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发表时间:2017-5-1 11:49

为什么大气层不会向宇宙扩散?是什么把宇宙和地球的氧气隔绝开   



zyesheng 发表在 千奇百怪 华声论坛 http://bbs.voc.com.cn/forum-21-1.html


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  大气层(atmosphere)又叫大气圈,地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要有氮气,占78.1%;氧气占20.9%;氩气占0.93%;还有少量的二氧化碳、稀有气体(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气)和水蒸气。大气层的空气密度随高度而减小,越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上,但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点,分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层,再上面就是星际空间了。在地球引力作用下,大量气体聚集在地球周围,形成数千公里的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。探空火箭在3000公里高空仍发现有稀薄大气,有人认为,大气层的上界可能延伸到离地面6400公里左右。据科学家估算,大气质量约6000万亿吨,差不多占地球总质量的百万分之一,其中包括:氮78%、氧21%、氩0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%,此外还有水汽和尘埃等气溶胶及大粒度悬浮颗粒。由于地磁场的保护作用,使得大气层在太阳风及宇宙高能射线流的刮蚀作用下得以保存。
  那么问题来了,是否有什么把宇宙的真空环境和地球的氧气隔绝开了?为什么大气层不会因外部宇宙的真空而扩散殆尽呢?

  




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  宇宙会把地球上的空气刮走,这种现象称之为大气逃逸。大气逃逸的程度主要由行星自身的引力和行星距离恒星的距离决定。因为引力的大小决定了行星是否能够抓住气体(如氧,氦等),而距离恒星的距离决定加热大气的能量,能否能加热气体使分子的热运动超出行星的逃逸速度 - 气体分子克服行星重力掌握所需的速度。其他也会造成大气损耗的机制是太阳风,包括飞溅、撞击侵蚀、天气、和隐藏—"有时是指结冰"—进入风化层和极冠。
  让地球能保持稳定大气,除了适合的引力和与太阳间合适的距离以外,还有地磁场的原因,地球的磁场协助阻挡了会使氢加速逃逸的太阳风,在过去的30亿年,地球也许经由在极区的极光活动,损失了包括氧在内的2%大气层。
  




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  不考虑电磁等其他作用的情况下,估算大气逃逸速率时,我看到的一个貌似比较常见的算法是把高层大气的气体粒子速率分布视为符合麦克斯韦分布;如果气体粒子要逃逸,那么至少要满足的条件是速率要大于第二宇宙速度。代数字算一算(其中温度带入高层大气的温度,多少我忘了),然后画个麦克斯韦速率分布的图像就可以看到,在分布图上,大于第二宇宙速度的面积占总面积的比重非常小。(这一项如何量化计算,目前似乎没有精确答案。必须注意到的问题是,虽然变化率很小,但地球大气存在的时间也已经很长了,水滴石穿嘛。)
  大气逃逸另一个重要的原因是宇宙粒子进入大气圈后通过冲撞使大气粒子获得额外动能,或者太阳风等原因造成的外界磁场和大气粒子产生了一些电磁反应而逸出。而地球的磁层比较强大,抵御了大量这样的影响。
  这也是为什么火星大气如此稀薄、地球大气如此厚重的可能原因之一。
  




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  行星大气逃逸速率现在还是一个没有完全解决的问题。并没有定论说地球大气在人类有生之年就不会消散殆尽。似乎很多关注都放到了火星上,火星探测器也在不断获得关于火星大气的数据。如果能弄明白为什么火星大气现在耗散到了这个地步,那对地球大气的耗散问题会有启发。
  逃逸是肯定存在的,并且很多东西都在逃逸,但为什么把宇宙的真空环境和地球的氧气隔绝开了?为什么大气层不会因外部宇宙的真空而扩散殆尽呢?,就是因为在逃逸的同时地球自身也会捕获物质,说浅显一点,流星陨石之类的都是捕获来的,捕获的物质不止局限于固体,气体也是会被地球捕获的。




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