泰坦”以外,也都没有大气。土卫六得益于距离太阳远、温度低,气体的热运动速度更小,大气才得以留存。

行星大气为什么各不相同

不同的形成机制,导致了行星大气的巨大差异。四颗巨行星质量大、引力强,直接继承了太阳系原始星云的“衣钵”,所以它们的大气都以氢气和氦气为主。

个头较小的类地行星只能通过火山喷发“自给自足”。金星、地球、火星所处的不同位置,又决定了各自的不同命运?;鹦抢胩舾?,温度很低,火山排放的大部分水蒸气都被冻结在了土壤中。金星离太阳更近,温度更高,水汽上升到大气顶部,在太阳紫外线的照射下分解成了氢气和氧气。氢气流失到太空,氧气则与其他元素结合,最后只有二氧化碳累积到了很高的浓度。到今天,金星、火星大气中二氧化碳的比例都在95%以上。只不过由于大小、位置的不同,金星的大气密度非常浓密,火星大气非常稀薄。

早期的地球和金星,大气成分相差不大,但由于地球位置适宜、不冷不热,可以保持液态水并进而演化出了生命,现在二者已经迥然不同。地球上的二氧化碳绝大多数被生物固定在了海床岩石等环境中,植物的光合作用释放出的氧气占到了大气的21%。而金星上二氧化碳导致的“失控温室效应”,使它的平均温度高达460℃,成为生命禁区。

地球大气的光谱中有明显的水蒸汽、二氧化碳、氧气和甲烷谱线。最近几年,天文学家在太阳系外的一些行星中也发现了这些分子。尽管它们也能在非生命的化学过程中产生,但这些发现意味着一些系外行星至少在某些方面和地球是相似的。对行星大气的进一步研究,可能成为探寻外星生命的突破口。

(作者系北京天文馆副研究员,“大手拉小手”科普志愿者)


作者:不详 来源:网络
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