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1 # 酋知魚
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2 # 星辰大海路上的種花家
金星和火星都沒有磁場保護,火星大氣被太陽風吹跑了,金星大氣卻比地球還多?
這可能很多朋友在科普行星磁場時各位朋友碰到的最大難題,因為同樣在沒有磁場(極微誘發磁場)的條件下,火星只有一個大氣壓只有地球大氣壓1%的二氧化碳大氣層,而金星卻有一個大氣壓是地球92倍、二氧化碳含量超過96%的超級大氣層,這如何解釋?下面來探討一下這個有趣的話題。
一、為什麼有的行星有大氣層,有的沒有大氣層?
這個問題要從兩個方面著手,一個是組成大氣的氣體,另一個則是行星本身。
1、氣體分子運動以及速度
這個問題其實比較容易解釋,因為我們這個宏觀世界的所有物體都有一個溫度,而這個宏觀溫度的表現在微觀領域就是分子運動的劇烈程度,因為氣體分子之間的間隙比較大(一般超過分子直徑的十倍以上),因此氣體的分子運動速度更為快速一些。
分子運動的理論建立在玻爾茲曼方程的基礎之上,分子運動速度可以用如下方程來計:
V=√3kT/m=√3RT/M
上述公式中,m為質量,M為摩爾質量,千克/摩爾,k為玻爾茲曼常數:1.380649 × 10^-23 J/K
假設T=300K時氫分子的運動速度,將各項引數帶代入公式可計算得1934米/秒,一般取值1900m/s就大致是正確的。
同樣條件下,氧分子的運動速度就只有460米/秒。
2、行星對大氣層的束縛能力
我們根據第一宇宙速度可以計算得地球的環繞速度為7.9千米/秒,逃逸速度為11.2千米/秒,氫分子似乎會老老實實留在地球上?完全不會,首先它密度很低,會跑到氮氧組成的大氣層頂。另外在大氣層頂會受到太陽輻射中的高能紫外線的照射獲得極大的能量,其分子運動速度將會超出地球的逃逸速度,因此氫分子這樣的氣體在地球上是呆不住的。
月球就更不用說了,比如氫分子的運動速度直接就超過了月球的環繞速度1.8千米/秒,所以它根本不可能呆在月球上。
3、行星的磁場
行星的磁場很重要,因為在太陽系內的星際空間,不只是紫外線,還有太陽風中的高能粒子也會轟擊地球,但這些高能粒子都帶電,會被磁場偏轉,因此落向地球的高能帶電粒子也就在兩極轟擊高層大氣激發原子中的電子引起極光而已,但如果沒有保護就不一樣了,太陽風將直接轟擊大氣層,年長日久,行星大氣被逐漸消耗,最終只剩下火星那樣的孤家寡人。
正常情況下我們解釋行星為什麼會有大氣和磁場的重要性,上文就已經說完了,但仍然有一個關鍵的問題沒有解決,為什麼金星離太陽那麼近,太陽風理應比火星強很多倍,為什麼金星還有濃密的二氧化碳大氣層?
二、光解的秘密
上文我們說明了氫元素逃逸地球的過程,但其實水汽也會在紫外線的轟擊下逃離地球,具體過程我們來簡單介紹一下!
1、水的逃逸:
水分子有2個O-H嗎,因此H2O的化學鍵能是928KJ/mol,大約為9.67eV
這個引數很重要,因為只要受到的光照能量高於水分子的化學鍵能時,水分子的化學鍵就有可能斷裂,而紫外線的能量與波長是不一樣的,比如:
紫外線400nm 3.1eV
紫外線300nm 4.1eV
紫外線200nm 6.2eV
紫外線100nm 12.4eV
我們可以發現100nm的紫外線下照射下,水分子的化學鍵斷裂,分解成氫和氧,氧原子與氧分子結合形成O3,這就是臭氧的來歷,因為氧的密度比較大,比重也比較大,分子運動速度相對比較低,它很難從大氣層中逃逸!當然解離後的氫就拜拜啦。
2、金星大氣層中的二氧化碳能逃逸嗎?
