同样没有磁场,为何火星大气被太阳风吹跑了金星大气却没有?
太阳风当然会吹走金星的大气层,只不过这不是瞬间就能达到的。
以火星为例,科学家们通过一系列探测后得出结论,火星曾经拥有大气和磁场,但在30亿年前,火星的磁场受到了严重损害。失去了磁场的保护,太阳风剥离了火星的大气和液态水。那么火星现在没有大气了吗?当然是否定的,火星上依旧拥有大气,只不过火星大气在受到太阳风30亿年的持续侵袭时,已经非常稀薄了,不到地球的1%。
不过可以看出,即便失去了磁场,即便是30亿年的时间里,由于太阳是一颗较小的恒星,所以它的恒星风(太阳风)仍然不足以在短时间(其实30亿年对我们来说已经非常漫长了。。)完全吹离一个行星的所有大气层。
金星比火星质量更大,引力更强,对大气的束缚也更强。虽然它比火星距离太阳更近,但是它原本的大气十分浓密,它的大气总量几乎是现在地球的100倍,是火星现在的一万倍。弱小的太阳风要想完全吹离总量如此之多的大气只能是望尘莫及,所以金星的大气仍然储量丰富。
太阳风的威力虽然非常强大,波及范围几乎可以达到100亿公里,冥王星也有着比火星更加稀薄的大气,由于冥王星没有磁场,所以冥王星的大气仍然受到太阳风的缓慢侵袭,但是侵袭速度将异常缓慢。
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PS:一楼好像不明白为什么恒星风能够吹走大气也不知道为什么磁场能够干扰恒星风。恒星风的的主要成分其实就是失去了电子的氢离子(或者叫裸质子)。氢是气体,是气体就可以形成风,所以氢离子自然也可以形成离子风。只不过这不是一般意义上的风,这是带有电荷的风。
恒星风的行进速度非常快,时速可以达到每小时数百万公里。当大量离子撞击到地球(行星)大气层时,会将这一动能传递到大气分子上。使得大气分子达到逃逸速度,从而逃离地球。幸运的时,失去了电子的氢离子与氢原子不同,它是带正电荷的,既然带电荷,它就会受到磁场的干扰,当它接近地球是,地球磁场会促使带点物质顺着磁力线移动,使得这些氢离子顺着磁场移动,最终促使太阳风偏离地球或者垂直砸向地球的南北极,从而没有机会带走地球的大气分子。磁场就是这样保护行星大气的。
在太阳系八大行星中,水星因为没有磁场,距离太阳有最近而失去了大气层,而火星也是因为磁场的消失,而慢慢的被太阳风剥离了大气层,那么,距离太阳更近的金星也没有磁场,为什么就有比地球还要浓厚的大气层存在呢?
这可能很多朋友在科普行星磁场时各位朋友碰到的最大难题,因为同样在没有磁场(极微诱发磁场)的条件下,火星只有一个大气压只有地球大气压1%的二氧化碳大气层,而金星却有一个大气压是地球92倍、二氧化碳含量超过96%的超级大气层,这如何解释?下面来探讨一下这个有趣的话题。
一、为什么有的行星有大气层,有的没有大气层?
这个问题要从两个方面着手,一个是组成大气的气体,另一个则是行星本身。
1、气体分子运动以及速度
这个问题其实比较容易解释,因为我们这个宏观世界的所有物体都有一个温度,而这个宏观温度的表现在微观领域就是分子运动的剧烈程度,因为气体分子之间的间隙比较大(一般超过分子直径的十倍以上),因此气体的分子运动速度更为快速一些。
分子运动的理论建立在玻尔兹曼方程的基础之上,分子运动速度可以用如下方程来计:
V=√3kT/m=√3RT/M
上述公式中,m为质量,M为摩尔质量,千克/摩尔,k为玻尔兹曼常数:1.380649 × 10^-23 J/K
假设T=300K时氢分子的运动速度,将各项参数带代入公式可计算得1934米/秒,一般取值1900m/s就大致是正确的。
同样条件下,氧分子的运动速度就只有460米/秒。
2、行星对大气层的束缚能力
我们根据第一宇宙速度可以计算得地球的环绕速度为7.9千米/秒,逃逸速度为11.2千米/秒,氢分子似乎会老老实实留在地球上?完全不会,首先它密度很低,会跑到氮氧组成的大气层顶。另外在大气层顶会受到太阳辐射中的高能紫外线的照射获得极大的能量,其分子运动速度将会超出地球的逃逸速度,因此氢分子这样的气体在地球上是呆不住的。
月球就更不用说了,比如氢分子的运动速度直接就超过了月球的环绕速度1.8千米/秒,所以它根本不可能呆在月球上。
3、行星的磁场
行星的磁场很重要,因为在太阳系内的星际空间,不只是紫外线,还有太阳风中的高能粒子也会轰击地球,但这些高能粒子都带电,会被磁场偏转,因此落向地球的高能带电粒子也就在两极轰击高层大气激发原子中的电子引起极光而已,但如果没有保护就不一样了,太阳风将直接轰击大气层,年长日久,行星大气被逐渐消耗,最终只剩下火星那样的孤家寡人。
正常情况下我们解释行星为什么会有大气和磁场的重要性,上文就已经说完了,但仍然有一个关键的问题没有解决,为什么金星离太阳那么近,太阳风理应比火星强很多倍,为什么金星还有浓密的二氧化碳大气层?
二、光解的秘密
上文我们说明了氢元素逃逸地球的过程,但其实水汽也会在紫外线的轰击下逃离地球,具体过程我们来简单介绍一下!
