[科普中國]-行星大氣

基本介紹

除地球外，太陽系中其他的行星，都有其獨(dú)特的大氣，研究它們的結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)、化學(xué)組成及其運(yùn)行的一般狀態(tài)，有助于探索地球大氣演化。

20世紀(jì)40年代以前，僅限于用天文望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)等在地球上觀測(cè)其他行星。自1961年以來，開始用行星探測(cè)器探測(cè)其他行星而獲得資料，這些探測(cè)器，有的在離行星一千多公里到一百多萬公里處發(fā)回照片，有的降落艙在行星上軟著陸后，向地球發(fā)回照片和資料。隨著探測(cè)手段的不斷發(fā)展，使行星大氣的研究，有了較大的進(jìn)展。太陽系有八大行星，按離太陽由近及遠(yuǎn)的次序，它們?yōu)椋核?、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。在火星和木星之間，還有很多小行星。通常把在這些小行星軌道以內(nèi)運(yùn)行的水星、金星、地球和火星，稱為內(nèi)行星，而把在小行星以外運(yùn)行的木星、土星、天王星、海王星和冥王星，稱為外行星。水星離太陽大約只有日地距離的十分之四，獲得的太陽輻射能量大，水星表面中午的溫度可達(dá)700K，子夜溫度約100K。水星的引力質(zhì)量較小，逃逸速度也小，氣體分子容易逃出水星的引力場(chǎng)。故水星大氣極為稀薄，其氣壓小于2×10-9百帕。這里主要介紹金星、火星、木星和土星四個(gè)行星大氣的狀態(tài)。行星大氣是包裹著行星體的中性氣體和電離氣體的總稱。1

詳細(xì)介紹金星大氣主要成分為二氧化碳，約占95%，氮約占 3.5%，此外還有少量的氬、一氧化碳、水汽、氯化氫和氟化氫等。金星的大氣層比地球厚，金星表面上的氣壓約為地球表面氣壓的90倍，即約 90000百帕。30公里高空的氣壓約 10000百帕，50公里高空約為1000百帕，80公里高空約10百帕。金星大氣自下往上可分為若干特性層：①0～31公里間為潔凈大氣，大氣幾乎不含雜質(zhì)，但其中閃電雷鳴持續(xù)不停。②31～68公里為云層，因含硫化物而呈黃色。按云層質(zhì)點(diǎn)大小分布可將其分為4層：31～48公里為稀薄霾層，48～52公里為低云層，52～58公里為中云層，58～68公里為高云層。整個(gè)云系中有硫酸滴、不同濃度的硫及高含量的氣溶膠。高云層是不均勻的。中云層密度向下增大，在52公里處有極大值，在約50公里處有鮮明的底。低云層隨地區(qū)、時(shí)間變化最大。在金星北極著陸的探測(cè)器，用紅外線觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，該極區(qū)大氣層有一個(gè)極洞，寬約1100公里，氣流下沉，云層稀薄。金星大氣中的二氧化碳，造成非常顯著的溫室效應(yīng)，使金星表面的溫度，高達(dá)750K，而且基本上不隨地區(qū)、季節(jié)和晝夜而變化。金星探測(cè)器測(cè)得：北極地區(qū)的氣溫反而比赤道地區(qū)高10K左右。0～60公里間溫度隨高度下降劇烈，60公里高度處溫度約為300K。60公里以上，溫度下降緩慢，到68公里以上近于同溫，約200K左右。

金星是太陽系中逆向自轉(zhuǎn)的大行星之一（另一個(gè)為天王星），因此從金星上看太陽，是西升東落的。它的體積和質(zhì)量都略小于地球。金星的自轉(zhuǎn)周期為243天（地球時(shí)）。整個(gè)星球幾乎終年為深厚的云霧掩蓋。紫外線觀測(cè)表明，金星云層有亮、暗區(qū)，常呈橫倒的大Y字型，Y字的柄約與赤道平行，Y字云型運(yùn)行極快，約5天就可以環(huán)行金星一周，由此推斷其高空風(fēng)速可高達(dá)200米/秒。但風(fēng)速向下減少較快，距其表面 45公里處為50米/秒，距表面 10公里處僅約2米/秒。上述Y字型云有時(shí)會(huì)消失數(shù)周，然后又重新出現(xiàn)。據(jù)認(rèn)為這是由于日射加熱引起大范圍對(duì)流所造成的。

