太阳系各大行星大气层之比较

航天 · 2016-11-23 03:05:10

木星和木卫一。NASA / 新视野探测器　　我们对地球大气习以为常。对于地球生命而言，它为我们提供了一个十分舒适的环境。但太阳系内的其它行星呢？它们是否也拥有大气？它们的大气结构和地球大气又有什么不同呢？　　首先要明确的一点是，太阳系所有行星都拥有某种大气或外逸层。它们的密度变化范围非常大，既有火星上那种极度稀薄的，也有气体巨行星上那种稠密狂暴的。而且它们的成份也各不相同。

水星北半球的高分辨率照片。NASA / 信使号　　水星大气　　水星太热了，太小了，因此无法维持一个足够稠密的大气层。但它有一个稀薄多变的外逸层，主要成分是氢、氦、氧、硫、钙、钾和水汽。这个外逸层的气压只有10^-14巴（是地球气压的千万亿分之一）。构成这个外逸层的多为水星从太阳风中俘获的粒子、火山喷出的气体和微陨石撞击产生的碎片。　　由于没有一个足够稠密的大气，水星无法保留从太阳获得的热量。这个原因加上它的偏心率高，导致行星的温度变化非常大。向阳面的温度可以高达427°C，而背阳面的温度会跌至-173°C。

金星。NASA / 先锋号金星轨道器　　金星大气　　金星的大气极为稠密，因此过去人们观察金星的表面十分困难。它的大气主要由二氧化碳和少量的氮构成。气压是92巴，其整个大气的质量比地球大气高出93倍，表面气压是地球表面气压的92倍。　　金星也是太阳系最热的行星，地表的平均气温高达462°C。造成这个结果的原因是它富含二氧化碳的大气，及其浓厚的二氧化硫云层。二者产生了太阳系内最强大的温室效应。在稠密的二氧化碳层上方，浓厚的云层主要由二氧化碳和硫酸微滴构成，它们能够把90%的阳光反射回太空。　　金星上还有强大的风，云顶风速可高达每秒85米，每五个地球日就能环绕行星一周。这样的风速比金星自转速度高60倍，而地球上速度最快的风也只是地球自转速度的10-20%。　　探测器的近距离飞掠发现，金星的云层能够产生闪电。那里可能存在着某种天气模式，闪电的频率至少可以达到地球的一半左右。

地球大气背景上的奋进号航天飞机。橙色是对流层，白色是平流层，蓝色是中间层。NASA　　地球大气　　地球大气主要成份是氮、氧、水汽、二氧化碳和其它微量气体，它可以分为五个层。包括对流层（Troposphere）、平流层（Stratosphere）、中间层（散逸层，Mesosphere）、热层（Thermosphere）和外逸层（Exosphere）。气压和密度随着高度的增加而递减。　　地表附近是对流层，它位于海平面和海拔12公里至17公里之间。对流层大气占地球大气质量总和的80%左右，而且包含了地球大气水汽含量的几乎全部。因此，地球上几乎所有天气现象都发生在对流层内。　　平流层在对流层顶部至海拔50公里高度之间。臭氧层就位于平流层内，含有浓度较高的臭氧气体。　　然后是中间层（散逸层），它位于海拔50至80公里之间。这里是地球上最冷的地方，平均温度只有-85°C。热层在中间层以上，可以一直向太空伸展到海拔500-1000公里之间的热层顶部。

国际空间站宇航员Doug Wheelock拍摄的极光。拍摄时间为2010年7月25日。NASA / 约翰逊航天中心　　热层的底部，大约在海拔80至550公里之间内含电离层，之所以叫电离层，是因为该层大气中的粒子会在太阳风的作用下电离。这里没有水汽，因此没有云。这里也是北极光和南极光产生的高度。　　外逸层是地球大气的最外层，它从外逸层底部——大约海拔700公里的热层顶部开始向外扩展，一直到达离地球约10000公里处。外逸层与外层空间交织在一起，主要由密度极低的氢、氦和一系列较重的分子如氮、氧和二氧化碳构成。　　外逸层离地球过于遥远，因此不会发生天气现象。只有北极光和南极光偶尔会在外逸层底部和热层的交界处闪耀。　　地球上的平均地表温度大约是14°C，但有一个变化范围。有记录的最高温度为70.7°C，在伊朗的卢特沙漠中测得。最低则在南极冰原的苏联东方站，为-89.2°C。

