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科学的缺席和科普的误读:金星的大气为什么比地球更浓密?

已有 1065 次阅读 2021-8-2 15:17 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流

科学的缺席和科普的误读:金星的大气为什么比地球更浓密?

                        吉林大学:杨学祥,杨冬红


      火星

      火星(英语:Mars;拉丁语:Martis;天文符号:♂),是离太阳第四近的行星,也是太阳系中仅次于水星的第二小的行星,为太阳系里四颗类地行星之一。

      火星大气以二氧化碳为主,既稀薄又寒冷,遍布撞击坑、峡谷、沙丘和砾石,没有稳定的液态水,南半球是古老、充满撞击坑的高地,北半球则是较年轻的低地平原。火星没有来自中心的全球性的磁场

      火星的大气密度只有地球的大约1%,非常干燥,温度低,表面平均温度零下55℃,水和二氧化碳易冻结。在火星的早期,它与地球十分相似。像地球一样,火星上几乎所有的二氧化碳都被转化为含碳的岩石。但由于缺少地球的板块运动,火星无法使二氧化碳再次循环到它的大气中,从而无法产生意义重大的温室效应。因此,即使把它拉到与地球距太阳同等距离的位置,火星表面的温度仍比地球上的冷得多。

      火星的那层薄薄的大气主要是由遗留下的二氧化碳(95.3%)加上氮气(2.7%)、氩气(1.6%)和微量的氧气(0.15%)和水汽(0.03%)组成的。火星表面的平均大气压强仅为大约7毫巴(比地球上的1%还小),但它随着高度的变化而变化,在盆地的最深处可高达9毫巴,而在奥林帕斯山脉的顶端却只有1毫巴。但是它也足以支持偶尔整月席卷整颗行星的飓风和大风暴。火星那层薄薄的大气层虽然也能制造温室效应,但那些仅能提高其表面5℃的温度,比我们所知道的金星和地球的少得多。


      金星

      金星(Venus)是太阳系中八大行星之一,按离太阳由近及远的次序,是第二颗,是离地球最近的行星之一(火星有时候会更近)。金星是一颗与地球相似的类地行星,常被称为地球的姊妹星。其表面的平均温度高达735K(462°C),是太阳系中最热的行星。

       金星被一层高反射、不透明的硫酸云覆盖着,阻挡了来自太空中,可能抵达表面的可见光。它在过去可能拥有海洋,并且外观与地球极为相似,但是随着失控的温室效应导致温度上升而全部蒸发掉了。水最有可能因为缺乏行星磁场而受到光致蜕变分解成氢和氧,而自由氢一直被太阳风大气逃逸,扫进星际空间。金星表面是干燥的荒漠景观,点缀着定期被火山刷新的岩石。2020年9月15日,科学家在金星大气层中侦测到磷化氢存在,这可能是地外生命存在的迹象。

      金星有浓密的大气。金星的大气主要由二氧化碳组成,并含有少量的氮气。金星的大气压强非常大,为地球的92倍,相当于地球海洋中1千米深度时的压强。大量二氧化碳的存在使得温室效应在金星上大规模地进行着。如果没有这样的温室效应温度会下降400℃。在近赤道的低地,金星的表面极限温度可高达500℃。

      金星表面的温度很高,是因为金星上强烈的温室效应,温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应。金星上的温室效应强得令人瞠目结舌,原因在于金星的大气密度是地球大气的100倍,且大气97%以上是“保温气体”——二氧化碳;同时,金星大气中还有一层厚达20~30千米的由浓硫酸组成的浓云。二氧化碳和浓云只许太阳光通过,却不让热量透过云层散发到宇宙空间。被封闭起来的太阳辐射使金星表面变得越来越热。温室效应使金星表面温度高达465至485℃,且基本上没有地区、季节、昼夜的差别。它还造成金星上的气压很高,约为地球的90倍。浓厚的金星云层使金星上的白昼朦胧不清,天空是橙黄色的。云层顶端有强风,大约每小时350千米,但表面风速却很慢,每小时几千米不到。十分有趣的是,金星上空会像地球上空一样,出现闪电和雷暴。

       金星大气层主要为二氧化碳,占约96%,以及氮3%。在高度50至70千米的上空,悬浮着浓密的厚云,把大气分割为上下两层。云为浓硫酸液滴组成,其中还掺杂着硫粒子,所以呈现黄色。

