減肥似乎在當(dāng)今社會(huì)很流行，茶余飯后大家都在討論如何減肥。我們發(fā)現(xiàn)有些系外行星也在經(jīng)歷快速“減肥”過程，并得出這些減肥方式的深層本質(zhì)，研究成果于5月9日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》上。這里的系外行星是指太陽系之外的行星，是圍繞其他恒星運(yùn)行的行星。

在地球上，風(fēng)是一種普遍的現(xiàn)象，但在有些系外行星上還存在一種更強(qiáng)勁的風(fēng)，它可以把行星大氣中的物質(zhì)帶到外太空，從而導(dǎo)致行星的瘦身。系外行星上這種風(fēng)力的大小，主要是由其母星的輻射加熱和自身的質(zhì)量兩個(gè)因素控制。

慢速減肥法：金斯逃逸（大氣蒸發(fā)）

20世紀(jì)初，英國天文學(xué)家James Jeans（詹姆斯 金斯）提出：地球大氣受到太陽輻射的加熱，以至于大氣中總有一些粒子的速度可以超過地球的逃逸速度，一個(gè)一個(gè)的離開行星的束縛，逃逸到太空中，從而造成大氣的損失。這種類似于微風(fēng)拂面的風(fēng)被稱為金斯逃逸，也叫做大氣蒸發(fā)。

對行星而言，大氣中越輕的粒子越容易發(fā)生逃逸。在今天的地球上，金斯逃逸造成每秒大約幾克到幾公斤氫元素的損失，但這并非是目前太陽系內(nèi)行星大氣流失的主要途徑。

行星大氣中的一些化學(xué)反應(yīng)放熱和太陽風(fēng)的侵蝕才是造成大氣逃逸的主要途徑。目前，在地球和金星上，絕大部分氫的逃逸都是由這兩種機(jī)制造成的。計(jì)算表明，地球和金星上大約每秒有幾十公斤的物質(zhì)流出。

地球大氣會(huì)完全被帶走嗎？

按照目前地球上氫逃逸的速度，在太陽膨脹到可以吃掉它之前（大約50億年），大氣總質(zhì)量會(huì)減少很多，大氣將會(huì)變得很薄。我們擔(dān)心，地球是否會(huì)變得像火星一樣荒涼？然而，事實(shí)可能并非如此。

首先，除了太陽的加熱外，決定大氣是否會(huì)逃逸的另一個(gè)重要因素是行星的質(zhì)量。火星是比地球小得多的行星，它的大氣很容易逃逸，地球抓住大氣的能力比火星強(qiáng)很多。

其次，地球大氣主要是由比氫重很多的氮?dú)夂脱鯕饨M成，它們的流失率相對于氫更慢。最終，地球受到磁場的保護(hù)也可以抵擋太陽風(fēng)的侵蝕，從而使地球大氣在將來很長時(shí)間內(nèi)可以保留。

快速減肥法：流體動(dòng)力學(xué)逃逸

恒星對行星大氣的加熱和潮汐力的拉拽還可以造成另一種逃逸：流體動(dòng)力學(xué)逃逸。流體動(dòng)力學(xué)逃逸是一種整體性的、猛烈的逃逸現(xiàn)象。如果把金斯逃逸比喻做微風(fēng)，那么流體動(dòng)力學(xué)逃逸就像是颶風(fēng)。

這種逃逸不僅每秒鐘可以損失數(shù)萬噸的物質(zhì)，還可以把行星大氣中較重的粒子，比如氮和氧，也拖拽出行星的引力范圍，造成行星大氣中氧等生命必須氣體的逃逸。

圖：系外行星HD 209458b上發(fā)行星風(fēng)藝術(shù)圖（來源：NASA）

在2003年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在太陽系外行星HD 209458b上發(fā)現(xiàn)了行星風(fēng)的蹤跡。由于行星風(fēng)劇烈的逃逸過程，也發(fā)現(xiàn)了碳和氧等重元素逃逸的痕跡。

太陽系內(nèi)的行星早期也經(jīng)過流體動(dòng)力學(xué)逃逸

雖然當(dāng)前太陽系行星不會(huì)發(fā)生行星風(fēng)的逃逸，但是在太陽系早期遺留有行星風(fēng)存在的證據(jù)。

科學(xué)家通過對太陽、地球、金星和火星的探測，發(fā)現(xiàn)它們大氣中惰性氣體的含量非常不同。科學(xué)家認(rèn)為，這是由于早期太陽系行星也經(jīng)歷了行星風(fēng)的過程從而導(dǎo)致惰性氣體含量的迥異。

另外，在行星形成不久，小行星和彗星撞擊的頻率很高，每當(dāng)它們撞擊到海洋中時(shí)，就會(huì)在大氣中充滿水蒸汽。水蒸氣進(jìn)一步被太陽紫外線輻射分解產(chǎn)生的氫和氧也為早期行星大氣中的氫提供了來源。

金星是和地球高度相似的行星，但是離太陽比地球更近。如果早期金星上充滿了水蒸氣，大氣的溫度將達(dá)到幾千度，氫很容易流失，同時(shí)氫可以拖拽走部分的氧。因此，金星上的行星風(fēng)可能在數(shù)千萬年內(nèi)帶走了它的海洋。

流體動(dòng)力學(xué)逃逸讓氣態(tài)行星瘦身成類地行星

很多系外行星的大氣主要是由氫氣組成的，早期類地行星也可能有富含氫氣的大氣層。氫可以來自于原始星云，也可能來自行星中水與鐵的化學(xué)反應(yīng)。

對于這些主要由氫氣組成的行星而言，如果它們距離宿主恒星的距離足夠近，恒星的輻射和潮汐力就可以讓它們的大氣和氣體外殼逃逸。當(dāng)氣態(tài)行星的氣態(tài)部分被剝離后，它們會(huì)從比地球體積大很多的類海王星變成體積和地球相當(dāng)或者稍大一點(diǎn)的類地行星。

沒有大氣的行星其巖石的外殼將直接面對恒星的輻射。對于那些離主星只有地球到太陽距離十分之一的行星，巖石的外殼也可能氣化，形成沸騰的巖漿海洋表面，如果氣化的巖石物質(zhì)進(jìn)一步逃逸，則會(huì)顯露出它們的金屬內(nèi)核。

經(jīng)過長達(dá)數(shù)百年的研究，科學(xué)家對行星大氣的逃逸過程和其造成的后果有了很多的了解，大氣逃逸對系外行星的瘦身是理解行星形成和演化的重要因素，然而，大氣逃逸過程涉及到很多復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，尚待進(jìn)一步研究。

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