shower 发表于 2023-8-31 04:24:36

既然木星、土星都是气态行星,那么为什么它们的星体组织不会不断逸散到太空中?

既然木星、土星都是气态行星,那么为什么它们的星体组织不会不断逸散到太空中?

pdacn 发表于 2023-8-31 04:24:55

理解成被引力吸住了,虽然也会有逃逸

pic100 发表于 2023-8-31 04:25:13

气体分子确实会逸散,但逸散的分子的动能远大于平均动能,导致气体温度降低。所以逸散过程存在一个负反馈,速率会受限制

baicai 发表于 2023-8-31 04:25:39

气体分子的动能为https://www.zhihu.com/equation?tex=E%3D%5Cfrac%7B3%7D%7B2%7DkT%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dmv%5E2
得到气体的热速度https://www.zhihu.com/equation?tex=v%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B3kT%7D%7B%5Cmu+m_H%7D%7D%3D157.94%5Csqrt%7B%5Cfrac%7BT%7D%7B%5Cmu%7D%7D%5Ctext%7Bm%2Fs%7D,
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cmu为气体分子的分子量,mH为氢原子的质量
行星表面的逃逸速度为https://www.zhihu.com/equation?tex=v_%7Besc%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B2GM_p%7D%7BR_p%7D%7D
一般地
若https://www.zhihu.com/equation?tex=v%2Fv_%7Besc%7D%3D1%2F3,该气体会在行星表面一星期内逃逸掉
若https://www.zhihu.com/equation?tex=v%2Fv_%7Besc%7D%3D1%2F4,该气体可在行星表面保留1000年
若https://www.zhihu.com/equation?tex=v%2Fv_%7Besc%7D%3D1%2F5,则可以保留10^8年
若https://www.zhihu.com/equation?tex=v%2Fv_%7Besc%7D%3D1%2F6,则可认为行星能永远保留该气体
木星土星是典型的气态行星,它们的组成主要是氢和氦(氢和氦不一定是气体,可能是处于不同相态的,与具体的状态方程有关),这里考虑木星大气层的氢气和氦气。
木星的逃逸速度为59.5km/s,土星的逃逸速度为35.5km/s
取木星和土星的平均表面(1bar 压强处)进行计算,算得氢气(H2)和氦气的热速度为
https://www.zhihu.com/equation?tex=v_%7BH2%2CJupiter%7D%3D1.434%5Ctext%7Bkm%2Fs%7D%2Cv_%7BHe%2CJupiter%7D%3D1.014%5Ctext%7Bkm%2Fs%7D%5C%5C%0Av_%7BH2%2CSaturn%7D%3D1.292%5Ctext%7Bkm%2Fs%7D%2Cv_%7BHe%2CSaturn%7D%3D0.914%5Ctext%7Bkm%2Fs%7D
明显地,氢气氦气的热速度比木星土星的逃逸速度的1/6还小,所以可以认为木星和土星能永久保留它们的大气。
更进一步可以得到,在行星表面永久保留的气体所要求的最低分子量:
https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cmu%5Cgeq+%28157.94%5Cfrac%7B%5Csqrt%7BT%7D%7D%7Bv_%7Besc%7D%2F6%7D%29%5E2%3D8.980%2A10%5E5%5Cfrac%7BT%7D%7Bv_%7Besc%7D%5E2%7D
行星的表面温度(只接受太阳辐射的部分,不考虑行星内部热源)
https://www.zhihu.com/equation?tex=T%3D%5B%5Cfrac%7BL_%7Bsun%7D%281-A%29%7D%7B16%5Cpi%5Csigma+r%5E2%7D%5D%5E%7B1%2F4%7D%3D1.078%2A10%5E8%5B%281-A%29%2Fr%5E2%5D%5E%7B1%2F4%7D%5Ctext%7BK%7D
最终得到https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cmu%5Cgeq+7.254%2A10%5E%7B23%7D%5Cfrac%7BR_p%7D%7BM_p%7D%28%5Cfrac%7B1-A%7D%7Br%5E2%7D%29%5E%7B1%2F4%7D
对于地球(现在的平均温度为288K),https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cmu%5Cgeq+2.07,则表示只有分子量大于2.07的气体,地球才可能永久地保留住。
实则上,这里只考虑行星接受恒星辐射是不太合理的,例如木星与土星由于不断收缩,引力势能释放出的热量比它们从太阳那里得到的还要多,地球在形成的时候,温度比现在高得多,就算经过了几十亿年的冷却,当初星子碰撞积吸的热量现在还有一部分存在于地球内部。同时这里没有考虑到行星的旋转,若行星的自转速度过快,行星体会因离心力而散架,木星现在的自转大约10小时,经过计算,若木星自转快到4小时,木星也会因为自身的离心力而解体。
根据回复,再统一回答一下:
因为气体的运动服从的是麦克斯韦速度分布,有些气体粒子的速度快,有些气体粒子的速度慢,而均方根速度https://www.zhihu.com/equation?tex=v_%7Brms%7D%3D%28%5Cint_%7B0%7D%5E%7B%5Cinfty%7D+v%5E2+f%28v%29dv%29%5E%7B1%2F2%7D%3D%5Csqrt%5Cfrac%7B3+k+T%7D%7B%5Cmu+m_H%7D,f(v)则为Maxwell–Boltzmann分布函数,具体函数见
Maxwell