      金星也没有来自中心的全球性的磁场,在金星上会有很强烈的磁场,但是这种磁场还要比地球的弱一些。因为这种磁场的产生是由于电离子与太阳风之间出现了相互作用所导致。与地球上的磁场完全不同,地球上的磁场能够保护大气层,而金星上的磁场无法去保护大气层,也不能抵抗宇宙中的辐射。

https://m.tanmizhi.com/html/26588.html


      太阳风

      太阳风,非常具有侵蚀性。它们主要由带正电的质子和带负电的电子组成,会以极高的速度从太阳表面冲出。当这些带电粒子在靠近行星时会产生电场,电场会加速带电粒子离开大气,使得行星难以持大气的存在。火星就是因为这样的过程而失去了原有的大气。

  我们的地球之所以没有迎来与火星一样的结局,是因为它拥有一个旋转的铁核可以产生磁场。地球的磁层就像一个屏障,它能让太阳风发生偏转,阻止太阳风对大气层的侵蚀,从而保护地球生命免受紫外线辐射的伤害。

https://finance.sina.com.cn/tech/2021-08-02/doc-ikqciyzk9009964.shtml?cre=tianyi&mod=pchp&loc=5&r=0&rfunc=79&tj=cxvertical_pc_hp&tr=12

       马文号(MAVEN)是火星大气与挥发物演化探测器的英文缩写,是世界上第一颗专门用于研究火星高层大气的探测器。它于2013年11月18日发射,2014年9月22日进入环绕火星的椭圆轨道。它曾在火星北半球发现了紫外线极光,并在高层大气中探测到神秘的尘埃云。


      火星大气去哪儿了?


       科学家们在火星表面或一定深度都没有发现充足的含碳矿物,这些证据否认了人们曾经的猜想——火星上曾经浓厚的二氧化碳被埋藏到地下。那么,会不会有一种可能:火星大气逃逸、消散到太空中,可能是火星气候变化的主要原因。马文号就通过测量火星高层大气与太阳和太阳风的相互作用,研究出了火星大气的逃逸过程。

       原来,由于火星没有全球性的磁场,太阳风可以直接抵达火星,将火星高层大气中的带电离子驱赶走。而我们所身处的地球,由于有磁场的保护,带电的太阳风离子就无法直接抵达地球大气层。这也致使太阳风离子对地球和火星上的大气产生了不同的影响。马文号测量了火星大气中离子的总逃逸速率及其速率变化,探测结果发现,过去40亿年中,火星大气粒子逃逸对气候变迁有巨大影响。

      据探测,火星大气的逃逸主要发生在三个区域:一是火星面向太阳风一侧,该侧火星大气被太阳风电离后“吹”到火星阴面并逃逸出大气层,占大气逃逸总量的75%;二是极区上空,占火星大气逃逸总量约25%;三是绕火星的延展云层,仅占火星大气逃逸总量的很小一部分。不仅仅是太阳风,不时出现的太阳风暴对火星大气的影响更为显著。尤其是在太阳系形成早期,太阳风暴出现的几率更为频繁。当太阳风暴击中火星大气层时,大气逃逸速率将提高约10~20%。平均每秒约有100克的火星大气被“吹走”,相当于两个鸡蛋的质量。

      目前,火星上仍残存着稀薄的大气层。

https://www.sohu.com/a/195598889_221039


      行星轨道偏心率大才是行星大气丢失的主要原因


      问题来了:金星也没有全球性的磁场。在金星上会有很强烈的磁场,但是这种磁场还要比地球的弱一些。因为这种磁场的产生是由于电离子与太阳风之间出现了相互作用所导致。与地球上的磁场完全不同,地球上的磁场能够保护大气层,而金星上的磁场无法去保护大气层,也不能抵抗宇宙中的辐射。那么,谁保护了金星的浓密大气?

