11月11日，北金牛座流星雨即將到來(lái)，這個(gè)以擁有高比例火流星而聞名的流星雨，曾在2015年給人們帶來(lái)火流星的觀星盛宴。

所謂火流星，其實(shí)是質(zhì)量較大的流星穿過(guò)地球大氣層時(shí)劇烈燃燒產(chǎn)生的一種天文現(xiàn)象。事實(shí)上，這種壯觀的現(xiàn)象，在其他行星上也能看到。因?yàn)椴恢皇堑厍颍渌恍┬行且灿写髿鈱印?/p>

行星的大氣層是如何產(chǎn)生的?有著哪些結(jié)構(gòu)?為何有的行星有大氣層，有的行星卻沒(méi)有?帶著這些問(wèn)題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)專(zhuān)家。

行星大氣層這樣產(chǎn)生

什么是行星大氣層?“一般而言，行星大氣層通常是指包裹著固態(tài)行星的固體包絡(luò)構(gòu)造的大氣。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松介紹道。

固態(tài)行星表面大氣的產(chǎn)生，根源是其自身存在或可以生成揮發(fā)性的物質(zhì)。平勁松進(jìn)一步解釋道，這些揮發(fā)性物質(zhì)可能是在行星形成之初的吸集、聚合過(guò)程中，外圍物質(zhì)分解時(shí)產(chǎn)生的;也可能是行星內(nèi)部升溫導(dǎo)致不斷析出、噴出氣體，如火山活動(dòng)等產(chǎn)生的;另外，還可能是表面物質(zhì)被太陽(yáng)照射時(shí)所產(chǎn)生的。

“金星周?chē)袧饷艿拇髿夂驮茖?，大氣壓約為地球的90倍。此前探測(cè)發(fā)現(xiàn)，金星上有著大量的火山活動(dòng)。因此我們推斷，金星表面濃密的大氣源自其內(nèi)部不斷發(fā)生的火山爆發(fā)活動(dòng)。”中國(guó)科學(xué)院空間中心研究員劉勇以金星為例說(shuō)道。

行星大氣層，通常包括多層厚層結(jié)構(gòu)，以及各層之間存在的薄層過(guò)渡層。各層內(nèi)部還存在次級(jí)別的層次。擁有大氣層的行星，其大氣自下而上密度越來(lái)越低，但總的氣體含量或質(zhì)量一般處于動(dòng)態(tài)平衡。

“按照整體的帶電特性，行星大氣層可分為兩個(gè)主要的層次，即位于底部的中性層和之上的電離氣體層。中性層厚度小，約幾十千米，電離層厚度一般在數(shù)百到數(shù)千千米。”平勁松指出，生物圈通常位于中性層的底部，而近期發(fā)現(xiàn)的金星大氣中存在磷化氫的高度達(dá)到了50千米，是一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，值得進(jìn)一步探索。

太陽(yáng)系內(nèi)，行星頂部或上部大氣受到太陽(yáng)光的紫外線和X射線照射后，處于量子態(tài)的氣體分子中的電子吸收能量后脫離氣體分子，發(fā)生電離。由中性氣體分子、帶正電的離子和電子混合形成了等離子體，成為電離層。由于太陽(yáng)輻射相對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，存在氣體層的金星、地球、火星盡管氣體密度差異巨大，但它們的大氣層上部吸收的總太陽(yáng)紫外線和X射線輻射能量差異不大，因此其電離層電子密度比較接近。

留不住、生不成=沒(méi)有大氣層

對(duì)于存在著磁場(chǎng)的地球而言，在電離層的上部，還存在幾乎完全電離的氣體磁層，厚度可達(dá)數(shù)萬(wàn)千米。

火星也有大氣層，但和地球相比，火星的大氣層非常稀薄，火星大氣的密度不到地球大氣的百分之一。在劉勇看來(lái)，地球磁場(chǎng)的束縛功能在防止大氣逃逸方面起到了重要作用。

“行星大氣逃逸的過(guò)程也是科學(xué)家非常關(guān)注的問(wèn)題之一。事實(shí)上，地球和火星都有大氣逃逸的現(xiàn)象。但兩者大氣密度差異很大，很重要的原因在于，地球有著內(nèi)稟磁場(chǎng)，形成的磁層就像‘保護(hù)罩’一樣，能夠有效防止大氣的逃逸。”劉勇分析道。

同樣，平勁松也認(rèn)為，一些行星大氣之所以沒(méi)有沉積到表面，也沒(méi)有完全逃逸，最終形成了行星大氣層，得益于行星中心引力、磁場(chǎng)的束縛與分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和外部輻射干擾的動(dòng)態(tài)平衡。

然而，并非所有的固態(tài)行星都擁有大氣層。為什么有些行星有大氣層，而有些卻沒(méi)有?