火星的大气极为稀薄。NASA　　火星大气　　火星拥有一个非常稀薄的大气，96%是二氧化碳，1.93%是氩，1.89%是氮，同时包含微量的氧和水汽。火星大气非常多尘，含有许多直径1.5微米左右的微粒，致使我们从火星地表看到的天空是黄褐色的。火星气压在0.4-0.87千帕之间，只有地球海平面附近气压的1%左右。　　因为大气稀薄，以及离太阳更远，火星表面的温度要比地球低许多。火星平均地表温度是-46°C，冬季极地可以低达-143°C，夏季赤道正午则可以上升到35°C左右。　　火星上还有尘暴，甚至能够形成小型龙卷风。火星表面在经受太阳热量后，会有大量尘埃被抛入大气，较大型的尘暴就是这样产生的。满是尘埃的温暖空气上升，风也会变大，产生的尘暴能够覆盖几千公里的范围，持续时间可以长达几个月。一旦发生尘暴，它们会把火星表面完全遮蔽。　　火星大气中还发现了微量的甲烷。它们像是地底的喷出物，来自某些特定的区域。火星快车探测器还在火星上检测到了氨，但它们存在的时间相对较短。还不清楚是它们是怎么产生的，有可能是火山。

木星。NASA / 卡西尼探测器　　木星大气　　和地球一样，木星上也有极光。但是木星的极光活动更加强烈，也鲜有停止之时。强大的辐射、木星的磁场，加上木卫一火山喷出的丰富物质，与木星电离层相互作用，制造出的光影秀确实十分壮观。　　木星也有暴戾的天气模式。那里的风速通常都在每秒100米左右，最高可达每小时630公里。几小时内便可以产生一个风暴，一夜之间直径便可以达到几千公里。其中一个，也就是著名的大红斑，在1600年代便已经出现。在历史上，它反复地缩小和扩大，但最终可能还是会消失。　　木星的云层多为氨晶，可能也有氢硫化铵。这些云位于木星的对流层顶部，在不同的纬度上，形成了沿赤道排列的云带。云层的深度只有50公里左右，至少可以分为两层，下方的厚重，上方的较薄。　　氨层下方可能还有一层较薄的水云，证据便是木星大气中的闪电，它们可能就是因为水产生极性导致带上不同的电荷引发的。观察结果表明，这些放电比地球上的闪电强大上千倍。

土星。NASA / 卡西尼探测器　　土星大气　　土星外层大气含有96.3%的分子氢和3.25%的氦（按容量计）。这个气体巨人也拥有较重的元素，但是其含量仍然未知。可能它们和太阳系形成初期的原始丰度相符。　　人们在土星大气中也发现了微量的氨、乙炔、乙烷、丙烷、磷化氢和甲烷。土星的云层上部由氨晶构成，而下方是氢硫化铵和水。来自太阳的紫外线会导致上层大气中的甲烷分解，引发一系列碳氢化学反应，反应的产物则会被涡流和扩散作用带往底部。　　土星大气拥有木星那样的带状条纹，但它赤道附近的条纹比较暗淡，也更宽阔。和木星云层一样，它们也能区分为上层和下层，且在不同的深度和压力下表现出不同的化学成分。上部云层的温度在100-160K之间，压力在0.5-2巴之间，云层的主要成份是氨冰。　　水冰云主要分布在压力为2.5巴至9.5巴之间的区域，那里的温度范围大约是185-270K。在这个气层中，混合着氢硫化铵冰云带，它们所在区域的气压大约在2-6巴之间，温度大约是290-235K。在更低的气层中，气压在10-20巴之间，温度在270-330K之间，那里有一个由氨水溶液微滴构成的区域。　　土星大气中偶尔也会出现气旋，和木星上的那种十分相似。木星上有大红斑，土星上则会周期性地出现所谓的大白斑（巨大的白色气旋）。这种现象非常独特，但寿命很短，大约每个土星年（大约相当于30个地球年）发生一次，多出现在北半球的夏至时节。　　这些斑点的宽度可以达到几千公里，人们在1876年、1903年、1933年、1960年和1990年都曾看到过。2010年它又出现了，一个被称为“北半球静电干扰”的巨大白色云带环绕了整个土星，并被卡西尼探测器摄下。假如这些风暴出现的周期是固定的，那么下一次它将在2020年之后出现。

伪彩色的土星北极六边形风暴。NASA / 卡西尼探测器　　土星上的风速在太阳系行星中是第二高的，仅次于海王星。旅行者号探测器发回的数据显示，这种来自东方的大风风速峰值可以达到每秒500米。土星的南北两极也有存在风暴天气的迹象。北极地区有一个六边形的波纹图案，南极则有迹象表明存在巨大的高速气流。　　北极地区的这个六边形图案在旅行者号拍摄的图片中就已经存在。这个六边形每一边的长度大约是13800公里（比地球直径还长），整个结构的自转周期大约是10小时39分24秒，和土星内部的自转周期大致相当。　　南极气旋是哈勃太空望远镜首次发现的。它拍摄的照片表明，那里有高速气流，但并不是六边形的。这些风暴产生的风速大约是每小时550公里，风暴的大小和地球相当，据信已经存在了数十亿年。2006年，卡西尼探测器发现那里有一个类似飓风的风暴，拥有一个清晰的风眼。这样的风暴除了地球外还没有在其它行星上发现过——连木星上也没有。

