大气层或是宇宙对生命的眷顾 并非所有行星的“标配”

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大气层或是宇宙对生命的眷顾 并非所有行星的“标配”

11月11日,北金牛座流星雨即将到来,这个以拥有高比例火流星而闻名的流星雨,曾在2015年给人们带来火流星的观星盛宴。所谓火流星,其实是质量较大的流星穿过地球大气层时剧烈燃烧产生的一种天文现象。事实上,这种壮观的现象,在其他行星上也能看到。因为不只是地球,其他一些行星也有大气层。

行星的大气层是如何产生的?有着哪些结构?为何有的行星有大气层,有的行星却没有?带着这些问题,科技日报记者采访了相关专家。

行星大气层这样产生

什么是行星大气层?“一般而言,行星大气层通常是指包裹着固态行星的固体包络构造的大气。”中国科学院国家天文台研究员平劲松介绍道。

固态行星表面大气的产生,根源是其自身存在或可以生成挥发性的物质。平劲松进一步解释道,这些挥发性物质可能是在行星形成之初的吸集、聚合过程中,外围物质分解时产生的;也可能是行星内部升温导致不断析出、喷出气体,如火山活动等产生的;另外,还可能是表面物质被太阳照射时所产生的。

“金星周围有浓密的大气和云层,大气压约为地球的90倍。此前探测发现,金星上有着大量的火山活动。因此我们推断,金星表面浓密的大气源自其内部不断发生的火山爆发活动。”中国科学院空间中心研究员刘勇以金星为例说道。

行星大气层,通常包括多层厚层结构,以及各层之间存在的薄层过渡层。各层内部还存在次级别的层次。拥有大气层的行星,其大气自下而上密度越来越低,但总的气体含量或质量一般处于动态平衡。

“按照整体的带电特性,行星大气层可分为两个主要的层次,即位于底部的中性层和之上的电离气体层。中性层厚度小,约几十千米,电离层厚度一般在数百到数千千米。”平劲松指出,生物圈通常位于中性层的底部,而近期发现的金星大气中存在磷化氢的高度达到了50千米,是一个非常有趣的现象,值得进一步探索。

太阳系内,行星顶部或上部大气受到太阳光的紫外线和X射线照射后,处于量子态的气体分子中的电子吸收能量后脱离气体分子,发生电离。由中性气体分子、带正电的离子和电子混合形成了等离子体,成为电离层。由于太阳辐射相对处于稳定状态,存在气体层的金星、地球、火星尽管气体密度差异巨大,但它们的大气层上部吸收的总太阳紫外线和X射线辐射能量差异不大,因此其电离层电子密度比较接近。

留不住、生不成=没有大气层

对于存在着磁场的地球而言,在电离层的上部,还存在几乎完全电离的气体磁层,厚度可达数万千米。

火星也有大气层,但和地球相比,火星的大气层非常稀薄,火星大气的密度不到地球大气的百分之一。在刘勇看来,地球磁场的束缚功能在防止大气逃逸方面起到了重要作用。

“行星大气逃逸的过程也是科学家非常关注的问题之一。事实上,地球和火星都有大气逃逸的现象。但两者大气密度差异很大,很重要的原因在于,地球有着内禀磁场,形成的磁层就像‘保护罩’一样,能够有效防止大气的逃逸。”刘勇分析道。

同样,平劲松也认为,一些行星大气之所以没有沉积到表面,也没有完全逃逸,最终形成了行星大气层,得益于行星中心引力、磁场的束缚与分子运动状态和外部辐射干扰的动态平衡。

然而,并非所有的固态行星都拥有大气层。为什么有些行星有大气层,而有些却没有?

从行星演化和大气层来源来看,有大气层的行星通常自身内部拥有充裕的挥发性气体来源,以及使得气体可以挥发出来的能量注入;同时,还要保持气体逃逸、沉降速度与新生成的速度达到动态平衡。

“没有大气层的行星,主要原因可能有两种。”平劲松分析道,一种是完全意义上的岩石行星,无法约束住其产生的气体,耗尽了外层的挥发性成分,同时其内部能量和外部注入能量不足以分解岩石而产生新的挥发气体;另一种是远离太阳以及中心恒星的行星,其本身密度较低,不足以产生热核反应,导致内部能量和外部注入能量不足以促成足量的挥发性物质脱离表面,即便这些行星在不断产生气体,但气体的密度或总含量不足以形成可被探测到的大气层。

比如,月亮就是典型的岩石类行星体,尽管在月球上发现了水分子,但它并不存在由气体构成的、严格意义上的大气层。但也有一些特殊情况,比如水星由于距离太阳太近,太阳的辐射和潮汐作用早就彻底瓦解了水星可能存在的大气层。

为行星撑起“保护伞”

对拥有大气层的行星来说,大气层在浩瀚宇宙中为它们撑起了一把“保护伞”。

一方面,行星大气层可以阻挡、减弱来自流星和彗星对行星的冲击。这也是我们能够安心欣赏火流星而不用担心其对我们造成威胁的原因。密度、厚度足够大的行星大气层,其外部在成为电离层的过程中,可以遮挡大量来自太阳和宇宙空间的高能粒子辐射和冲击,以及紫外线和X射线的辐射等。

“更为重要的是,在抵御外部辐射的同时,行星的大气层还起到了保护主要挥发分的循环平衡和适度存在。”平劲松举例道,比如地球大气保护了地球的水循环和氧、氮等适度存在;火星大气保证了火星一氧化碳、二氧化碳的循环,正是这些活动的顺利进行才让行星固体表面得以长期稳定。

刘勇指出,大气层的存在,在维持地球表面温度相对稳定、昼夜温差变化相对较小方面也起到了重要作用。稳定、适宜的温度,对生命的出现和演化有着重要的意义。

“温度过高过低,或者温度变化剧烈,都不利于高等级生命的生存和演化。某种意义上来说,大气层扮演了‘温度稳定器’的角色。有了大气层的存在,使得地球表面温暖舒适,适宜人类和其他生物生存。”刘勇说道。

此外,固态行星演化过程中稳定的演化也得益于能量平衡,即外部获得的能量和向外辐射能量的动态平衡。在调节动态平衡的过程中,大气层的稳定存在,对于这类大规模能量的吸收注入和向外辐射起到了关键作用。

大气中还藏着这些信息

行星大气层的存在,是行星的重要组成部分,也是行星科学研究的重要信息来源。对固态行星进行探测研究,一般比较难攫取到固体表面以下的物质,而探测行星大气或获取行星大气物质,相对而言则要容易得多。

研究行星大气,不仅可以获得大气本身的物理、化学、动力学和气候气象学特性,还可以推演行星表面以下可能存在的动力学过程或者生物学过程。行星大气的遥感与原位探索,有可能提供更多的太阳系行星化学与早期原始阶段的行星生物学信息。

平劲松举例道,通过比较行星学研究,在火星大气中发现的甲烷,可能预示着火星表面之下存在依然活跃的微生物群落。而金星大气中发现的磷化氢,也预示着那里适当的大气或表面环境,利于某种原始微生物的存在。对木星卫星和土星卫星的大气探测研究,也可推断其冰海洋之下,可能存在不同于地球上的异种微生物。

“如果有大气层的话,行星上生命存在的可能性比较大,生命对稳定环境有着极高要求,大气层在保持环境稳定方面有着重要的作用。对行星大气的探测研究,对寻找可能存在的系外生命能提供重要线索。”刘勇认为。

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这段禁史,除了HBO,谁都拍不出来!

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