  彗星的彗尾是怎样形成呢?17世纪时,牛顿认为彗尾是由于光的斥力作用,即太阳辐射压力。后来发现太阳风是彗星产生彗尾的主要作用力。所谓太阳风就是太阳向外喷射出的高能粒子流,太阳风的平均速度是每秒300~500千米,对彗星造成强大的推斥力。太阳辐射及太阳风就是促成彗尾形成的两股原动力,所以彗尾要在彗星接近太阳时才出现,彗尾的方向永远背向太阳。当轨道偏心率极大的彗星向太阳靠近时,太阳风和太阳辐射将彗发物质吹走,形成背光的彗尾;当彗星向离开太阳的方向运动时,彗发和彗尾收缩。彗星每靠近太阳一次,就失掉相当大数量的质量,相当于彗星质量的0.1%到1%。显而易见,短周期彗星的生命时期是短暂的。彗核表面物质在接近太阳时不断转变为彗发和彗尾,被太阳风吹散到太空。

       类比于彗星质量的消失,我们可以模拟出行星大气的消失过程。当轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时,太阳风和太阳辐射将一部分大气物质吹走,形成背光的“气尾”;当行星向离开太阳的方向运动时,“气尾”收缩。行星每靠近太阳一次,就失掉相当大数量的大气质量。这是近日行星原始大气完全丧失殆尽的原因,也是水星和火星的大气非常稀薄的原因。因为在近日行星中,水星与火星的轨道偏心率最大,分别为0.206和0.093;而地球的偏心率较小,为0.017,金星的偏心率更小,为0.007。显然,近日行星的大气密度与其轨道偏心率成反比。类比与彗星的大气散失,就可以解释为什么近日行星中轨道偏心率大的行星大气散失的比较多,大气非常稀薄。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-696517.html

      我们在2006年撰文指出, 大气层对行星具有保温作用。当轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时,太阳风和太阳辐射将一部分大气物质吹走,形成背光的“气尾”;当行星向远离太阳的方向运动时,“气尾”收缩。行星每靠近太阳一次,就失掉相当多的大气质量。

       近日行星中,水星与火星的轨道偏心率最大,分别为0.206和0.093,地球的偏心率为0.017,金星的偏心率为0.007。近日行星的大气密度与其轨道偏心率成反比,因此,近日行星中轨道偏心率大的行星大气散失比较多,大气非常稀薄。大气层可以保持地表的气温,大气的流失降低地表气温,这是10万年冰期周期与地球轨道偏心率10万年变化周期对应的原因,地球轨道偏心率变化范围为0.017~0.067,在偏心率最大时对应冰期的出现。强磁场对大气也有保护作用。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-436350.html

       米兰科维奇循环的天文冰期理论:火星目前处于轨道偏心率较大的大冰期时期,地球处于轨道偏心率较小的间冰期时期,金星处于轨道偏心最小的极热期时期。

       轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时产生的大气丢失,是冰期产生的根本原因。大气稀薄也是与冰期伴随的生物灭绝的原因。而地球的是10万年和41.3万年等,于0.005至0.058间变化(见米兰科维奇循环)

      在八大行星中金星的轨道最接近圆形,偏心率最小,仅为0.006811。火星和地球10万年后也有可能变为金星目前状态,目前没有成为金星目前状态的可能。

      火星的轨道偏心率最大,为0.093,地球的偏心率为0.017,金星的偏心率为0.007。在10万年的周期内,地球既不能变为金星,也不能变为火星,地球上的生命也不会灭绝。

       科学的缺席和科普的误读,必须得到及时的纠正。


参考文献

1.杨学祥, 陈殿友. 构造形变、气象灾害与地球轨道的关系. 地壳形变与地震,2000,20(3):39~48

2.杨冬红,杨学祥,刘财。2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温。地球物理学进展。2006,21(3):

1023-1027

Yang Donghong,Yang Xxuexiang, Liu Cai. Global low temperature, earthquake and tsunami (Dec. 26, 2004) inIndonesia[J].Progress in Geophysics, 2006, 21(3): 1023~1027.


