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1 # 馬友明79
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2 # 小宇堂
金星和火星並非沒有磁場,只是它們的磁場都很弱。一顆行星是否能保有其大氣層還要看行星的引力,這個因素可不能忽視。
引力因素從引力因素來看,金星與地球應該是差不多的,但火星就差遠了,畢竟火星的質量只有地球的10.7%,而金星的質量是地球的81.5%。這就是火星之所以幾乎沒有大氣而地球和金星都比火星的大氣更厚實的的基礎原因。
但至於金星為什麼有比地球還要稠密的大氣,這個就涉及到磁場因素。
磁場因素行星磁場的產生,有兩個主要的因素,其一是行星的自轉,其二是行星內部的岩漿活動。
自轉產生磁場的原因就是我們在中學時候學習到的安培定則。行星內部的可流動電荷(通常由熱熔岩中的離子態金屬提供,例如鐵),在行星旋轉的情況下,可形成多個層級的環形電流,例如內部岩漿在自轉扭矩的作用下形成的軸向上升的岩漿螺旋柱(正是這種岩漿柱的偏向不穩定和旋轉方向的改變造成了地球磁極的偏移和反轉),因而在行星的自轉軸上產生了磁場,而鐵又是良好的順磁材料,又防止了行星內部磁場過於分散。
上圖:安培定則。
但是如果行星內部沒有足夠的流動電荷的話,自轉產生的環形電流就不夠強,因而根據安培定則產生的磁場也相應不會很強。火星就屬於這種情況,不僅因為火星的體積小,而且還因為火星內部的岩漿活動基本趨於停止,因為岩漿的流動可以在行星內部因相對運動和摩擦產生大量的自由電子和電流。因此地球內部地核外層形成電流的岩漿活動又被科學家們稱為“發電機”——富含鐵質的高流動性岩漿是一種很好的發電介質。
上圖:地球內部的多種岩漿迴圈模式,綠色是磁場線。內部岩漿螺旋運動是地球自轉導致的。
照理說金星內部並不缺乏岩漿的活動,因為金星目前的火山活動活躍程度遠遠超過現今的地球,金星表面像蛋糕一樣的巨型平頂火山結構一座又一座。金星大約80%的表面被光滑的火山平原覆蓋,而且幾乎沒有發現什麼撞擊坑,表明其地表相對年輕,大約只有3億至6億年的歷史。這些都是金星火山活動活躍的證據。雖然科學家們沒有發現明顯得岩漿活動和(像地球一樣的)火山口。
上圖:金星表面的平頂火山(這可不是隕石坑)
這個狀況讓科學家們都感到驚訝,因為金星與地球大小相似,而且科學家們也都估計其核心也應該包含一個類似地球那樣的“發電機”——形成這樣的發電機需要三個條件:導電液體、旋轉和對流。對於金星來說,其核心被認為應該是導電的,雖然它的旋轉速度太慢,但根據科學家的模擬顯示這足夠驅動“地核發電機”了。所以科學家們把懷疑的目光投向金星內部缺乏對流這一因素上。
在地球內部,對流發生在地核的液體外層,因為此液體層的底部比頂部熱得多,所以形成了對流。在金星上,全球地表的重塑事件可能阻礙了板塊構造並導致透過地殼散發的熱通量減少,這導致地幔溫度升高,從而減少了核心的熱通量,因此沒有內部溫度梯度來驅動對流產生磁場。
科學家們進一步分析原因認為,造成這種情況的可能性有兩種:一種是金星沒有固體核心,或其核心沒有冷卻,因此核心的整個液體部分處於大致相同的溫度。另一種可能性是其核心已經完全凝固。這兩種情況都無法形成像地球地核中那種熔岩對流。
1967年,前蘇聯的Venera 4號金星探測器發現金星的磁場比地球的磁場弱得多。但這個磁場是由電離層和太陽風之間的相互作用引起的,而不是像地球核心那樣的內部發電機。金星微弱的誘導磁層對大氣的輻射提供的保護幾乎可以忽略不計。
金星稠密大氣的形成原理金星周圍的弱磁層意味著太陽風與其外層大氣將直接相互作用。因密度原因,金星大氣中的氫氣、氦氣、氧氣等分子會聚集在大氣的頂層,而像水分子則會受到紫外線輻射發生解離,轉變為氫離子和氧離子,或進一步形成氫氣或者氧氣。太陽風的能量會使這些離子中的一部分獲得足以逃離金星重力場的動能,並逃逸到太空當中,這種侵蝕過程導致低質量氫、氦和氧離子的穩定損失,而密度更高的分子,例如二氧化碳,則更可能被保留。太陽風造成的大氣侵蝕可能導致金星大部分水在形成後的第一個十億年中流失。
上圖:太陽風對金星磁圈的影響。大量的行星大氣離子逃逸。
上圖:跟地球的防護盾對比一下,地球的磁場範圍要廣得多,太陽風在很遠處就開始偏轉。
總結引力是保有的大氣的一個基本條件,而磁場則只是確保了外層大氣的安全。金星不是沒有磁場,只是太微弱。微弱的磁場無法保留外層的大氣,而恰好那些低密度的氣體就集中於這一層,剛好被太陽風剝了個乾淨,剩下的只有稠密的二氧化碳留在近地表的高度,盤旋數十億年。
金星和火星同樣沒有磁場,且金星距離太陽更近,按理說太陽風對大氣的剝離作用應該更明顯,為什麼金星的大氣反而比火星要多?
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自轉速度和引力大小是關鍵,火星引力小,自轉快,而金星引力大,加上被太陽潮汐基本鎖定,轉速比較慢,所以大氣比較厚。