1、水的逃逸:
水分子有2个O-H吗,因此H2O的化学键能是928KJ/mol,大约为9.67eV
这个参数很重要,因为只要受到的光照能量高于水分子的化学键能时,水分子的化学键就有可能断裂,而紫外线的能量与波长是不一样的,比如:
紫外线400nm 3.1eV
紫外线300nm 4.1eV
紫外线200nm 6.2eV
紫外线100nm 12.4eV
我们可以发现100nm的紫外线下照射下,水分子的化学键断裂,分解成氢和氧,氧原子与氧分子结合形成O3,这就是臭氧的来历,因为氧的密度比较大,比重也比较大,分子运动速度相对比较低,它很难从大气层中逃逸!当然解离后的氢就拜拜啦。
2、金星大气层中的二氧化碳能逃逸吗?
二氧化碳中的碳氧双键键能是803KJ/mol,大约为8.36eV,看起来150nm的紫外线即可轻松解离,当然这不是关键,而是解离后的碳和氧的去处!
氧的去处和地球上的氧命运类似(金星和地球大小质量类似,逃逸速度相差无几),可能会与氧分子构成臭氧,这从2011年“金星快车”在金星大气层上100千米处观测到臭氧的光谱特征得到证明,不过其浓度只有地球臭氧层含量的1%。应该是分解出来的氧原子在金星的背向太阳的一面形成。
那么碳的去处呢?理论上碳元素比重比较大,在金星大气层中可能会沉降到表面,但金星大气层的超级风暴会让这个可能性大大降低,不过反倒可能是金星大气层中的二氧化三碳和三氧化二碳的多余氧原子和碳原子来源。
即使被高能紫外线解离后的碳和氧依然没能逃离金星,不过金星可能存在的水却逃逸了,想想似乎有些不可思议,水是液体,二氧化碳是气体,居然气体留下了,液体逃走了,这个世界实在太奇妙。
火星大气被太阳风吹跑了,但是金星的大气却没有,最主要的原因就是金星的这个引力要比火星大很多,所以就没有被太阳风吹跑,能够屹立不倒。
因为金星虽然没有磁场,但是其重量和体积都远远比火星大,所以其万有引力有大,束缚着大气不能离开
因为火星的引力小,而金星的引力大,所以火星大气被太阳风吹跑了金星大气却没有。
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穆养宫瘤: 太阳风当然会吹走金星的大气层,只不过这不是瞬间就能达到的.以火星为例,科学家们通过一系列探测后得出结论,火星曾经拥有大气和磁场,但在30亿年前,火星的磁场受到了严重损害.失去了磁场的保护,太阳风剥离了火星的大气和液...
南开区18634569151: 为什么火星大气层被太阳风吹没了,地球轨道比火星近 - ?
穆养宫瘤: 因为熔融的铁质内核旋转会产生磁场,磁场可以偏转太阳风的高能射线,使高能射线进入两极,形成极光.火星最早是有磁场的,但是随着内部凝固,磁场消失,大气便被太阳风吹散了.
南开区18634569151: 火星大气和水为什么消失了 - ?
穆养宫瘤: 大气我知道,因为火星的磁场几亿年前突然消失了,科学家猜,可能是小行星撞击导致.而,正是磁场能抵挡住太阳风(其实是一种更强的电磁运动),你想想,火星就算有大气刚形成就让太阳风吹走了!但是,也没有确切的证据表明火星没水啊,好像最新研究称,火星还有固态水——冰呢
南开区18634569151: 火星大气为什么神秘消失 - ?
穆养宫瘤: 美国宇航局(NASA)发布了“火星大气与挥发物演化”探测器(MAVEN)最新成果.太阳风是导致火星大气层和水消失的原因.
南开区18634569151: 火星适合人类居住吗? - ?
穆养宫瘤: 不适合,大气太稀薄且有毒.大气无法留住热量,夜里极冷白天极热,而且白天地面上一米以下温度很高一米以上温度低,低气压造成的.最重要的是现在还没有找到水.人需要穿宇航服才能在上面活动.不过科学家有改造火星的蓝图,大概一二百年后有可能居住.
南开区18634569151: 为什么地球上有磁场,而火星上却没有 - ?
穆养宫瘤: 地球的磁场保护着地球不受太阳辐射的摧残,它的历史比科学家原本猜测的还要悠久.实际上,这隐形的防护膜在地球出生不久就有了.这个发现让我们了解为何地球适合生命而火星不适合.  没了地球的磁场的话,太阳风(从太阳射出的高...
南开区18634569151: 火星上曾经也有浓厚的大气,但为什么气体一丝不 - ?
穆养宫瘤: 火星在早期有全球磁场,它保护了火星的大气,正如今天地球 的磁场保护了地球大气一样.但是可能由于火星体积较小,火星核 的冷却造成了火星磁场的减弱,随后消失,因而火星大气失去了磁 场的保护,火星逐步失去了它稠密的大气层.
南开区18634569151: 10亿年前的火星水资源惊人,如今为何找不到水? - ?
穆养宫瘤: 其实在很久以前,大约10亿年前,火星上有一个大湖,水的总量大到惊人.美国太空总署估计它可以覆盖整个火星海洋,其深度可达几公里.美国航天局漫游者的好奇心发现了一个地区,在盖尔冲突中,这是火星古湖的遗迹.科学家们把它命名...
南开区18634569151: 火星适合人类居住吗??
穆养宫瘤: 也许以后可以
南开区18634569151: 火星大气层的问题 - ?
穆养宫瘤: 影响星球大气层浓度的主要因素应该是是星体 质量 和 温度 !此外还有行星的位置磁场等因素. 影响星体大气稠密与否的原因是很复杂的,通常是有很多原因一同导致的.【火星大气层稀薄最主要的原因是它的体积质量小.】行星直径:...