金星有一稠密的大氣層，表面氣壓約為地球表面氣壓的92倍，金星大氣有很強(qiáng)的溫室效應(yīng)，其主要成分是二氧化碳，約占95%。

火星大氣主要成分為二氧化碳，占95%，氮占2～3%，氬占1～2%，一氧化碳和氧共約占0.1%，此外還有極少量的臭氧和氫，水汽僅平均約占0.01%?；鹦谴髿庵卸趸嫉暮侩S高度減少；在100公里高度處含量占50%，到140公里高度處，測(cè)得氧的含量比二氧化碳大6倍之多。火星大氣密度不足地球大氣的1%，火星表面的平均大氣壓僅為7.5百帕，相當(dāng)?shù)厍蛏?0～40公里高空的大氣壓。

火星比地球小得多，體積只有地球的0.15，質(zhì)量只有地球的1/9，火星上也有四季變化，由于它繞太陽運(yùn)行一周約687天（地球時(shí)），故每季的長(zhǎng)度約為地球上兩倍。

火星表面平均溫度為240K，赤道區(qū)白天最高溫度超過300K，晚上在200K以下，日變化很大；冬季極區(qū)溫度低達(dá)150K。自表面向上，溫度下降，在40公里高度以上，平均溫度為140K，但有大幅度不規(guī)則變化?；鹦谴髿庵幸泊嬖谠茖印Ｔ?5～30公里高度有由水冰組成的云，在45公里左右的高度有由二氧化碳（干冰）組成的白色云。在北半球春、夏季時(shí)，在巨大火山的迎風(fēng)側(cè)亦有水冰云?；鹦潜砻骘L(fēng)速一般較小，但有時(shí)也發(fā)生大風(fēng)，夏季低緯度由云的移動(dòng)顯示出15～30公里的高空風(fēng)為東風(fēng)，風(fēng)速約30～55米/秒；在冬季中緯度吹西風(fēng)。赤道區(qū)的氣流尚不能肯定?；鹦巧献顗延^的氣象現(xiàn)象是塵暴，它經(jīng)?？梢园l(fā)展到行星尺度，有時(shí)幾乎遮蔽整個(gè)行星表面。在1971年和1973年發(fā)生的兩次大塵暴期間，就掩蓋著廣大地區(qū)達(dá)數(shù)星期之久，使11公里高度以下的大氣不透光，風(fēng)速最大可達(dá)140米/秒。這種行星尺度的大塵暴多發(fā)生在火星靠近近日點(diǎn)的時(shí)候。塵暴的發(fā)源地常在南半球太陽直射的緯度上，幾星期內(nèi)就覆蓋整個(gè)南半球。特別大的塵暴還能擴(kuò)展到北半球，進(jìn)而掩蓋整個(gè)行星。

在火星的南極和北極，終年存在著白色的極冠，極冠區(qū)的范圍隨季節(jié)有變化。冬季，它由水冰和干冰（固體二氧化碳）所組成，范圍最大；春季來臨后范圍逐漸縮??；夏季，極冠的范圍最小，但不消失，是完全由水冰組成的永久性極冠；隨著秋季的來臨，極區(qū)溫度逐漸下降到二氧化碳的凝固點(diǎn)（150K）之下，二氧化碳開始凝華，極冠范圍擴(kuò)大?？梢?，極冠范圍的增減，是由溫度變化導(dǎo)致二氧化碳的凝華和干冰的升華所造成的。

