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月球上为什么没有大气_趣味天文学

时间:2020-01-31 理论教育
月球上为什么没有大气_趣味天文学

有些问题如果先把它倒过来说明一下,就很容易说清楚。月球上为什么没有大气就属于这一类问题。在回答为什么月球不能将大气留在自己的周围之前,我们先考虑这样一个问题:“为什么地球周围环绕着大气?”我们知道,和一切气体一样,空气由各种彼此不相关的分子组成,这些分子向各个方向急速运动。在温度为0℃时,它们的平均速度大约是每秒钟0.5千米(相当于手枪子弹的速度)。为什么这些分子不会扩散到太空中去呢?原因和子弹不会飞到太空中去一样。分子运动所产生的能量被用来克服地球的引力,因此它们不会飞向太空,而是回落到地球表面。假设在接近地球表面处有一粒分子,以每秒0.5千米的速度垂直上飞。它能飞多高呢?不难算出:假设速度是v,高度是h,地球重力加速度是g,三者之间的关系是:

v2=2gh

代入数字,v=500米/秒,g=10米/秒2

可得

250000=20h,

因此

h=12500米=12.5千米。

但是,如果空气分子的飞行高度不超过12.5千米,那么在这个高度以上的空气分子又来自何处呢?要知道,大气中的氧气是在接近地面的地方形成的。是什么力量将空气分子抬高到500千米以上高空的呢?这个问题就如同下面这个问题一样:“人类的平均寿命是40岁,那么80岁的老人是从哪里来的呢?”一个统计学家对这个问题的回答方式,和一个物理学家回答我们所提出的问题一样。原来,我们的计算方式针对的只是平均分子,而不是具体的分子。平均分子的每秒钟的运动速度是0.5千米,而具体的分子有的比这运动得快,有的运动得慢。高于或者低于平均速度的分子所占的比例并不大,并且随着与平均速度的差数增大,分子所占的比例迅速减少。在0℃时,一定体积的氧气中只有20%的分子速度是每秒400~500米;速度在每秒300~400米的分子所占的比重也是20%;速度为每秒200~300米的分子占17%;9%的分子速度为每秒600~700米;8%的分子速度是每秒700~800米;另外还有1%的分子以每秒1300~1400米的速度运动。还有很小一部分分子(不到百万分之一)的速度为每秒3500米,而这个速度足以使分子飞到600千米的高度。由上面的公式我们可以得到

35002=20h(www.guayunfan.com)

因此,084-01

大约等于600千米。

这样就可以明白,为什么在距离地面几千米的高空还有氧气分子存在了:这是因为气体的物理特性决定的。但是氧气、氮气、水蒸气和二氧化碳的分子运动速度又都不足以使它们完全脱离地球,因为这里所需要的速度至少为每秒钟11千米。在温度较低的情况下,上述各种气体中的个别分子才能达到这个速度。这就是为什么地球能吸引住大气层的原因。地球大气中最轻的气体是氢气。据统计,即便要使它减少一半,也得经过无数万年,所需的时间要用25位数才能表示出来。因此,地球大气的成分和质量在几百万年的时间内是不会产生什么变化的。

现在只需要几句话就足以讲明白,为什么月球不能留住大气层了。月球上的重力为地球上的重力的084-02,因此,在月球上克服重力所需的速度也只需要地球上的084-02,也就是每秒2360米。氧气和氮气分子在不十分高的温度条件下,就能达到这个速度。所以不难明白,月球一定曾经不断地失掉它的大气(如果月球上曾经有过大气的话)。在运动最快的分子离开之后,就会有别的分子获得飞离月球所需的临界速度(这是根据气体分子速度分配定律得出的结论)。这样,大气中一去不复返地消失在太空中的分子就会越来越多。在宇宙演变的漫长过程中,只需要极少的一段时间,全部大气就会离开重力如此小的天体表面。

通过数学演算可以证明,如果一个行星的大气分子的平均速度为临界速度的084-03(相对于月球而言:2360÷3=790米/秒),那么,这个星球的大气就会在几周内消失一半(只有大气分子的平均速度小到临界速度的085-01的天体,才能吸引住大气层)。

曾经有人认为,地球上的人类访问并征服了月球之后,总有一天会用人造的大气把月球包围起来,使它适合人类居住。大家看着这一节内容之后,一定会明白这并不是件容易的事情。月球上没有大气并不是偶然的,这绝不是自然界随心所欲造成的,而是物理学法则的必然结果。

同理,对其他重力不大的天体来讲,也由于同样的原因,不会有大气包围[3]