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地球大氣層為什麼不會擴散到太空

生活 更新时间:2024-07-24 01:19:38

在天文學之中,天體中要存在生命需要多個前提穩定的光和熱穩定且安全的行星軌道,以及适合生命生存的大氣與液态水。以我們地球為例,缺少了以上任意前提,人類都不可能出現在地球之中生存。然而許多人不知道的是,地球看似平穩的外部條件,始終都在持續不斷的變化

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很多人都知道大氣層的重要性,可很少有人知道,地外太空每年都會“吸走”地球将近十萬噸的大氣。從誕生至今,這種狀态甚至已經持續了數十億年之久。那麼我們為什麼至今不見大氣層變薄呢?如此長時間的量的積累,大氣應該早就消失不見了才對。事實上,這主要是因為大氣層處于一種動态平衡的狀态之中。

大氣層

大氣層又被稱之為大氣圈,是受地球引力而環繞地球外部的一層混合氣體圈層。像人們如今所說的空氣,其實也屬于大氣層的一部分。值得一提的是,大氣早在46億年前地球剛形成的時候就已經出現。經過原生大氣以及次生大氣的複雜演變,這才有了現如今十分穩定的大氣層。

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大氣層主要有對流層,平流層以及中間層這三個分層。可除此之外,其實還有外圍的電離層以及地外太空中的散逸層。宇宙每年吸走的十萬噸大氣,也基本上是從散逸層吸收。當然,各個分層的不同功效,其實也是确保我們人類活動必不可少的重要因素。

首先是對流層,也就是天氣變化層,我們現如今所經曆的所有天氣,都是對流層發生變化而形成的。氣象台想要提前預測接下來的氣象變化,也主要是通過對氣象層的觀測來尋找答案

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舉一個簡單的例子,像風霜雨雪之類的變化,科學家們隻需要觀察某一個地區上空十二千米處對流層的大氣密度變化就能夠知曉。而借助“預知”天氣的幫助,人類就能夠做出及時的調整和應對,來确保日常生活不會受到任何影響。

其次就是平流層,無論是大氣的密度還是質量,都遠遠小于對流層。可就重要性而言,平流層絕對不輸于對流層。要知道沒有平流層的保護,當太陽光直射到地球表面之時,我們人類必然會因過量吸收紫外線而受到傷害。好在平流層中濃厚的臭氧層,幫助我們成功地減少了這種危害。

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最後便是中間層,電離層以及散溢層這三個大氣分層。相比于前兩個分層,這三個分層似乎顯得就有些無關緊要,可事實上,沒有這三個大氣層抵抗太空環境的侵襲,前兩層大氣分層根本不可能形成。

這就像我們修建高速公路一樣,沒有路基的支撐,又怎麼可能會有路面的出現?不僅如此,在中間層和電離層之中,由于磁層和太陽風的帶電高能粒子碰撞,地球兩極還會出現極光現象。言已至此,相信大家都能想象極光的絢麗。

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在了解大氣層的基本構成之後,我們就可以思考為什麼大氣層至今沒有變薄的原因。不僅如此,大氣既然受到地球重力的影響而環繞在近地空間中,那又是什麼原因導緻大氣會流失到宇宙之中的呢?雖然和地球大氣的總質量相比,每年十萬噸的數量似乎微不足道,但隻要時間充足,大氣也必定會消耗殆盡。

逃逸與剝離

事實上,問題的答案早已寫在了大氣層的命名上。散逸層,顧名思義就是分散與逃逸的大氣層。在這一分層之中,無論是氣體含量,密度還是質量,都遠遠低于其他幾個分層。尤其是和對流層對比,散逸層更是“輕如鴻毛”。

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在這樣的情況下,散逸層自然會不可避免地逃離地球,并從地球散發進入太空之中。這一點其實很容易就能理解,以我們生活中常見的氣球為例,普通氣球由于重力大于空氣向上的浮力,所以隻能下沉,無法上升。可如果是氫氣球的話,結果則恰好相反

而逃逸層之中便是如此,由于氣體密度和質量太低,所以根本不可能下沉到下面幾層分層之中。再加上與地表的距離太過遙遠,地球能夠給予的引力已經無法滿足部分氣體的離開,所以才會出現被太空吸收的情況。

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除此以外,來自太空中太陽和宇宙的高能輻射還會引導這部分氣體脫離地球表面。要知道在中間層和電離層之中,主要就是以高能粒子為主。而這部分高能粒子恰好最容易受到高能輻射的影響

當距離地球表面足夠近的時候,受到重力的影響,高能粒子即便會因為高能輻射而做出相應的運動,也很難離開地球。可如果是距離地球表面太遠,那麼在輻射的影響下,氣體分子運動速度加劇,氣體也就會逐漸離開地球進入太空之中