二氧化碳中的碳氧雙鍵鍵能是803KJ/mol,大約為8.36eV,看起來150nm的紫外線即可輕鬆解離,當然這不是關鍵,而是解離後的碳和氧的去處!
氧的去處和地球上的氧命運類似(金星和地球大小質量類似,逃逸速度相差無幾),可能會與氧分子構成臭氧,這從2011年“金星快車”在金星大氣層上100千米處觀測到臭氧的光譜特徵得到證明,不過其濃度只有地球臭氧層含量的1%。應該是分解出來的氧原子在金星的背向太陽的一面形成。
即使被高能紫外線解離後的碳和氧依然沒能逃離金星,不過金星可能存在的水卻逃逸了,想想似乎有些不可思議,水是液體,二氧化碳是氣體,居然氣體留下了,液體逃走了,這個世界實在太奇妙。
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3 # 冥想妄語
我仔細想了想,可能主要有兩個原因,不一定對,還請各位大佬多多指正。
金星自身的引力要大於火星。事實上,大氣之所以能夠存在,行星自身的引力是一個十分重要的因素。在太陽系八大行星中,外圈的木星、土星、天文星、海王星四大類木行星本身就是氣態行星,可以說星球本身就是大氣層。而其餘四大類地固態行星,地球和金星如我們所知也有十分濃密的大氣,只有火星和水星沒有大氣層。我們來看看八大行星的質量:顯然,我們可以發現水星和火星的質量要遠遠小於其它六大行星。正是因為如此,火星和水星的引力太弱了,以至於留不住大氣啊。太陽風確實很強烈,但和大質量行星的引力相比,還是有所不足。總不至於說有一天,出現太陽風把木星吹沒了的情況吧。金星地質活動頻繁,火山活躍,時刻在生產大量的二氧化碳。我們知道,金星大氣百分之九十以上都是二氧化碳(二氧化碳本身比較重,這也是能夠抵禦太陽風的原因之一)。因此,即便太陽風能夠帶走一部分大氣,金星頻繁的地殼活動也會即使補充損失掉的二氧化碳,如此可能就達到一個微妙的平衡,從而形成金星濃密的大氣。 -
4 # 宇宙v空間
首先感謝邀請。這個問題源自於磁場的作用,和地球一樣,地球之所以可以抵擋大量的紫外線,原因在於磁場的作用,防輻射帶(磁場)將大量的帶電粒子阻擋在外,防輻射帶分為三層,三層磁場之下則是地球的大氣層,大氣層蘊含的特殊氣體分子可以和光子發生作用,引起光電效應產生極光!
距離地球5500萬公里的火星,在30億年前,它的磁場受到超大小行星的撞擊消失了,由於本身火星的質量要比地球小很多,因此在太陽風的照射下,它的大氣層逐漸的瓦解,最終火星遠古海洋被活活的曬乾!為什麼這麼說呢。首先我們都知道只要蘊含物質的東西都具備質量,沒錯就連空氣也不例外,空氣由原子以及次元子顆粒所組成,當這些次元子顆粒大量的凝聚時,就會產生極大的質量,這種質量產生的引力效應會和火星相互吸引,但是由於火星引力小,太陽風能量大的情況下,最終火星的大氣層被徹底的吹散!
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5 # 想法捕手
雖然金星和火星都沒有地磁場,但金星的大氣壓是地球的93倍,而火星的大氣壓不足地球的1%。為什麼呢?最核心的原因其實是金星轉的太慢,而火星個頭太小。
荒蕪的火星。我們曾經對火星,有過無限的遐想。火星也是太陽系所有行星中,最引人注目的焦點。火星生命更是眾多科幻作品的常客,因為火星曾被認為是太陽系裡,除地球外最有可能具有生命的一顆行星。
但是隨著宇宙空間的探索,我們繪製出了比地球海底地貌更詳細的火星表面地圖。
以上區域主要是“機遇號”的登陸地點,分別是阿瑞斯谷西北部和珍珠灣高地的東部。
一個名叫「機遇號 Opportunity」的火星探測,在火星上的15年孤獨之旅。
隨著各種影片與拍攝資料,我們看到火星的真實模樣,只是一片荒蕪,就像一片紅色的沙漠。火星的岩石層里布滿了大量的氧化鐵(鐵鏽),所以即便在夜空中都能看出它明顯的紅色。
但對火星地質勘探的深入分析,有線索表明火星曾經有1/3的面積都被海水覆蓋。
但為何如今的火星是如此的荒蕪呢?
