为什么太阳是气态星球(在宇宙中,气态星球为什么不会被太阳风吹散?)

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在宇宙中,气态星球为什么不会被太阳风吹散?

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在宇宙中,气态星球为什么不会被太阳风吹散?

我也可以反问一句,为什么会被太阳风吹散?

大家可能对太阳风不了解,更多看到的是太阳风速度很快,每秒可以达到900千米,最慢的也有200km/s。这是骇人的速度,这如果搁在地球上,肯定把地壳都掀掉了,露出地壳下面的岩浆,然后岩浆也被吹散了,成为太空一块块小行星碎片。

要知道地球上12级台风的风速才不过每秒30来米,而人类设置的顶级17级飓风也才每秒60来米,时速也才200多点千米。这点速度在太阳风面前,说小巫见大巫还是高看了很多,因为太阳风速是地球风速的数万倍。

但我们不能用地球上的风来想象太阳风。

太阳风是什么?它就是太阳辐射出来的带电粒子,这些带电粒子不像地球风由大气分子组成,而是比原子还小的粒子~电子或质子组成。这些带电粒子从太阳日冕层释放到太空,是一种等离子体,携带着能量,是太阳能量的强劲外溢。

这些带电粒子在太阳周围比较密集,因此可以烤焦气化一切,但随着在太空真空旅行,就渐渐被稀释了,到达我们地球时,已经很稀薄了,每立方厘米只有几个到几十个粒子。

这是一种什么样的稀薄状态呢?可以说人类除了在太空实验室能够制造出这种极度真空,在地球上最高度的真空,也就是在欧洲大型强子对撞机里,制造的真空也达到每立方厘米上千个大气分子,而被视为高度真空的电视机显像管里,每立方厘米有几百亿个大气分子存在。

月球被视为没有大气的星球,呈现出高度真空状态,但月表每立方厘米也有上万个气体分子。科学研究认为在距离地球63万千米的高空,已经大大超出了地月之间的距离,每立方厘米还有数百个气体分子。也就是说,这些地方虽然高度真空,也比太阳风粒子密度要高出很多。

地球风的密度是多少呢?

地球海平面大气,每立方厘米的气体分子达到约2700亿亿个。这下明白了吧,地球的风是在吹动每立方厘米2700亿亿个气体分子运动,而太阳风只是每立方厘米几个到几十个比原子还小的粒子在运动,密度只是地球大气的几百亿亿分之一,这种比高度真空还要真空的状态,当然就掀不起什么波澜了。

我们可以这样理解,实际上所谓的太阳风吹过来的强度,比地球高度真空吹过来还要弱很多。因此这种太阳风几乎空无一物,如果你漂浮在太空真空中,迎着每秒900千米的太阳风,你的一根毛也不会掀起,根本感受不到。

所以说太阳风要吹走大气有点像蚍蜉撼树。

但太阳风的危害还是很大的,还会伤人。

这是因为太阳风是高能带电粒子,它们掠过地球时,会引起地球磁暴、电离层暴,影响电波通讯,特别是短波。有时候还会对地面管网,如输电、输油、输气管线等造成安全事故,对运行的卫星安全也有影响。

太阳风高能带电粒子辐射到地表,还会对人及生物造成伤害,主要是增加生物的辐射量,就像照射了多次X射线,使人体免疫力下降,发生病变,情绪波动,甚至车祸增加等。

磁场对地球有很好的保护作用,它们来到地球后,地球的磁场就起作用了,因为这些粒子是带电的,磁场就可以把它们偏转,顺着磁力线划过地球,走向更深的太空了。

有少量的漏网太阳带电粒子,就会在两极磁力线发生和进入处这个薄弱点侵入,与地球大气发生碰撞,被大气里的分子粒子与它们在战斗中消耗掉了,作战的证据就是绚丽的极光。在南北极,人们看到的极光于绚丽越多,就说明太阳风也猛烈,入侵的带电粒子越多。

那么木星大气到底会被太阳风吹散吗?

一颗行星能不能圈住大气,有多方面原因。首先大气是受行星自身引力影响的,引力越大,越能够拉拽住大气;其次与恒星距离有关,距离越近,大气分子被加热的越高,如果气体分子热运动高出行星逃逸速度,大气就会不断丧失;第三,行星磁场的强弱,对屏蔽或减轻太阳风对星体的侵袭至关重要。

我们来看看木星。木星引力约地球的2.5倍,完全有能力锁住大气;木星距离太阳比地球要远5倍多,顶层大气温度只有-148℃,比地球要低很多,而且太阳风比地球稀薄了很多;木星磁场是地球的14倍,是太阳系行星中磁场最强的,能够很好抵御太阳风的侵袭。这些条件使木星大气完全能够保持住。

虽然如此,木星的大气并不是一点都不变动,由于种种原因,如天体撞击等,可能会逃逸一些,也可能会再捕获一些,这么一点点量与木星大气的总量相比完全可以忽略不计。

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首先我们先了解一下什么是气态星球?

气态星球的主要成分不是岩石或者其他固体而是气体,但是气态星球不完全都是由气体组成的,它们同样有岩石或者金属,只不过气态星球的质量主要是气体,比如大家熟悉的木星主要质量就来至于氢和氦。

那么气态星球的气体为什么不会被吹散呢?