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也正是出于這兩方面的原因,所以才會有宇宙每年從地球“吸走”大約十萬噸大氣的說法。那麼為什麼地球大氣至今仍然不見稀薄呢?其實這也主要是有地球内部以及太空外部兩方面的原因。在雙方的共同加持作用下,大氣數量和質量達到平衡,大氣層自然就不會變薄

内部循環

首先是來自地球内部的支援,我們都知道植物光合作用将二氧化碳和水合成有機物并釋放氧氣。而我們人類以及各類動物則是吸收氧氣,呼出二氧化碳。也恰好就是這種不同生物之間不同的生存消耗方式,讓大氣始終處于平衡狀态。

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可能有人會問,地表生物的平衡和近地空間的大氣層有什麼關聯?這就要從大氣含量占比來看了。很多人都知道對流層的存在以及重要性,可對于對流層在大氣層中的占比究竟是多少并不清楚。事實上,對流層至少集中了四分之三的大氣質量以及百分之九十以上的水汽質量。

僅就對流層而言,它的整個質量比在大氣層中的重要性就是不可取代的。除此以外,平流層,中間層以及電離層的各自含量占比也遠遠多于散逸層。從這一點上就可以看出來,隻要大氣層中對流層這幾個分層能夠達到平衡,那麼散逸層的損耗确實是無關緊要的

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當然了,千裡之堤潰于蟻穴。散逸層的占比雖小,卻也不能忽視,那麼地球内部的能量提供又來自何處呢?

除去生物自身的碳氧平衡之外,生物活動,海洋蒸發以及火山爆發等等,都是為大氣提供了支援。也正因如此,我們才不會感受到大氣層有什麼明顯的變化。

外部供給

其次則是地球外部的“大氣”補充,這主要是來源于外太空中所含有的微量氣體以及彗星,隕星等在大氣層中釋放的氣體。

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要知道地球并不是靜止的,它始終是以每小時十萬多公裡的移動速度圍繞着太陽公轉。在地球的公轉軌道上面,任何太空物體都有可能對地球造成威脅。根據研究資料顯示,地球每天大約要受到來自太空100多噸粒子的轟擊

隻不過和我們想象不同的是,這些物體絕大多數都隻有鵝卵石大小。也正因如此,當它們以極高速度沖向地球的時候,就會很快在大氣層中燃燒殆盡。如果是在夜間觀測到這種燃燒的現象,由于距離的原因,會很容易和流星混為一談。而在這個過程之中,這些物體自身所攜帶的氣體也會對大氣層帶來補充

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磁場保護

值得一提的是,除去地球内部以及太空外部的補充之外,地球的磁場也一直維護着地球大氣層的穩定。地球磁場始終都在不斷變化,而磁場内部又有着相對較為均勻的磁力運動軌迹,被人類稱之為磁力線。正是這些磁力線的存在,避免了大氣層被太陽風直接“吹”走

在很久之前,科學家們就已經探測到了太陽風的存在,主要是從太陽日冕層對外抛射的一種高溫高速粒子流。當這條粒子流抵達地球的時候,同樣會伴随着足夠強度的磁場。如果沒有地球磁場的抵抗,那麼大氣根本無法在太陽風的席卷下維持穩定。

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我們以城牆做對比就明白,當太陽風襲來的時候,地球磁場就會逼迫太陽風繞過地球繼續運動。在這樣的情況下,恰好就形成了一個由太陽風包圍的磁場空間。在這個空間之中,散逸層之下的大氣十分安全,而散逸層由于直接和太陽風接觸,難免會有一部分大氣“犧牲”。

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對于這樣的想象,科學家們也并沒有想過用什麼方法來解決。一方面是因為這個損失量對地球的整體大氣數量而言,無關痛癢。另一方面則是因為這種技術實現的難度太高,畢竟在65000千米的高空之上保護大氣,完全就是天方夜譚

不過即便如此,科學家們也在試圖搞清楚磁場與大氣之間的變化量和關系式。曾經令無數人無比緊張的溫室效應,其實就是大氣内部發生了氣體質量比發生了變化

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如果能夠讓宇宙有選擇性地吸走大氣,那麼溫室效應的問題不就可以迎刃而解?隻不過實現的難度也絕不是普通人能夠想象的。誰也不知道究竟需要多久的時間,人類才能夠真正地掌握大氣的變化。

結語

事實上,在當代科學研究之中,除去研究探索更符合客觀真理的定理和現象之外,最重要的就是如何能夠讓人類長久的生活下去。科幻小說作家劉慈欣曾經說過:“給歲月以文明,而不是給文明以歲月”。我們所做得一切,就是為了在歲月之中填充文明,而不是自私得想着如何讓文明像常青樹一樣始終存在。

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根據科學家們推測,或許在數十億年之後,大氣層也會随着時間的推移而消失。可真正到了那個時候,或許人類文明早已發展到我們現代人無法想象的高度,人類也再不用為大氣而擔憂。隻不過在這些美好的願望發生之前,我們仍然不能放松警惕。除此以外,既然我們已經發現了問題存在,那麼我們自然也有必要去進行研究。

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