對於這點科學家們也沒有確定的答案,但目前主流的觀點是:由於火星的個頭太小,無法對其核心形成足夠的壓力,至使核心慢慢冷卻、凝固,從而導致了地磁場的消失。於是火星的大氣層受到太陽風的日益侵蝕,最終徹底被破壞,並且火星由於個頭小,沒有足夠的引力也留不住被破壞的大氣層,久而久之,火星的大氣層就只剩下一層薄薄的二氧化碳,氣壓不足地球的1%。在這樣的環境下,水也不可能以液態的形式存在。冰會直接昇華為水蒸氣,又會被太陽風電離化吹飛。
可怕的金星。金星被一層緻密且厚實含有硫酸的二氧化碳大氣層所包裹。緻密的大氣層包裹下的金星成為了八大行星中最炎熱的一個星球,最高溫度(740K)比離太陽最近的水星(700K)還要高40度,而水星接收太陽輻射的總能量卻是金星的4倍,這全歸功於金星“失控的溫室效應”。
如果有誰想登陸金星去探險的話,你就能體會在高壓鍋內是怎麼樣一個感受了,這裡的高溫高壓一定會把你烤焦。在這種高壓下,會使得靠地表的二氧化碳不再以氣體形式出現,而成為超臨界的流體態,所以金星上的海洋不是水構成的,而是二氧化碳。這種海洋的傳熱率極高,讓金星上晝夜溫差不大,總是炙熱難耐。
但有趣的是,根據麥哲倫號金星探測器和金星快車的觀測資料,金星大氣52.5到54千米處的溫度大約在293 K(20 °C)和310 K(37°C)之間,高度49.5千米處的氣壓則與地球海平面大氣壓相等。也就是說,這個位置區間能保證液態水的存在。所以移民金星的最佳方式不是在地面上,而是在空中,建立一個“天空之城”。
但這樣的“天空之城”只能以飛船或封閉形式的堡壘存在,因為金星本身沒有磁場。而金星為什麼沒有磁場,主流的解釋是因為金星的自轉太慢了。首先,金星是8大行星中唯一個順時針旋轉的;其次,它是唯一個“一天”比“一年”時間還長的行星,金星自轉速度大概比地球慢243倍,也就是說金星自轉一圈,相當於地球上的243天,而它圍繞太陽公轉一週,只相當於地球上的225天。如此慢的自轉速度,讓金星無法形成自己的地磁場。
至於金星為什麼自轉這麼慢?
一種說法是基於金星的大氣環流,別看金星自轉很慢,但它的大氣環流一週只需要4個地球日,這可以讓金星風速最高達到100 m/s或360 km/h,是金星自轉速度的60倍。而金星厚重的大氣與金星的自轉不一致,長期的摩擦就拖慢了金星自轉的速度了。
至於為何金星要與其他行星反著轉?