從行星演化和大氣層來(lái)源來(lái)看，有大氣層的行星通常自身內(nèi)部擁有充裕的揮發(fā)性氣體來(lái)源，以及使得氣體可以揮發(fā)出來(lái)的能量注入;同時(shí)，還要保持氣體逃逸、沉降速度與新生成的速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

“沒(méi)有大氣層的行星，主要原因可能有兩種。”平勁松分析道，一種是完全意義上的巖石行星，無(wú)法約束住其產(chǎn)生的氣體，耗盡了外層的揮發(fā)性成分，同時(shí)其內(nèi)部能量和外部注入能量不足以分解巖石而產(chǎn)生新的揮發(fā)氣體;另一種是遠(yuǎn)離太陽(yáng)以及中心恒星的行星，其本身密度較低，不足以產(chǎn)生熱核反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部能量和外部注入能量不足以促成足量的揮發(fā)性物質(zhì)脫離表面，即便這些行星在不斷產(chǎn)生氣體，但氣體的密度或總含量不足以形成可被探測(cè)到的大氣層。

比如，月亮就是典型的巖石類(lèi)行星體，盡管在月球上發(fā)現(xiàn)了水分子，但它并不存在由氣體構(gòu)成的、嚴(yán)格意義上的大氣層。但也有一些特殊情況，比如水星由于距離太陽(yáng)太近，太陽(yáng)的輻射和潮汐作用早就徹底瓦解了水星可能存在的大氣層。

為行星撐起“保護(hù)傘”

對(duì)擁有大氣層的行星來(lái)說(shuō)，大氣層在浩瀚宇宙中為它們撐起了一把“保護(hù)傘”。

一方面，行星大氣層可以阻擋、減弱來(lái)自流星和彗星對(duì)行星的沖擊。這也是我們能夠安心欣賞火流星而不用擔(dān)心其對(duì)我們?cè)斐赏{的原因。密度、厚度足夠大的行星大氣層，其外部在成為電離層的過(guò)程中，可以遮擋大量來(lái)自太陽(yáng)和宇宙空間的高能粒子輻射和沖擊，以及紫外線和X射線的輻射等。

“更為重要的是，在抵御外部輻射的同時(shí)，行星的大氣層還起到了保護(hù)主要揮發(fā)分的循環(huán)平衡和適度存在。”平勁松舉例道，比如地球大氣保護(hù)了地球的水循環(huán)和氧、氮等適度存在;火星大氣保證了火星一氧化碳、二氧化碳的循環(huán)，正是這些活動(dòng)的順利進(jìn)行才讓行星固體表面得以長(zhǎng)期穩(wěn)定。

劉勇指出，大氣層的存在，在維持地球表面溫度相對(duì)穩(wěn)定、晝夜溫差變化相對(duì)較小方面也起到了重要作用。穩(wěn)定、適宜的溫度，對(duì)生命的出現(xiàn)和演化有著重要的意義。

“溫度過(guò)高過(guò)低，或者溫度變化劇烈，都不利于高等級(jí)生命的生存和演化。某種意義上來(lái)說(shuō)，大氣層扮演了‘溫度穩(wěn)定器’的角色。有了大氣層的存在，使得地球表面溫暖舒適，適宜人類(lèi)和其他生物生存。”劉勇說(shuō)道。

此外，固態(tài)行星演化過(guò)程中穩(wěn)定的演化也得益于能量平衡，即外部獲得的能量和向外輻射能量的動(dòng)態(tài)平衡。在調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程中，大氣層的穩(wěn)定存在，對(duì)于這類(lèi)大規(guī)模能量的吸收注入和向外輻射起到了關(guān)鍵作用。

大氣中還藏著這些信息

行星大氣層的存在，是行星的重要組成部分，也是行星科學(xué)研究的重要信息來(lái)源。對(duì)固態(tài)行星進(jìn)行探測(cè)研究，一般比較難攫取到固體表面以下的物質(zhì)，而探測(cè)行星大氣或獲取行星大氣物質(zhì)，相對(duì)而言則要容易得多。

研究行星大氣，不僅可以獲得大氣本身的物理、化學(xué)、動(dòng)力學(xué)和氣候氣象學(xué)特性，還可以推演行星表面以下可能存在的動(dòng)力學(xué)過(guò)程或者生物學(xué)過(guò)程。行星大氣的遙感與原位探索，有可能提供更多的太陽(yáng)系行星化學(xué)與早期原始階段的行星生物學(xué)信息。

平勁松舉例道，通過(guò)比較行星學(xué)研究，在火星大氣中發(fā)現(xiàn)的甲烷，可能預(yù)示著火星表面之下存在依然活躍的微生物群落。而金星大氣中發(fā)現(xiàn)的磷化氫，也預(yù)示著那里適當(dāng)?shù)拇髿饣虮砻姝h(huán)境，利于某種原始微生物的存在。對(duì)木星衛(wèi)星和土星衛(wèi)星的大氣探測(cè)研究，也可推斷其冰海洋之下，可能存在不同于地球上的異種微生物。

“如果有大氣層的話，行星上生命存在的可能性比較大，生命對(duì)穩(wěn)定環(huán)境有著極高要求，大氣層在保持環(huán)境穩(wěn)定方面有著重要的作用。對(duì)行星大氣的探測(cè)研究，對(duì)尋找可能存在的系外生命能提供重要線索。”劉勇認(rèn)為。

標(biāo)簽： 大氣層