因为星球的质量足够大,质量越大,引力也就越强,星球周围的气体会被巨大的引力束缚着,这些气体永远也无法摆脱星球的牵引,更有质量大的星球,他们的强大引力不断地捕获周边星球的气体,使自己变得越来越大。

如果有强大的力量能不能把星球上的气体吹散呢?

如果有足够的力量是可以把星球上的气体吹散的,比如我们的地球,每年都会被吹走一些气体,据科学家统计,每年地球会被吹走10万吨的气体,如果每年地球外围都会失去这么多的气体,那久而久之,地球外围的大气层是不是会全部被吹掉?其实地球外围的大气层是不可能会全部被吹掉的,因为地球的质量也是非常大的,拥有着强大的引力,地球周边的气体也会被牵引过来,还有一个原因,虽然地球每年都在失去大量的气体,但是地球也会产生一部分气体,比如动植物呼吸作用产生的气体等,这些气体的产生使地球的大气层一直处于一种平衡的状态当中。

所以,星球上的气体不会那么容易被吹散的。

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气体行星,或者行星的大气被吹散的机制主要有三大类,热力学逃逸、非热力学逃逸、撞击侵蚀[1]:热力学逃逸主要有:金斯逃逸、流体动力学逃逸金斯逃逸:气体分子的速度服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布,其中一定有一部分处于该行星的逃逸速度之上(对于地球来说是第二宇宙速度),那么这部分气体分子会因为热运动而逃出行星的引力场,根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布的公式,分子量越低的气体平均速度越快,更有可能逃逸。流体动力学逃逸:指外界的热源(包括但不限于日光、太阳风、流星体等)对大气层的某一层进行加热使得其膨胀而逃离行星的引力范围(这种方式一般出现在热木星上)。

非热力学逃逸有:光化学逃逸、溅射逃逸、电荷交换逃逸、极风逃逸。光化学逃逸指太阳风高能粒子或者辐射使得一些较重气体发生光解,产生比较轻的产物,这部分产物会因为其它的方式逃离该行星。(如水会被紫外线光解产生氢与氧,氢气会逃逸)溅射逃逸指太阳风的高能粒子轰击在气体分子上,这可能会给气体分子一个可以逃离行星重力场的速度引发气体散逸。电荷交换逃逸指太阳风中的离子,或是行星辐射带中的离子与大气中的分子发生电荷交换,产生一个电中性分子与一颗带电离子,离子被磁场捕获而电中性分子逃逸。极风逃逸:行星的两极处的磁力线不是闭合的,在这里太阳风的影响比其余地方强,这会导致一部分气体分子被电离,产生的离子沿着磁力线逃逸。一些情况下它们会被行星磁场重新捕获形成辐射带,一些情况下则会逃逸。撞击侵蚀则是当一颗小行星撞击行星表面时,撞击本身会在大气中产生类似石头扔进水中的波纹,这将把一部分大气抛进太空。其释放的能量可能会导致一部分大气被剥离,撞击产生的蒸汽也会逃逸到太空。

行星的温度与逃逸速度对其能留住的气体的关系根据行星大气散逸的机制可以看出,一般越小越热的星球越难留下它们的气体,比如月球难于留存任何气体,火星勉强留住了二氧化碳(44)(氮气和氧气(28和32)是被太阳风电离(变成14和16)而逃逸的),土卫六留住了氮气(28)(离得远以及一部分轨道在土星磁层里,太阳风影响比较小),地球留住了水蒸气(18)(丢失的原因是光解),巨行星如木星土星则非常轻松地锁住了氢和氦(2和4)。对于地球来说,地球的质量和温度使其无法留住氢和氦,无法形成气体行星,目前地球大气散逸的主要原因是电荷转移逃逸、金斯逃逸、极风逃逸[2],总的效应是每秒大约流失3kg氢与50g氦,以及1500g氧等较重气体[3],即每年流失10万吨。但综合考虑地球上水的分解、火山活动释放气体等因素,地球的氧氮为主的大气层在一个较长的地质时期内内仍然是比较稳定的,但随着太阳亮度的增加,未来地球很可能因为太阳辐射而失去水分,逐渐变得和金星一样。对于木星来说,它的引力更高(逃逸速度更高,59.5km/s),温度更低(高速运动的分子更少,130K)使得它的大气逃逸速率更低(~1kg/s),再加上大得多的质量,使得其成分以氢氦为主,在太阳生命周期内也无法被吹散。

但是,对于目前发现的许多系外行星的话,情况就不太一样了。我们在太阳系外发现了许多热木星,它们距离恒星很近,温度很高,其主要成分也是氢和氦,它们的大气散失率就会高很多,例如系外行星HD 209458b,其半径约为1.35倍木星半径,但只有0.7倍木星质量,温度高达1000K[4]。在分析其光谱后天文学家发现其大气层每秒散失1~5亿kg氢气,乃至观测到了一条氢尾拖在这颗行星后面。但在其母星HD 209458的生命周期中这颗行星会流失掉其质量的7%,不足以称之为吹散。

如果恒星的辐射强到一定程度,那么气态行星的大气确实会被剥离,但最后会剩下一个铁质或岩质的核心,在天文学上,这种行星被称为冥府行星。但截至目前,没有冥府行星被观测到,唯一被认为可能是冥府行星的系外行星是柯洛7b。综上,目前观测到的气体行星被其母恒星吹散的时间一般都会长过母恒星的寿命,因此不会被吹散。

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