科學家認為金星剛誕生的時候應該並不是這樣的,它很可能曾今被一個巨大的天體撞擊過,造成了“腦震盪”,所以才轉不過彎來,反應遲緩。
沒有地磁場的保護,金星和火星一樣會面對太陽風的侵蝕,但金星阻礙了太陽磁場的延展,因此會在太陽風下形成誘發磁場。下圖是直觀的模擬金星磁場與地球磁場的區別。
金星缺乏地磁場,太陽風可以深入金星散逸層較深處,並造成大量大氣層損失,這些散失氣體主要是透過磁尾散逸。目前金星散逸的離子主要是 O+、H+ 和 He+。氫和氧的散逸比大約是2,這代表著水的流失。
由於太陽風把金星的水都吹跑了,原因就是大量的高能輻射(X射線,極紫外、遠紫外線),造成某些大氣成分發生強烈的光解。久而久之,金星就沒有了水。沒有了水,金星上就無法進行地球上的“碳-矽迴圈”。
“碳-矽迴圈”指的是二氧化碳溶於水,形成碳酸,碳酸和矽酸鈣(矽灰石)發生化學反應,生成二氧化矽和碳酸鈣。然後這些會隨著地質運動,被埋在地層以下,然後在內部經過地核的高溫,又形成二氧化碳,如此迴圈。“碳-矽迴圈”可以看成回收大氣裡二氧化碳的一種方式吧,而金星無法卻無法回收,再加上火山運動造成的二氧化碳的頻頻釋放,而且二氧化碳太重,太陽風也吹不走,日復一日的累計就有了今天厚實的二氧化碳大氣層。
總結一下火星雖然自轉週期夠了,但個頭太小或者說鐵核太小,導致引力不夠,讓核心冷卻,從而形不成地磁場,大氣層逐漸被剝離。
而金星則相反,質量夠了,核心活躍,但轉得太慢,也形成不了地磁場。產生的二氧化碳消化不了,也吹不走,所以才形成了厚重的大氣層。
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6 # 科學認識論
天文學上有一種理論,行星圍繞太陽運轉半徑內會有一個宜居帶,而金星、地球、火星就處在這個宜居帶的範圍內,但是要想這些行星適宜人類居住需要滿足的條件實在太多了,其中是否有大氣層就是一個重要的條件,經過科學家們的研究,火星沒有大氣,而金星則富含大量的大氣,並且氣壓非常的大。當然每個行星上是否有大氣與一個因素密切相關,那就是行星是否有磁場,為什麼太陽系行星上是否有大氣層與這個行星的磁場有關呢?
地球大氣為什麼沒有被太陽風吹走?何為太陽風,太陽風是一種完全電離的稀薄氣體,主要成分是小原子量原子(73%的是氫,25%的是氦),太陽風的速度雖然很快,可以達到200-800km/s,但是太陽風到達地球時的電離氣體已經非常稀薄,風動壓已經變得很小。這裡大家可能覺得太陽風是不是對地球沒什麼影響了呢,跟地球磁場有什麼關係呢?稍安勿躁,下面解釋就仔細說明一下。
這麼小的太陽風其實是到接近不了地球的大氣層的,這個保護裝置正是地球的磁場,因為太陽風是電離的原子,所以都是帶電的粒子。上過高中的同學都知道,帶電的粒子在磁場中受到力的作用,這個力叫做洛倫茲力。也就是說,太陽風一直沿著磁場做旋轉遠動,所以太陽風永遠也靠近不了地球,但是隻在地球的兩極會出現極光現象,會有少量的大氣逃離地球,但是這麼小的量無傷大雅。地球上的大氣層會因為地球的引力永遠留在地球上。
火星的可就沒有這麼幸運了,因為火星沒有自身的磁場的作用,火星的大氣早早的被太陽風所帶走。
金星為什麼有那麼大的大氣壓呢?一個重要的因素是金星的溫室效應,早期的金星可能有海洋,但是隨著某些原因導致金星表面的溫度越來越高,把地表的水蒸發成水蒸氣,這些水蒸氣一旦進入大氣之中,便會形成一道屏障,並且不斷吸收熱量,把整個金星像燜了的蝦一樣。而地殼中的碳元素隨著溫度越來越高,會與在紫外線的作用下的水分解為氫和氧,經過科學家們的仔細研究,只有氫會逃離金星而氧不會,因此,氧會和碳形成著名的CO2。因此金星的大氣層大氣壓會比較大。
