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為什麼水星無大氣層 ?

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發表於 2010-3-26 12:59:20 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本帖最後由 mca 於 2010-3-26 20:28 編輯

簡單答案:

行星的表面溫度和逃逸速度 (物質脫離引力束縛所需的速度) 決定了它有無大氣層。水星是最近太陽和最熱的行星,逃逸速度不及地球的四成,表面上即使有氣體也很易受熱而脫離引力束縛往外太空散發了。


物理解釋:

水星的逃逸速度 = √ (2 G M / R),G 是萬有引力常數 (6.67 x 10^–11 公制單位),M 是行星質量 (0.330 x 10^24 kg),R 是行星半徑 (2.44 x 10^6 米),計算後水星的逃逸速度為 4.3 km/s。

在等壓的氣體中,分子運動的平均速度  Vgas = √ (3 k T / m),k 是波茲曼常數 (1.38 x 10^–23 公制單位),T 是環境的絕對溫度,m 是分子質量。Vgas 只是統計上的平均速度 (root-mean-square velocity),氣體分子活躍時的運動速度可以跳至六倍 Vgas 甚至更高的峰值,這時氣體分子便有較大機會脫離引力而消失,一般認為  "六倍 Vgas" 是行星能否保存大氣層的關鍵,如果行星的逃逸速度大過六倍 Vgas,行星便有能力長期保存該氣體,反之該氣體會始終失去而不能成為大氣層的一部份。

這動畫模擬分子在氣體中的運動
(來源 http://en.wikipedia.org/wiki/Wik ... ranslational_Motion )

            
   
例如由兩個氫原子組成的氫分子,它的分子質量是 3.35 x 10^–27 kg,氫分子在水星表面溫度 (690 K 或攝氏 417 度) 時的平均速度是 2.9 km/s,乘大六倍即是 17 km/s,遠遠超過水星的逃逸速度,所以水星上無氫。又例如由兩個氧原子組成的氧分子,它的分子質量較氫分子大 16 倍或 53.6 x 10^–27 kg,氧分子在相同溫度下的平均速度是 0.73 km/s,乘大六倍是 4.4 km/s,較行星的逃逸速度略高,所以水星上有氧的機會不大。餘此類推,其他氣體元素在水星的保存機會也可以估計出來,大致上氧和輕於氧的氣體 (包括氫、氦、氮) 都難在水星上保存,幾乎所有地球常見的氣體,水星上也沒有,實際上水星表面的殘餘氣體十分稀薄,所以稱不上 "大氣層",這些殘餘氣體以分子、原子或離子形態出現,包括鈉、氧、氫、氦等,鈉和氧來自水星表層,氫和氦來自太陽風,它們的密度不定,失去後又會重生。


[附錄]

太陽系成員的逃逸速度 (km/s) 和陽光直射時的表面溫度, * 號表示基本上無大氣層:

    水星 4.3 / 最大 420C *     
    金星 10.4 / 平均 480C (大氣層濃厚的二氧化碳造成溫室效應)
    地球 11.2 / 平均 20C        
    月球 2.4 / 平均 130C *     
    火星 5.0 / 最大 20C     
    木星 59.5 / 平均 -110C (大氣層面)         
    土星 35.5 / 平均 -180C (大氣層面)  
    土衛六 2.6 / 平均 -180C (大氣層面) ,土衛六 (Titan) 是唯一有大氣層的衛星。   
    天王星 21.3 / 平均-210C (大氣層面)   
    海王星 23.5 / 平均 -220C (大氣層面)     
    冥王星 1.3 / 平均 -225C *

--------------------------------
氫原子質量 = 1.673 x 10^–27 kg
若以氫原子質量 = 1  計, 氦原子質量 = 4, 碳原子質量 = 12,
氮原子質量 = 14, 氧原子質量 = 16, 氖原子質量 = 19, 鈉原子質量 = 23,
甲烷 (沼氣) 分子質量 = 16, 一氧化碳分子質量 = 28, 二氧化碳分子質量 = 44。
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