天气王星内部结构　　天王星大气　　和地球一样，天王星大气层也可以根据温度和气压分为多个层次。和其它气体巨行星一样，这个行星也没有固体表面，科学家对其表面的定义是气压超过1巴（地球海平面气压）之处。遥感能力所及之处的一切——气压1巴之下大约300公里处，仍然是它的大气层。　　根据这些参考点，天王星大气可以分为三层。第一层是对流层，位于距其“表面”大约-300公里至50千里处，气压在100至0.1巴之间。第二层是平流层，位于其“表面”50-4000公里处，气压在0.1至10^-10巴之间。　　对流层是天王星大气中密度最大的。此处温度在46.85°C（底部）至-220°C（50公里）之间，上层区域是太阳系内最冷的地方。对流层是天王星产生热力红外辐射的主要区域，因此它的表面有效温度是59.1±0.3K。　　云层位于对流层内——水云位于气压最低处，它们的上方是氢硫化铵云。氨和硫化氢云又在后者之上。最顶层则是甲烷云。　　平流层的温度在-220°C（上层）至527和577°C（热层底部）之间，这里的热量大部分是由太阳辐射提供。平流层中含有甲烷雾，这些物质使行星呈现出平乏的外观特征。那里还存在着乙炔和甲烷，这些雾圈有助于平流层保持温度。

哈勃太空望远镜拍摄的天王星。NASA / 哈勃太空望远镜　　最外层是热层和“冕”，它们从距“表面”4000公里开始，一直扩展到50000公里处。这个区域的温度大体一致，在577°C左右，原因是个谜。因为天王星和太阳距离十分遥远，来自太阳的热量不足以产生这么高的温度。

经过色彩处理的海王星大气特征图片，标出了风速。Erich Karkoschka　　海王星大气　　海王星大气上部主要是90%的氢和19%的氦，同时含有少量的甲烷。和天王星一样，这种物质能够吸收红光，因此它们都呈蓝色调。但海王星色译较深，更为鲜艳。因为海王星大气含有的甲烷和天王星相似，因此肯定存在着某种未知的成分，使它拥有了如此夺目的色彩。　　海王星大气可被分成两大区域：较低的对流层（温度随高度增加而下降），以及平流层（温度随高度增加而增加）。两者间的对流层顶部气压大约是0.1巴。平流层气压降低到10^-5至10^-4毫巴处便是热层的开始，随后便逐渐地向外逸层过渡。　　海王星的光谱分析结果表明它的平流层较低处因为聚集了大量紫外线和甲烷相互作用的产物而出现了一个雾圈，这些物质大部分是乙烷和乙炔。平流层也中也含有少量的二氧化碳和氢氰酸，从而导致海王星的平流层温度高于天王星。　　出于某种未知的原因，这个行星的热层温度异常地高达476.85°C。它离太阳非常遥远，因此不可能是由紫外辐射导致的，必定存在着某种未被发现的产热机制——有可能是大气与离子在行星磁场中的相互作用导致的，也有可能是来自行星内部的引力波在大气中消散产生的。　　由于海王星不是固态的，因此它的大气各部分的自转速度不同。赤道区域的自转周期大约是18小时，比行星磁场16.1小时的自转速度低。而其极地区域的自转周期是12小时。　　这种自转的差异在太阳系行星中是非常突出的，并由此产生了强大的纬度风和风暴。1989年旅行者2号探测器发现了三个令人印象深刻的风暴，并根据它们的特征给予了命名。　　首先是一个巨大的反气旋，方圆直径达13,000x6,600公里，和木星大红斑十分相似。它被命名为大黑斑。五年后（1994年11月2日）哈勃太空望远镜再次寻找时，它消失了。而在行星的北半球又出现了一个特征非常相似的新风暴，这表明这些风暴的寿命要比木星风暴短许多。　　”滑板车“是另一个风暴，这是一个白色的云团，位于大黑斑南部。这个俗称是旅行者2号1989年到达海王星期间起的。小黑斑位于更南方，是个气旋风暴，是当年观察到的强度位居第二的风暴。起初它是全黑的，但是随着旅行者号2号接近海王星，它的中央出现了一个明亮的核，可以在许多高分辨率图片中看到。　　总而言之，太阳系的行星拥有多种多样的大气层。与地球上的舒适大气相比，它们要么很稀薄，要么过于稠密。它们的温度也要么极端炽热（金星），要么极端寒冷。　　这些大气中的天气系统同样极端，强大的气旋和尘暴能让地球上的风暴相形见绌。尽管大部分对于我们所知的生命来说完全不友好，但可供我们研究的东西很多。

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