回覆列表
要回答這個問題,就要對比地球、火星、金星三者的區別。
想要擁有大氣層,至少得有兩個條件,首先你得有空氣,其次你得保護空氣。
雖然引力可以將氣體聚集在星球表面,但是強大的太陽不斷的用高能帶電粒子轟擊著星球,這些帶電粒子和氣體分子撞擊後,會讓氣體分子獲得強大的能量飛出去,這叫“賦能逃逸”。
我們地球很不錯,因為自轉速度還可以,所以地核的熔融鐵芯產生了磁場,帶電粒子在進入磁場之後就會偏離運動方向,這就像一個盾牌,保護了我們的大氣免遭太陽剝削。
火星和金星都沒有磁場,但是幸福的家庭都是相似的,不幸的家庭各有各的不幸。他們倆沒有磁場的原因,並不相同。火星是因為“哀莫大於心死”,而金星是因為“中國式家教”。
火星的個頭比地球小不少,組成的元素質量也不行,比較輕。直徑約為地球的53%,質量為地球的14%。這就導致他出現兩個問題:
首先、保溫能力差
其次、引力弱
保溫?保什麼溫?當然是給自己那顆熾熱的心保溫啊,地球能擁有磁場,正是因為融化的鐵核因地球的自轉而相對轉動,地球核心的內部溫度高達6000℃,沒有什麼物質能在這種溫度下保持固態。但是火星不行,它的“心”已經涼透了,核心已經凝結成塊了!變成固體後自然就無法產生磁場,也就沒有辦法保護它的大氣。
左邊是火星,右邊是地球
引力弱就是在保護能力失效的情況下進一步雪上加霜,空氣分子更容易賦能逃逸,於是火星現在基本上已經把大氣丟光了,只剩下一點點二氧化碳,大氣壓只有地球的1%。
再說說金星,金星離太陽那麼近,按道理說,大氣層應該早就被吹光了,為什麼還有那麼多大氣呢?
其實說他的大氣比地球多是一種誤解,金星表面的大氣壓確實比地球高得多,光是站在地表就有93個大氣壓,相當於潛水900米獲得的壓力。
不過它的大氣在厚度上卻被地球吊打,僅有350km。地球可是擁有1000公里厚的大氣。這是為什麼呢??因為金星的表面全都是二氧化碳,佔比達到了96%。二氧化碳是一個非常“豐滿”且“忠誠”的夥伴,不為名利所誘,你給它賦能它也不走(主要還是因為太重了,走不了)。
也就是說在漫長的時間裡,金星上的非二氧化碳氣體全都賦能逃逸了,只有二氧化碳不斷累積才變成今天這個樣子,按照這樣算的話,其實金星上曾經擁有的空氣比地球還要多,那為什麼它能擁有這麼多空氣呢?而為什麼它又沒法產生磁場呢?
墨西哥可以說是全球犯罪率最高最混亂的地區之一,人們這樣評價它“離天堂太遠,離美國太近”。一樣的道理,金星正是因為離太陽太近,被太陽管的太死,才會擁有一切,又失去一切。
為什麼會出現潮汐鎖定?一個天體的自轉其實是擁有了動能,而一大一小兩個天體之間的引力會讓天體本身表面發生形變和波動,進而變成熱能損耗掉。當過去足夠長的時間後,小天體就會失去自轉的所有能量,永遠只有一面對著大天體。
金星就是這樣一個天體,他離太陽的距離太近,面對太陽的一面和背對太陽的一面物體的重量有明顯的差別,金星的形狀被太陽給扭曲了,於是金星的自轉就不斷的損失能量,這些能量變成了強大的地幔活動,轉化為極其劇烈的火山噴發,火山噴發會帶來化學反應,產生了很多氣體。現在金星上的那些海量二氧化碳就是很久以前金星的火山大活躍時期產生的。
終於有一天,自轉的動能消耗完了,金星被太陽徹底給管死了。活躍的火山活動也就此停止。沒有了自轉,自然也就沒有磁場,猛烈的太陽風把所有輕元素氣體從金星上剝去,就變成了今天這個樣子。