相关报道

当太阳死亡时,生命也将终结

2021年08月02日 10:10 新浪科技综合

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  来源:原理

  太阳风,非常具有侵蚀性。它们主要由带正电的质子和带负电的电子组成,会以极高的速度从太阳表面冲出。当这些带电粒子在靠近行星时会产生电场,电场会加速带电粒子离开大气,使得行星难以持大气的存在。火星就是因为这样的过程而失去了原有的大气。

  我们的地球之所以没有迎来与火星一样的结局,是因为它拥有一个旋转的铁核可以产生磁场。地球的磁层就像一个屏障,它能让太阳风发生偏转,阻止太阳风对大气层的侵蚀,从而保护地球生命免受紫外线辐射的伤害。

  但这样的情况会一直维持下去吗?在一项近期发表在《皇家天文学会月刊》的研究中,一组天文学家计算了太阳风的强度在接下来的50亿年里将如何演变。他们发现,到那时,耗尽了氢燃料的太阳将变成一个巨大的红巨星,越来越强大的太阳风会完全侵蚀地球的磁层,并将地球的大部分大气吹向太空,地球上任何能够存活这么长时间的生命都将被毁灭

  在恒星的一生中,所有恒星最终都会耗尽内核中可用于核聚变的氢,我们的太阳也不例外。在数十亿年后,太阳的核心将会在自身引力的作用下收缩,它的外层则开始膨胀,膨胀为一颗巨大的红巨星

  到那时,太阳的直径将达到数千万千米,它能吞噬太阳系的带内行星,水星和金星几乎肯定会被毁灭,地球也可能位列其中。而那些没有被吞噬的行星,也随着太阳质量的减少,引力的减弱,而距离太阳越来越远。

  在红巨星阶段,太阳风会比现如今要强得多。新研究的作者想知道,那时的太阳风究竟会有多强?如果那时地球仍然存在的话,它的磁层能够经受住这种冲击吗

  在新的研究中,他们模拟了11种不同类型的恒星的恒星风,这些恒星的质量从1到7倍太阳质量不等。模型展示了随着时间的推移,恒星风的密度、速度,以及不断膨胀的行星轨道会如何影响行星的磁层。他们发现,在膨胀的末期,阳风的速度和密度会剧烈地波动,使得附近行星的磁场呈现出交替式的膨胀和收缩。最终,每个行星的磁层会被恒星风的强度“压制任何能够在整个恒星演化过程中都维持其磁层的行星,其磁场强度必须比木星当前的磁场强度至少强100倍,或者说比当前的地球磁场强度至少强1000倍

  恒星所经历的这些过程还会导致宜居带的变化。所谓恒星的宜居带,指的是处于这一距离内的行星可能有着能够支持液态水存在的适宜温度。以太阳系为例,宜居带将会从距离太阳约1.5亿千米的地方,移动到距离太阳60亿千米的地方。尽管在那个时候,行星也会在这个过程中距离恒星越来越远。但科学家发现,宜居带向外移动的速度比行星更快,这对任何希望在这个过程中生存下来的生命又将构成额外的挑战。

  最终,红巨星会甩掉它的整个外层大气,终坍缩成一颗致密的白矮星这时,它们将不会再会释放恒星风,所以一旦抵达恒星的这个阶段,威胁着行星上的生命的时期就已经度过了。再经过数十亿年,白矮星的微弱光芒才会尽数熄灭。

  这项研究表明,在恒星演化的巨星支阶段,一颗行星是很难保持其磁层的。同时,它也告诉我们——地球上的生命注定会灭亡。除了这些信息,它还为寻找外星生命的天文学家带来了新的启示。


  一些天文学家认为,白矮星的行星轨道上可能有适合生命居住的行星,部分原因是这些已经死亡的恒星不会产生太阳风。而新的研究则表明,如果白矮星周围的类地行星上真的存在任何生命,那么几乎可以肯定这些生命一定是在该恒星的红巨星阶段结束后才得以进化出现的,除非这种生命能够承受多次极端和突然的环境变化,或者这颗行星具有保护它免受恒星风影响的超强磁场。

  研究人员总结道,几乎可以肯定的是,在白矮星宜居带的行星上,任何生命都是发展于白矮星阶段。换句话说,在太阳系里,任何行星上的生命都不可能在其太阳消亡后幸存。但一旦太阳成为一颗白矮星,在漫长的数十亿年里,生命将有可能从灰烬中重生。

  #创作团队:

  文:不二北斗

  #参考来源:

  https://ras.ac.uk/news-and-press/research-highlights/planetary-shields-will-buckle-under-stellar-winds-their-dying 

  https://www.space.com/solar-wind-destroy-earth-magnetosphere。

  html https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/506/2/1697/6308830?redirectedFrom=fulltext

  #图片来源:

  封面来源:NASA

https://finance.sina.com.cn/tech/2021-08-02/doc-ikqciyzk9009964.shtml?cre=tianyi&mod=pchp&loc=5&r=0&rfunc=79&tj=cxvertical_pc_hp&tr=12


火星大气层十分稀薄 它的大气层是这样消失的 

2017-09-30 10:43


美国国家航空航天局(NASA)公开发布了马文号关于火星大气探测的“重要发现”,是继发现火星液态水存在的证据之后,又一振奋人心的消息。那么,这个“重要發现”究竟有多大含金量?不卖关子了,让笔者为您娓娓道来。

经过几十年的火星探测,许多新发现不断冲击着人类的想象力,给我们带来探索未知世界的惊喜。我们越是了解火星,对火星内部、火星表面和火星大气之间的相互联系就越清晰。火星是否具有适合人类移居的潜力?火星上是否存在液态水?火星气候是如何变迁的?回答这些问题的关键,就是了解火星不同系统之间的相互作用,以及这些作用随时间变化的历史。

“发现者”马文号

马文号(MAVEN)是火星大气与挥发物演化探测器的英文缩写,是世界上第一颗专门用于研究火星高层大气的探测器。它于2013年11月18日发射,2014年9月22日进入环绕火星的椭圆轨道,目前已在轨探测一年多。它曾在火星北半球发现了紫外线极光,并在高层大气中探测到神秘的尘埃云。

除了马文号之外,目前还有3颗探测器正在环绕火星探测,其中包括NASA于2001年发射的奥德赛号火星轨道器和2005年发射的火星勘测轨道飞行器,以及欧洲航天局(ESA)在2003年发射的火星快车轨道器。此外,在火星表面还有两辆火星车正在开展巡视探测,分别是2003年发射的机遇号和2011年发射的好奇号。

与耗资26亿美元、研究火星表面地质和物质组成的好奇号火星车不同,马文号是第一颗探测火星高层大气的探测器,大部分时间,它都会在近火点约150千米、远火点6000千米的椭圆轨道环绕火星运行;但也曾数次下降到距离火星表面125千米处,即火星高层大气的“最下边界”,以获得不同高度的火星大气分析数据。

火星大气去哪儿了?

前文说过,科学家们在火星表面或一定深度都没有发现充足的含碳矿物,这些证据否认了人们曾经的猜想——火星上曾经浓厚的二氧化碳被埋藏到地下。那么,会不会有一种可能:火星大气逃逸、消散到太空中,可能是火星气候变化的主要原因。马文号就通过测量火星高层大气与太阳和太阳风的相互作用,研究出了火星大气的逃逸过程。

原来,由于火星没有全球性的磁场,太阳风可以直接抵达火星,将火星高层大气中的带电离子驱赶走。而我们所身处的地球,由于有磁场的保护,带电的太阳风离子就无法直接抵达地球大气层。这也致使太阳风离子对地球和火星上的大气产生了不同的影响。马文号测量了火星大气中离子的总逃逸速率及其速率变化,探测结果发现,过去40亿年中,火星大气粒子逃逸对气候变迁有巨大影响。

据探测,火星大气的逃逸主要发生在三个区域:一是火星面向太阳风一侧,该侧火星大气被太阳风电离后“吹”到火星阴面并逃逸出大气层,占大气逃逸总量的75%;二是极区上空,占火星大气逃逸总量约25%;三是绕火星的延展云层,仅占火星大气逃逸总量的很小一部分。不仅仅是太阳风,不时出现的太阳风暴对火星大气的影响更为显著。尤其是在太阳系形成早期,太阳风暴出现的几率更为频繁。当太阳风暴击中火星大气层时,大气逃逸速率将提高约10~20%。平均每秒约有100克的火星大气被“吹走”,相当于两个鸡蛋的质量。

目前,火星上仍残存着稀薄的大气层。而在太阳系的八大行星中,火星的自然环境与地球最为相似,是唯一经改造后适合人类长期居住的天体。科学界越来越清晰地认识到,火星是人类面临重大灾难时最有可能去的避险地。此次马文号对火星大气消失之谜的关键性发现,将有助于进一步了解这颗神秘的红色行星,并为实现人类首次登陆火星提供重要依据。


https://www.sohu.com/a/195598889_221039




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