http://pic1.zhimg.com/da19b1fdaa6627c5e9f91516e98b8f31_r.jpg?source=1940ef5c
重点不在于热速度(均方根速度)是否大于逃逸速度,而在于热速度(均方根速度)与逃逸速度的比值,因为热速度只是一个均方根值,总有大于此速度的气体粒子,而这些粒子带有更高的能量,更容易逃离行星的引力,是行星大气逃逸的主力军。遗憾的是,没有找到说明比值与逃逸时标的论文,以后找到会附上。
另外,离心力是惯性力,在中学就强调离心力不是存在的,原因有两个:1.确实不存在,2.中学没有强调惯性系与非惯系。
牛顿力学只能是惯性系中成立,而实际很多情况遇到的都是非惯性系(有加速与旋转),实际上宇宙中也不存在真正的惯性系,为让牛顿力学在非惯性系中成立,就引入惯性力,从而使非惯性系在数学上转为惯性系。
实则上这个问题只有大二的天体物理课的水平,没啥技术含量。当初答这个问题,只因为见到某些答案纯粹抖机灵,还用一些嘻嘻哈哈的方式来回答问题,所以觉得应该给出一个正经的回答。
参考资料 《Solar system Astrophysics》Eugene F. Milone & William J. F. Wilson

拒绝泳游的魚 发表于 2023-8-31 04:26:18

思考天体级别的物理问题时一定不能用地球表面的实验现象。
比如记得之前有个问题是,如果拿一根管子从地表连到太空中,那地球上的气体是不是就源源不断的从管子里跑到太空里去了?
这个问题忽略了地球的大气层本来就是和外太空连通的,而大气层在地球周围是因为引力,当然大气是会因为太阳风等因素向宇宙中溢散很少一部分的。
其实就算是固态天体,也是靠引力结合在一起,不是拿泥糊在一起粘起来的。

nxwqwt 发表于 2023-8-31 04:26:49

哈哈哈,今天TPO刚好做到这个阅读
大质量气巨星由于其强大的质量,导致物体在上面的逃逸速度很大。
那么由于分子的无规则运动,会产生不同区间的速度,简化模型可以用平均速度表示
而显然的,分子质量越大,其平均速度越小。因此不易逃逸。
那么星球质量越大,气体就越不易逃逸走。
这可以解释火星大部分是二氧化碳而地球大部分是氮氧而月球更是几乎一点空气都没有
而气巨星因此可以锁住更轻的气体不使其耗散
金星怎么解释,这货跟地球差不多啊!那么就需要引出第二个条件:温度
温度越高,气体的平均速度越大。金星炽热的高温大大加速了其轻质气体的耗散。
而气巨星离太阳很远,温度很低,这对于想逃逸的气体来说,不是一个好消息
所以啊,你们就乖乖的待着吧
正义的物理定律,是你们这些螳臂当车的气体分子所能阻挡的了的吗?
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