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电场风致金星海洋消失?

时间:2018-06-29 07:55来源:中国国家天文
当水分子上升到大气层高层,太阳光会使其分解为氢离子和氧离子,随后氢离子由于本身较轻,会直接散逸,而较重的氧离子则会在电场的作用下逐渐散失 一般我们

当水分子上升到大气层高层,太阳光会使其分解为氢离子和氧离子,随后氢离子由于本身较轻,会直接散逸,而较重的氧离子则会在电场的作用下逐渐散失

一般我们会把金星形容为是地球的姊妹行星,这两颗星球的大小接近,都拥有浓密的大气层,并且位置相当接近。然而近日的研究显示金星存在强烈的“电场风”(electric wind),它造成金星大气中水分的严重缺失。专家相信这一情况可能金星表面远古海洋的消失过程中扮演了重要角色。

这一作用可能在很多曾经拥有水体的星球上都发生过作用,进而导致行星变得不再具备宜居性。


被忽略的因素

曾经在英国伦敦大学学院玛拉德空间科学实验室任职,现在美国宇航局戈达德空间飞行中心工作的行星科学家吉林·柯林森(Glyn Collinson)认为这一发现非常有趣,令人震惊。他说:“我们从未设想过,电场风的强度竟然可以达到如此剧烈的程度,从而能够直接导致行星大气中的氧原子大量向空间散失。未来当我们考察围绕其他恒星运行的系外行星宜居性的时候,这一点必须被纳入考虑因素范畴。”

研究发现,金星的电场非常强劲,其可以造成质量较大的带电粒子——氧离子的加速,并使其速度达到能够逃离金星引力束缚的地步。而氧是构成水的关键组成部分。在金星上,风速可以达到惊人的每小时2.5万英里(约合4万公里)。

但水分子上升到金星大气高层,阳光会导致水分子分解为氧离子和氢离子。后者质量较小,很快就能够脱离金星引力场而散逸进入宇宙空间,而氧离子的行为则更多受到电场的控制。

柯林森对媒体表示,从功率上看,金星电场的功率大约是1兆瓦,这大约相当于一座风力发电轮机组的功率。他说:“但它并非和这些机器那样将全部功率集中在一处,而是分散的。因此这样的比较实际上也并非完全贴切。从强度上说,其电压大约是10V,这大约和你家里的烟雾报警器里安装的方块形电池的功率类似。看起来似乎这样的强度并不是很高,但正是这一机制,让大量的氧离子逃离了金星大气。”
 

论文合著者,英国伦敦大学学院的安德鲁·柯蒂斯(Andrew Coates)教授表示:“我们一直在对土卫六和火星大气中的电子逃离现象,以及由于这些电子流的卷携作用,将离子也带离行星大气的过程开展过研究,其中当然也包括金星。这些离子离开行星大气并永久性地散逸到宇宙空间之中。”他说:“我们发现,每年有大约100吨左右的离子通过这一机制离开金星,这样的过程已经持续了数十亿年之久。而这项最新研究成果显示,相比其他行星,这种电场驱动散逸效应在金星显得尤其强劲。这一结果将帮助我们理解这一普遍机制背后的运作原理。”

从引力大小和尺寸而言,金星是跟地球最为接近的一颗行星,并且有证据显示其早期曾经存在海洋,但现在早就已经完全消失。今天的金星地表温度甚至高达460摄氏度以上。

金星的大气层极其浓厚,其地表大气压几乎相当于地球表面的100倍以上,但其中的水汽含量则比地球大气少1万~10万倍,这强烈暗示金星大气曾经由于某种机制而损失了大量水分。

科学家们认为这背后的罪魁祸首是太阳风,正是太阳风剥夺了金星大气中最后的一部分水汽成分。而此次最新研究结果则显示,其背后真正的原因则应该是与电子流有关。

正如所有行星都有自己的引力场一样,科学家们认为每一个拥有大气层的行星周围也都存在一个微弱的电场。行星引力将大气吸附在行星周围,而电场力则会帮助行星高层大气成分向宇宙空间散逸。

研究组利用美国宇航局-西南研究所以及加州大学洛杉矶分校联合研制的一款电子分光仪发现了金星的电场,这款设备本身属于欧洲空间局“金星快车”探测器上搭载的更大型的ASPERA-4设备的一部分。

在对流出金星高层大气的电子流进行监测时,研究人员注意到这些电子的运动速度和预期不太一致,因为它们受到了来自金星强大电场力的加速。
 

行星大气与宜居带演化的重要参考

通过对这种速度变量的计算,研究组发现该电场的强度要远远超过科学家们此前的预期,相比地球周围至少强了5倍以上。

柯林森博士承认:“我们并不清楚为何金星附近这一电场力会比地球附近强大那么多,但我们认为这可能与金星更靠近太阳,来自太阳的紫外线要强烈两倍以上有关系。开展这样的测量工作真的非常有挑战性,到目前为止我们也只是获得了这个电场强度的上限数值。”

在火星,这类电子流同样可能发挥着重要的作用。

美国宇航局的MAVEN探测器目前正在围绕火星运行的轨道上,其主要目标就是想要弄清楚为何火星会在地质历史上损失其大部分的大气和水。

柯蒂斯教授表示:“借助欧空局的火星快车探测器,我们已经确认这一机制在火星上同样存在,而现在,美国宇航局的MAVEN探测器正在进一步确定其重要性。另外,围绕土星运行的美国卡西尼探测器发现,拥有浓密大气层的土卫六同样存在这一机制,并且测定其速率约为每天散失7吨物质。”

对电场风在行星大气与演化过程中所扮演的重要作用将帮助天文学家们改进他们对于围绕其他恒星运行的系外行星大小与宜居性的估算精确度。

美国宇航局戈达德空间飞行中心的阿列克斯·格罗瑟(Alex Glocer)是这篇已经在《地球物理通讯》上刊出的论文的合著者,他说:“在任何行星上,即便非常微弱的电场风仍然会在水分和大气散失过程中产生作用。它就像一条传送带,将离子送到电离层那样的高度,随后在那里这些离子会在太阳风的作用下向太空散失。”

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