什么是大气层(什么是大气层结稳定度)

不是所有星球的“标准”

还是宇宙对生命的眷顾。

本报记者唐婷

11月11日，北金牛座流星雨要来了。这场以火球比例高著称的流星雨，在2015年给人们带来了一场火球观星的盛宴。

所谓的火球，其实是一颗质量较大的流星在穿过地球大气层时剧烈燃烧而产生的天文现象。事实上，这种壮观的现象在其他星球上也能看到。因为不仅是地球，其他一些星球也有大气层。

星球的大气层是怎么形成的？有哪些结构？为什么有的星球有大气层，有的没有？带着这些问题，科技日报记者采访了相关专家。

这个星球的大气层就是这样形成的。

什么是行星大气层？“一般来说，行星大气层通常是指包裹固体行星的固体包层结构的大气层。”中科院国家天文台研究员平劲松介绍。

行星表面的固体大气源于自身存在或能产生挥发性物质。平劲松进一步解释说，这些挥发性物质可能是行星形成之初，外围物质在吸附聚合过程中分解时产生的；也可能是由于行星内部变暖导致的持续降水和气体排放，如火山活动；此外，也可能是表面物质受到太阳照射时产生的。

“金星周围有稠密的大气和云层，大气压力大约是地球的90倍。之前的探索发现金星上有很多火山活动。因此，我们得出结论，金星表面稠密的大气来源于其内部持续的火山喷发。”中国科学院空中心研究员刘墉以金星为例。

行星的大气层通常由多层厚层结构和层间的薄过渡层组成。每一层都有子层。有大气层的行星的大气层密度自下而上越来越低，但总气体含量或质量一般处于动态平衡。

“根据整体带电特征，行星大气可分为两个主要层次，即底部的中性层和上方的电离气体层。中性层的厚度很小，大约几十公里，电离层的厚度一般是几百到几个千千米。”平劲松指出，生物圈通常位于中性层的底部，最近在金星大气中发现的磷化氢达到了50公里的高度，这是一个非常有趣的现象，值得进一步探索。

在太阳系中，行星的顶部或上层大气受到太阳光的紫外线和X射线照射后，量子态的气体分子中的电子吸收能量后离开气体分子，产生电离。等离子体由中性气体分子、带正电荷的离子和电子混合而成，这就成为电离层。由于太阳辐射相对稳定，有气体层的金星、地球和火星，虽然气体密度巨大，但其上层大气吸收的太阳紫外辐射总量和X射线辐射能量差别不大，因此它们的电离层电子密度相对接近。

留不住，生不下来=没氛围。

对于有磁场的地球来说，电离层上部几乎完全是电离气体磁层，厚度可达数万公里。

火星也有大气层，但与地球相比，它的大气层非常稀薄，密度不到地球的百分之一。在刘墉看来，地球磁场的束缚功能在防止大气逃逸方面起着重要作用。

“行星大气层的逃逸过程也是科学家非常关注的问题之一。事实上，地球和火星都存在大气逃逸现象。然而，两者的大气密度却大相径庭。重要原因是地球有一个固有磁场，形成的磁层就像一个‘防护罩’，可以有效阻止大气逃逸。”刘墉分析道。

同样，平劲松也认为，有些行星大气没有沉积在表面或完全逃逸，最终形成行星大气，得益于行星中心引力、磁场束缚、分子运动状态和外界辐射干扰之间的动态平衡。

然而，并不是所有的固体行星都有大气层。为什么有的星球有大气层，有的没有？

从行星演化和大气来源来看，有大气的行星通常有丰富的挥发性气体来源和允许气体挥发的能量注入。同时，要保持气体逸出、沉降速度和新生速度之间的动态平衡。

"行星没有大气层可能有两个主要原因."平劲松分析，一个是完全意义上的岩石行星，无法抑制其产生的气体，排出外层的挥发性成分。同时，其内部能量和外部注入的能量不足以分解岩石，生成新的挥发性气体；另一种是远离太阳和中央恒星的行星，其密度低到足以产生热核反应，导致内部能量和外部注入能量不足以引起足够的挥发性物质从表面逃逸。即使这些行星不断产生气体，气体的密度或总含量也不足以形成可探测的大气层。

比如月球就是典型的岩石行星体。月球上虽然发现了水分子，但并没有严格意义上的气体组成的大气层。但是也有一些特殊情况，比如水星离太阳太近，太阳的辐射和潮汐作用已经完全瓦解了水星可能存在的大气。

为地球撑起一把“伞”

对于有大气的行星来说，大气在浩瀚的宇宙中为它们撑起了一把“伞”。

一方面，行星大气层可以阻挡和削弱流星和彗星对行星的影响。这就是为什么我们可以安心的欣赏火球，而不用担心它对我们的威胁。具有足够密度和厚度的行星大气可以屏蔽大量来自太阳和宇宙的高能粒子辐射和撞击空，以及紫外线和X射线辐射等。在形成电离层的过程中。

“更重要的是，在抵御外部辐射的同时，行星的大气还起到了保护主要挥发物的循环平衡和适度存在的作用。”平劲松举例，比如地球大气层保护地球水循环和氧氮的适度存在；火星的大气保证了一氧化碳和二氧化碳在火星上的循环，正是这些活动的顺利进行，使得星球的固体表面长期稳定。

刘墉指出，大气层的存在也对保持地球表面温度相对稳定和昼夜温差相对较小发挥了重要作用。稳定适宜的温度对生命的产生和进化具有重要意义。

“过高或过低的温度，或者剧烈的温度变化，都不利于高级生命的生存和进化。从某种意义上说，大气起着“温度稳定器”的作用。有了大气层的存在，地球表面温暖舒适，适合人类和其他生物生存。”刘墉说。

此外，固态行星的稳定演化还得益于能量平衡，即外部获得的能量与外部辐射的能量之间的动态平衡。在调整动态平衡的过程中，大气的稳定存在对这种大尺度能量的吸收、注入和向外辐射起着关键作用。

这些信息仍然隐藏在大气中。

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。一般在研究固体行星时，很难捕捉到固体表面以下的物质，但探测或获取行星大气相对容易一些。

通过对行星大气的研究，我们不仅可以获得大气本身的物理、化学、动力学和气候学特征，还可以推断出行星表面以下可能的动力学或生物学过程。对大气的遥感和原位探测可以提供更多关于太阳系行星在早期原始阶段的化学和行星生物学的信息。

平劲松举例说，通过比较行星学的研究，在火星大气中发现的甲烷可能表明火星地表下仍然存在活跃的微生物群落。金星大气中发现的磷化氢也预示着那里合适的大气或地表环境，有利于一些原始微生物的存在。从木星和土星卫星的大气探测中，也可以推断出冰洋下可能存在异质微生物，与地球上的微生物不同。

“如果有大气层，星球上存在生命的可能性比较大，生命对稳定的环境要求极高。大气层在保持环境稳定方面起着重要作用。对行星大气层的探索可以为寻找可能的外星生命提供重要线索。”刘墉认为。

来源:科技日报