行星的“氣體衣”

于鵬翔

厭氧生物是指一種不依賴氧氣存活的生物。

地球生命的保護(hù)層

古希臘人認(rèn)為萬物是由土、氣、水、火四種元素組成的，中國人則將氣視為生命的重要組成部分。

空氣：地球大氣層中的混合氣體。

然而，真正的“氣”可沒有這么簡單。1643年，托里拆利通過真空玻璃管中76厘米的水銀柱，發(fā)現(xiàn)空氣是有重量的。1654年，奧托·馮·格里克靠16匹駿馬的拉動將兩個真空半球分開的實(shí)驗讓人們見識了空氣的力量。從2020年9月，英國科學(xué)家首次在金星大氣中探測到磷化氫氣體。新聞一出，震驚四座。為什么呢？在地球上，磷化氫被認(rèn)為是厭氧生物產(chǎn)生的氣體。在金星大氣中發(fā)現(xiàn)磷化氫是不是就意味著環(huán)境惡劣的金星上會有生物存在？金星大氣成分的異常讓我們對這顆行星有了新的認(rèn)識，那太陽系中其他行星的大氣情況又如何呢？不同的大氣又造就了怎樣的奇觀呢？

1774年普利斯特里在論文中提出“脫燃素空氣”到1782年拉瓦錫通過鐘罩實(shí)驗發(fā)現(xiàn)氧氣，人類終于認(rèn)識到空氣不是單一的物質(zhì)，而是由一系列物質(zhì)組成的混合物。

在科學(xué)家研究空氣成分的同時，一批冒險家和氣象學(xué)家也在以熱氣球為載具探索天空的邊界。1862年9月5日，英國氣象學(xué)家格萊徹爾和熱氣球飛行家柯克斯韋爾乘坐熱氣球上升到了9000米高空，探測了空氣在不同高度上的變化。

我們生活在對流層，這里是大氣運(yùn)動最活躍的地方。在對流層上方是平流層，這里有臭氧層保護(hù)著我們免受太陽紫外線的傷害。平流層之外還有高層大氣，無線電的反射、美麗的極光都發(fā)生在這里。

對于地球的大氣層，我們現(xiàn)在已經(jīng)有了比較充分的了解。那地球的另外七個“兄弟姐妹”是不是也有和地球類似的大氣環(huán)境呢？

固態(tài)行星的大氣層

太陽系的八顆行星各有特色，但它們大體上可以分為兩類：水星、金星、火星和地球都有巖石和陸地，所以它們被稱為固態(tài)行星;而離太陽更遠(yuǎn)的木星、土星、天王星和海王星是由氣體組成的氣態(tài)行星。

水星是行星中最小的一顆，也是距離太陽最近的行星。過小的體積和質(zhì)量使水星沒有足夠的引力“吸”住自身的大氣，而就在身邊的太陽更是用劇烈的太陽風(fēng)帶走了水星表面的空氣。因此，水星成了太陽系中大氣最稀薄的行星。

距離太陽稍遠(yuǎn)的金星就與水星截然不同。

金星的大氣層非常濃密，它是由大約96.5%的二氧化碳、3.5%的氮和其他微量元素組成的。那它為什么如此濃密呢？科學(xué)家認(rèn)為這與金星微弱的磁場和它與太陽的距離有關(guān)。微弱的磁場使金星無力對抗太陽對其大氣層的肆意破壞，大氣層中比較輕的氫元素被太陽風(fēng)帶走后，金星上沒有了氫元素也就沒有了水，沒有水，就無法消耗二氧化碳。如此一來，金星通過火山爆發(fā)等地質(zhì)運(yùn)動和大氣化學(xué)變化產(chǎn)生的大量二氧化碳就無法被消耗。又因二氧化碳是比較重的氣體，不易被太陽風(fēng)吹走，所以金星上的二氧化碳越積越多，就形成了如今濃密的金星大氣層。二氧化碳作為著名的溫室氣體，它有著良好的吸熱性，于是高濃度的二氧化碳給金星造成了“失控溫室效應(yīng)”，使其表面溫度高達(dá)470℃。

說到火星，它的大氣也以二氧化碳為主，且比例占到了95%，但火星的大氣比金星稀薄得多，甚至其大氣密度只有地球的百分之一左右。究其原因，這很可能與金星和火星的質(zhì)量不同有關(guān)。雖然金星和火星的磁場都很微弱，但是金星的質(zhì)量是火星的7.6倍，所以它的引力比火星大，對于大氣的束縛能力也比火星強(qiáng)得多。可以說，在幾十億年里，火星是眼睜睜看著自己的大氣一點(diǎn)點(diǎn)被太陽風(fēng)吹散到太空之中的。

氣態(tài)行星的大氣層

相比于類地行星，氣態(tài)行星體積更大，質(zhì)量也更大，如木星的質(zhì)量大約是地球的318倍，其體積是地球的1 300倍。氣態(tài)行星的大氣成分不同于類地行星，主要是由氫和氦組成的。為什么比較輕的氫和氦會在遠(yuǎn)離太陽的氣態(tài)行星上存在呢？這就要說到太陽系的形成過程了。

在太陽系形成的初期，靠近太陽的地方更加熾熱。大量物質(zhì)在太陽巨大的能量下氣化并向遠(yuǎn)處飄去。留下的是質(zhì)量較大的巖石和金屬物質(zhì)，這些物質(zhì)相互碰撞就形成了四顆固態(tài)行星。而那些從太陽系中心飄向遠(yuǎn)方的更輕的物質(zhì)在太陽系的外圍匯聚。遠(yuǎn)離太陽的地方溫度比較低，水會以冰的形式存在，而氣體也會冷凝成固體。于是這些較輕的物質(zhì)聚集在一起，就形成了氣態(tài)行星的內(nèi)核。這些行星形成后，質(zhì)量越來越大，引力也相應(yīng)地增加，不斷吸引那些從太陽系中心吹出來的氫和氦，形成了自己的大氣層。

土星和木星的大氣比較相似，都存在狂暴的颶風(fēng)和復(fù)雜的大氣運(yùn)動，因此在望遠(yuǎn)鏡中我們可以看到土星和木星上那些漂亮的帶紋。天王星和海王星的大氣中存在比例頗高的甲烷，因此它們在望遠(yuǎn)鏡中還會呈現(xiàn)出深淺不一的藍(lán)色。

回顧太陽系各大行星的大氣環(huán)境，它們的成分有的以二氧化碳為主，有的以氫、氦為主;有的非常稀薄，有的又極其濃密。它們仿佛穿著不同的“外衣”，而“外衣”的薄厚、材質(zhì)直接決定了行星上是否適宜生命存活。看到被濃密二氧化碳變成溫室的金星，你們是否也想到了正在因溫室氣體增多而變得越來越暖的地球？沒錯，研究行星大氣也在提醒我們要保護(hù)好地球的大氣層，因為地球是我們?nèi)祟愖蠲利惖募覉@。