关于大气层的一些问题

标签：大气层, 臭氧层, 地外行星

1. 为什么地球会有大气层，为什么其他行星很少有大气层？

• 首先是质量和引力，地球的质量足够大，可以通过引力保持比如氮气和氧气不逃逸。比如水星和月球，就是因为质量太小，引力不足以保持大气层。
• 其次，地球形成时，捕获了一些重的气体，包括二氧化碳和氮。这是早期大气的主要成分。
• 第三，地球距离太阳的位置正好，能够维持液态水，而液态水是产生生化反应比如生产氧气的关键。
• 接下来，由于地球磁场的保护，免受太阳风和宇宙辐射的直接影响，减少了大气流失。

2. 如果计算的话，大概需要多大的引力可以维持大气呢？

• 如果从引力来理解，一个星球保持大气层的关键就是逃逸速度，以地球为例，地球的逃逸速度 $$ V_{escape} = \sqrt{\frac{2GM}{R}} $$ 其中 \(G\) 是万有引力常数，\(M\) 是星球质量，\(R\) 是星球半径

import math

# 常数
G = 6.674 * (10 ** -11)  # 万有引力常数，单位为 Nm^2/kg^2
M_earth = 5.97 * (10 ** 24)  # 地球的质量，单位为千克
R_earth = 6.371 * (10 ** 6)  # 地球的半径，单位为米

# 计算地球的逃逸速度
v_escape_earth = math.sqrt(2 * G * M_earth / R_earth)
v_escape_earth  # 结果单位为米每秒 (m/s)

11183.853306979056

• 接下来以氮气为例，计算分子的平均热速度，氮气的分子量以 28 g/mol 计算，地表温度以 288K（15°C）做计算。估算一下氮分子的平均热速度（使用麦克斯韦-玻尔兹曼分布来描述气体分子在给定温度下的速度分布） $$ V_{thermal} = \sqrt{\frac{8kT}{\pi m}} $$ 其中，\(k\) 是玻尔兹曼常数，\(T\) 是温度，\(m\) 是氮分子质量（单位千克）

# 热速度计算的常数
k = 1.38 * (10 ** -23)  # 玻尔兹曼常数，单位为焦耳每开尔文 (J/K)
T_earth_surface = 288  # 地球表面的平均温度，单位为开尔文
molar_mass_N2 = 28.0134 * (10 ** -3)  # 氮气的摩尔质量，单位为千克每摩尔 (kg/mol)
Avogadro_number = 6.022 * (10 ** 23)  # 阿伏伽德罗常数

# 计算单个氮分子的质量
m_N2 = molar_mass_N2 / Avogadro_number  # 单位为千克 (kg)

# 计算地球表面温度下氮分子的热速度
v_thermal_N2 = math.sqrt(8 * k * T_earth_surface / (math.pi * m_N2))
v_thermal_N2  # 结果单位为米每秒 (m/s)

466.43733844216297

计算下来氮分子的平均热速度是 506 \(m/s\)

• 因此，以地球上的氮气为例，氮气分子的平均热速度远小于地球逃逸速度，因此地球可以保持其大气层。

3. 大气分了四层，但为什么这么分，各自的特点是什么？

• 对流层
  • 从地面延伸大约 8~15 公里，随着纬度和季节变化。
  • 这一层温度随高度上升而降低。原因是热量来源于地表热反射，高度越高，热反射的效应越少。
  • 包含了 75% 的大气质量和几乎所有水汽。天气现象（风、雨、雪）等主要发生在这一层。
• 平流层
  • 从对流层顶部延伸大约 50 公里。
  • 这一层温度随高度上升而上升，原因是平流层和中间层之间的臭氧层会吸收太阳紫外线升温，因此平流层温度是随高度递增的
  • 大气相对稳定，飞机常在此飞行以避开对流层天气现象。
• 中间层
  • 从平流层定延伸大约 85 公里。
  • 中间层温度随高度上升而下降，同样也是因为平流层和中间层之间的臭氧层会吸收紫外线升温，因此中间层温度是随高度递减的
  • 这一层保护地球，大多数通过大气的流行在此燃烧。
• 热层
  • 从中间层顶部延伸到大约 600 公里。
  • 这一层温度随高度上升而增加，仅包含极少量的分子，但会由于太阳辐射而变得非常热，温度可达几千摄氏度。
  • 北极光主要发生在热层较低的区域。

4. 为什么臭氧层会富集在平流层和中间层之间呢？

• 臭氧的形成主要是太阳辐射作用与氧气分子，在高层大气中，紫外线将氧气分子分解成单个氧原子，然后氧原子与其他氧气分子结合形成臭氧。
• 同时紫外线强度适中，既可以分解氧气形成臭氧，也不足以将所有臭氧分解回氧气。
• 氟利昂（CFCs，氯氟烃类化合物）在地表附近的大气相对稳定，可以在没有分解的情况下上升至平流层，但在平流层，强烈的紫外线可以分解氟利昂，释放出氯原子，而氯原子与氧原子结合形成的氯氧化合物，会与其他臭氧分子反应，形成氧分子和氯原子。过程不断重复，形成连锁反应，一个氯原子可以破坏成千上万个臭氧分子。而臭氧分子的削弱会导致更多紫外线到底地表，对健康以及生态系统产生不良影响。国际社会通过《蒙特利尔议定书》限制了氟利昂等破坏臭氧层物质的使用，在一定程度上减缓了臭氧层的损耗。

5. 那比如金星、土星、木星，他们的大气有没有分层？

• 金星：
  • 金星的大气主要成分是二氧化碳（96.5%）和氮气（3.5%），还有微量的硫酸和水蒸气
  • 金星的大气非常厚重，压力和温度都很高，由于强烈的温室效应，地表温度达到 460°C以上。
• 火星：
  • 火星大气以二氧化碳为主，但比较稀薄，还有氮气和微量氧气、水蒸气
  • 火星气候寒冷，表面温度平均为 -60°C，还经常有尘暴。
• 木星：
  • 木星的大气主要由氢和氦组成，还有微量的甲烷、氨和水蒸气和其他化合物
  • 木星不同的云层由不同的化学物质组成，有复杂的气候系统，包括强风和大型风暴，比如大红斑。
• 土星：
  • 土星的大气主要由氢和氦组成，还有微量的甲烷和氨
  • 土星是一颗气态巨行星，大气层非常厚，没有明显的固体表面。跟木星相似，也有强风和持续的风暴活动。
• 天王星：
  • 大气主要由氢和氦组成，还有一些甲烷
  • 天王星有极端倾斜的轴向，导致独特的季节变化，温度低，风速高
• 海王星：
  • 与天王星类似，大气主要由氢和氦组成，还有一些甲烷
  • 是太阳系中风暴最多的行星，风速极高，气候极端寒冷