火星大氣比地球大氣稀薄，表面大氣壓相當(dāng)于地球大氣35千米高處的壓力，有很強(qiáng)的地方性和全球性塵慕．主要成分是二氧化碳，約占95%。

木星大氣主要成分為氫，占88.6%，氦占11.2%，其他為少量的氨、甲烷、水汽、氧、氮及硫化物等，其厚度約1000公里。

木星是太陽系九大行星中最大的一顆，其體積約為地球的1316倍，質(zhì)量約為地球的319倍，由中心至71370公里，依次為由以鐵硅為主的固體核、液態(tài)金屬氫（其中分子離解為獨(dú)立原子，形成導(dǎo)電流體）、液態(tài)分子氫。核溫可達(dá)30000K。71370公里以上則為大氣層。

木星大氣中的云層分布有如下特點(diǎn)：最外層為氨晶體云，溫度150K，約0.6個(gè)地球大氣壓；其下 30公里左右為氨氫硫化物晶體云，溫度 200K，約1.7個(gè)地球大氣壓；再往下35公里存在水冰晶云層，溫度約250K，約4～5個(gè)地球大氣壓。在該層之下，溫度約達(dá) 270K以上，開始出現(xiàn)水滴。在最外層的氨晶體云之上，溫度隨高度而降低，到110K的最低值后，又開始隨高度增加。用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)木星，其云層外貌呈斑馬紋似的亮暗相間的橫條，傳統(tǒng)上亮條稱為帶，暗條稱為帶紋，均與赤道平行，亮帶主要呈現(xiàn)為白色或灰黃色，而暗紋呈不同深度的紅棕色。帶和帶紋的亮度隨時(shí)間而變，亮帶中可出現(xiàn)暗區(qū)，暗紋中也可觀測(cè)到亮區(qū)。另外，在南半球還有一個(gè)大紅斑，呈蛋形，寬約14000公里，長(zhǎng)度變動(dòng)在30000～40000公里之間，有三個(gè)地球那么大。木星大氣的運(yùn)動(dòng)非常激烈，據(jù)紅外探測(cè)資料分析，亮帶是由上升的暖氣流所形成，為高氣壓帶（類似地球大氣中的“高壓”）；暗的帶紋由較冷的下沉氣流構(gòu)成，為低氣壓帶（類似地球大氣中的“低壓”）。亮帶的云頂比暗紋的云頂高得多，前者的溫度比后者低 15K左右。木星大氣中的主要成分都是無色的，只有微量的有色物質(zhì)如硫、紅磷或某些有機(jī)物分子。云層中的結(jié)晶體都呈白色。木星上色彩差別的出現(xiàn)可能是淡色化合物在亮帶頂上因太陽紫外輻射產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成暗色化合物，它們由于冷卻下沉而聚集在暗紋里的結(jié)果。

在木星上像在地球上那樣，風(fēng)從高壓區(qū)向低壓區(qū)吹，并受類似地球上的科里奧利力（見大氣中的作用力）作用而折向，由于木星上的高壓區(qū)和低壓區(qū)成環(huán)帶狀（即亮帶與暗紋），在北半球，高壓帶區(qū)（亮帶）的北側(cè)吹西風(fēng)，南側(cè)吹東風(fēng)；在低壓帶區(qū)（暗紋）的北側(cè)吹東風(fēng)，南側(cè)吹西風(fēng)。南半球的情況適相反。兩個(gè)半球都存在很多相互交錯(cuò)的東西風(fēng)帶（見圖），在赤道兩側(cè)的廣闊范圍內(nèi)盛行強(qiáng)大西風(fēng),風(fēng)速可達(dá)150米/秒，在較高緯度，風(fēng)速減小。木星大氣中的云層，形態(tài)和顏色均不斷變化，但緯向環(huán)流的風(fēng)帶，無論位置或強(qiáng)度都是很少變化的。一些具有永久性或半永久性的運(yùn)動(dòng)特征，甚至可持續(xù)幾年、幾十年到幾百年。大紅斑就是其中之一例。它位于南半球高壓帶中的一個(gè)高壓中心區(qū)，是一個(gè)同地球上臺(tái)風(fēng)相似的巨大風(fēng)暴，逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一次約6天（地球時(shí)）。其內(nèi)暖空氣強(qiáng)烈上升，大紅斑的云頂比周圍云頂約高出幾公里，氣流中含有紅磷化合物，可能因此呈紅橙色。也有人認(rèn)為，由于氣流激烈上升，形成了巨大的雷暴云砧，由這種幾千萬平方公里范圍的巨大放電現(xiàn)象顯出了大紅斑。大紅斑環(huán)流同它南、北邊緣環(huán)境氣流相互作用，還可造成復(fù)雜的擾動(dòng)流型。在大紅斑的東南方，曾觀測(cè)到蛋形的小白斑。在北半球還觀測(cè)到一些棕色橢圓擾動(dòng)，平均壽命1～2年，稱為小紅斑。其性質(zhì)和大紅斑相似。另外，還觀測(cè)到云頂上空約55000公里處，圍繞木星的一個(gè)稀薄物質(zhì)環(huán)，其厚度不到1公里，徑向范圍約6000公里。木星向空間輻射的能量為它從太陽所吸收的熱量的2.5倍，這表明木星內(nèi)部存在熱源，這熱源可能是行星最初形成時(shí)由引力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，被液氫的大?guī)模對(duì)流傳遞到表面而造成的。由此看來，木星大氣運(yùn)動(dòng)的能源，可能是由木星自己的熱能供給的。2

