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。

地球生命的保護層

古希臘人認為萬物是由土、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驗讓人們見識了空氣的力量。從2020年9月，英國科學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驗發(fā)現(xiàn)氧氣，人類終于認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。

在科學家研究空氣成分的同時，一批冒險家和氣象學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？科學家認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)運動和大氣化學變化產(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”，使其表面溫度高達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點被太陽風吹散到太空之中的。

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方的更輕的物質(zhì)在太陽系的外圍匯聚。遠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，都存在狂暴的颶風和復雜的大氣運動，因此在望遠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，因此它們在望遠鏡中還會呈現(xiàn)出深淺不一的藍色。

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好地球的大氣層，因為地球是我們?nèi)祟愖蠲利惖募覉@。