大氣層為什麼可以隔斷開地球和宇宙

大氣層(atmosphere)又叫大氣圈，地球就被這一層很厚的大氣層包圍著。大氣層的成分主要有氮氣，佔78.1%;氧氣佔20.9%;氬氣佔0.93%;還有少量的二氧化碳、稀有氣體(氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣、氡氣)和水蒸氣。大氣層的空氣密度隨高度而減小，越高空氣越稀薄。

大氣層的厚度大約在1000千米以上，但沒有明顯的界限。整個大氣層隨高度不同表現出不同的特點，分為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層，再上面就是星際空間了。

地球大氣層

在地球引力作用下，大量氣體聚集在地球周圍，形成數千公里的大氣層。氣體密度隨離地面高度的增加而變得愈來愈稀薄。探空火箭在3000公里高空仍發現有稀薄大氣，有人認為，大氣層的上界可能延伸到離地面6400公里左右。

據科學家估算，大氣質量約6000萬億噸，差不多佔地球總質量的百萬分之一，其中包括：氮78%、氧21%、氬0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%，此外還有水汽和塵埃等氣溶膠及大粒度懸浮顆粒。由於地磁場的保護作用，使得大氣層在太陽風及宇宙高能射線流的刮蝕作用下得以保存。

地球大氣層

那麼問題來了，是否有什麼把宇宙的真空環境和地球的氧氣隔絕開了?為什麼大氣層不會因外部宇宙的真空而擴散殆盡呢?

宇宙會把地球上的空氣颳走，這種現象稱之為大氣逃逸。大氣逃逸的程度主要由行星自身的引力和行星距離恆星的距離決定。因為引力的大小決定了行星是否能夠抓住氣體(如氧，氦等)，而距離恆星的距離決定加熱大氣的能量，能否能加熱氣體使分子的熱運動超出行星的逃逸速度- 氣體分子克服行星重力掌握所需的速度。其他也會造成大氣損耗的機制是太陽風，包括飛濺、撞擊侵蝕、天氣、和隱藏—"有時是指結冰"—進入風化層和極冠。

讓地球能保持穩定大氣，除了適合的引力和與太陽間合適的距離以外，還有地磁場的原因，地球的磁場協助阻擋了會使氫加速逃逸的太陽風，在過去的30億年，地球也許經由在極區的極光活動，損失了包括氧在內的2%大氣層。

地球大氣層

不考慮電磁等其他作用的情況下，估算大氣逃逸速率時，我看到的一個貌似比較常見的演算法是把高層大氣的氣體粒子速率分布視為符合麥克斯韋分布;如果氣體粒子要逃逸，那麼至少要滿足的條件是速率要大於第二宇宙速度。代數字算一算(其中溫度帶入高層大氣的溫度，多少我忘了)，然後畫個麥克斯韋速率分布的圖像就可以看到，在分布圖上，大於第二宇宙速度的面積佔總面積的比重非常小。(這一項如何量化計算，目前似乎沒有精確答案。必須注意到的問題是，雖然變化率很小，但地球大氣存在的時間也已經很長了，水滴石穿嘛。)

大氣逃逸另一個重要的原因是宇宙粒子進入大氣圈後通過衝撞使大氣粒子獲得額外動能，或者太陽風等原因造成的外界磁場和大氣粒子產生了一些電磁反應而逸出。而地球的磁層比較強大，抵禦了大量這樣的影響。

這也是為什麼火星大氣如此稀薄、地球大氣如此厚重的可能原因之一。

地球大氣層

行星大氣逃逸速率現在還是一個沒有完全解決的問題。並沒有定論說地球大氣在人類有生之年就不會消散殆盡。似乎很多關注都放到了火星上，火星探測器也在不斷獲得關於火星大氣的數據。如果能弄明白為什麼火星大氣現在耗散到了這個地步，那對地球大氣的耗散問題會有啟發。

逃逸是肯定存在的，並且很多東西都在逃逸，但為什麼把宇宙的真空環境和地球的氧氣隔絕開了?為什麼大氣層不會因外部宇宙的真空而擴散殆盡呢?，就是因為在逃逸的同時地球自身也會捕獲物質，說淺顯一點，流星隕石之類的都是捕獲來的，捕獲的物質不止局限於固體，氣體也是會被地球捕獲的。

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