木星是太陽系中最大的行星，具有龐大的大氣層，可分為對(duì)流層、平流層、中間層和熱層．木星大氣中有云層，云帶、緯向氣流、大紅斑是木星外貌的主要特征。主要成分是氫和氛。3

土星大氣主要成分是氫和氦，并含有氨、甲烷和其他的氣體。

土星的體積約為地球的 745倍，其質(zhì)量約為地球的95.18倍，其平均密度只有地球的1/8（0.70克/厘米3），在九大行星中密度最小。一般認(rèn)為，土星有一個(gè)巖石核心，其外依次有很厚的冰殼、金屬氫層、液態(tài)分子氫層，在此液層上空，有大氣層。 土星大氣的上層，常為稠密的氨晶體云所覆蓋，至今人們還無法看到下面的云層，無從了解底層大氣的狀態(tài)。氨晶體云呈現(xiàn)彩色的亮帶和暗紋，平行于赤道，但其色澤不像木星那樣鮮艷。顏色以金黃色為主，其余為橘黃色、淡黃色等，不過極區(qū)呈現(xiàn)綠色，是整個(gè)土星圖像中最暗的區(qū)域。利用紅外線探測(cè)的結(jié)果：云頂溫度為103K，表面溫度約為133K。美國發(fā)射的土星探測(cè)器先驅(qū)者11號(hào)還發(fā)現(xiàn)土星有一個(gè)由電離氫構(gòu)成的廣延電離層，其高層溫度約為1250K。哈佛-史密森天體物理研究中心的A.F.庫克，1981年春在分析旅行者1號(hào)的探測(cè)資料后，發(fā)現(xiàn)在稠密的氨晶體云之上約150公里處，有一層厚約60公里的霾層，它只存在于一些孤立的區(qū)域而不連成大片。在這霾層中，沒有發(fā)現(xiàn)任何來自下層的對(duì)流擾動(dòng)的現(xiàn)象。旅行者1號(hào)1980年8月的探測(cè)，還發(fā)現(xiàn)土星的南半球有一個(gè)紅斑，和木星大紅斑類似。它呈橢圓形，長(zhǎng)約10000多公里，只有木星大紅斑直徑的1/3。接著，該探測(cè)器在1980年11月最接近土星之前幾天，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這個(gè)紅斑被一條黑色的環(huán)狀物所包圍。初步研究認(rèn)為，它是一種巨大的反氣旋風(fēng)暴。此外，旅行者1號(hào)還拍攝到土星云層頂部一些奇怪的明亮白斑，而在土星的北半球拍攝到另一些這類橢圓形斑塊，以及淺色的、小規(guī)模的對(duì)流云圖案和一條數(shù)千公里長(zhǎng)的波線。旅行者1號(hào)的這些探測(cè)表明，土星赤道風(fēng)帶的風(fēng)速很大，達(dá)500米/秒，約為木星赤道風(fēng)帶速度的3～4倍，此赤道風(fēng)帶的寬度也比木星大得多，范圍延伸到南北緯各40°。土星上風(fēng)的動(dòng)能，可能達(dá)到木星的16倍。英國的G.E.亨特認(rèn)為：這是由于土星上的氨云層比木星厚，溫度也較低，它們凝聚時(shí)所釋放的額外熱量，導(dǎo)致更多的能量加入旋渦，加速驅(qū)動(dòng)赤道上的帶狀風(fēng)，故風(fēng)速更大，風(fēng)帶的寬度也更大。另一種看法認(rèn)為：土星有內(nèi)在的能源，其輻射出的能量約為其吸收的太陽熱量的4.5倍，可能促使其赤道風(fēng)帶有更大的風(fēng)速和能量。4

土星大氣上層常為稠密的氨晶體云所渡蓋，云層呈彩色的亮帶和暗紋，平行于赤道。主要成分是氮和氛，分別占94%和約6%。3

天王星大氣、海王星大氣和冥王星大氣天王星和海王星大氣的主要成分是氮和甲烷，還有含量很少的氛和氛。這兩顆行星有較稠密的大氣和較厚的云層。3

天王星和海王星結(jié)構(gòu)可能相同，都有巖核，核心溫度可達(dá)2000～3000K，巖核外面為質(zhì)量較大的冰層，冰層之外，有著稠密的大氣，其中有很厚的云層。大氣的成分主要是氫，還有甲烷和含量很少的氦和氨等。天王星和海王星的表面溫度均約70K，這兩個(gè)行星的云層，主要為甲烷云和氨云。冥王星的表面溫度約60K，像這樣的低溫,如果有大氣的話，只可能是氫、氦、氖等。這些行星距地球都很遠(yuǎn)，很多特征不能用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)。美國太空船旅行者2號(hào)正在太空中飛行，預(yù)計(jì)在1986年和1989年，將先后訪問天王星和海王星，料想那時(shí)，將可能獲得較多的探測(cè)資料，而有助于對(duì)它們的了解。

水星大氣水星大氣水星的引力重量較小，氣體粒子容易逃出水星的引力場(chǎng)。故只有一層極稀薄的大氣，其表面大氣壓力僅相當(dāng)于地球大氣500千米高處的大氣壓力。3

衛(wèi)星大氣太陽系中行星的某些衛(wèi)星也有大氣層．如土星中最大的土衛(wèi)六，有一稠密的大氣層，是太陽系中唯一有豐富大氣的衛(wèi)星，表面大氣壓力為1.5×105帕左右，比地球大氣層稠密得多。土衛(wèi)六大氣主要成分是氮，其次是甲烷、氮、氮等．土衛(wèi)六上空有云層．此外，木衛(wèi)一和木衛(wèi)三也有稀薄大氣，木衛(wèi)一大氣主要成分是二氧化硫，木衛(wèi)三大氣主要成分是甲烷和氛。5

運(yùn)用和影響（1）可用于天災(zāi)預(yù)測(cè)；6

（2）可用于行星探測(cè)任務(wù)的進(jìn)行；7

行星大氣的研究對(duì)了解地球大氣的變化趨勢(shì)、保護(hù)人類的生存環(huán)境有重要意義．我國學(xué)者研究了早期凝聚、輻射、大氣逃逸和溫室效應(yīng)等對(duì)行星大氣和表面熱狀態(tài)的影響，提出地球大氣起源應(yīng)有一個(gè)初級(jí)原始大氣階段．其主要特征是富含氫及其化合物的還原態(tài)大氣．火星塵暴是火星獨(dú)特的大產(chǎn)（現(xiàn)象．在火星地形對(duì)火星大氣影晌分析的基礎(chǔ)上，提出火星塵暴是火星地形引起渦旋造成強(qiáng)地面風(fēng)速和上升氣流而形成。8