在宇宙中，气态星球为什么不会被太阳风吹散？

宇宙中那些庞大的气态巨行星，比如我们太阳系里的木星和土星，它们之所以能安然无恙地存在，不被太阳发出的强大粒子流——也就是太阳风——吹散，其实是有几层原因在起作用的。这就像一个巨人在狂风中站立，并非易事，但巨行星自有其稳固之道。

首先，我们要理解太阳风是什么。太阳时刻都在向外喷射一种高速的、带电粒子的“风”，这些粒子主要是质子和电子。它们携带着巨大的能量和动量。如果是一个小的、松散的物体，比如一颗小行星或者彗星的尾巴，在太阳风的持续冲击下，确实会被逐渐剥离、吹散。

那么，为什么气态巨行星能扛得住呢？

1. 巨大的质量和引力：这是最根本的原因。

气态巨行星之所以称之为“巨”，是因为它们的质量实在太惊人了。木星的质量大约是地球的318倍，土星也差不多有地球的95倍。如此巨大的质量意味着它们拥有极其强大的引力。

这种引力就像一个无形的巨手，紧紧地抓住行星自身的气体粒子。太阳风虽然强大，但它吹拂的是行星大气层表面的粒子。这些粒子虽然在不断被动能撞击，但行星自身那股强大的引力始终将它们束缚在行星的周围。就好比你在用力吹一团棉花，棉花会散开；但如果你用力抓着这团棉花，再怎么吹，它也难以离开你的手掌。行星的引力，就是它那只“手掌”。

2. 磁场：一个强大的保护罩。

这是另一个至关重要的因素。绝大多数气态巨行星都拥有极其强大的磁场，而且这些磁场往往比地球的强大得多。这些磁场是由行星内部导电流体（比如液态金属氢）的运动产生的，形成了一个广阔的磁层。

当太阳风中的带电粒子接近行星时，它们会被行星的磁场发生偏转。磁层就像一个巨大的防护罩，将绝大多数太阳风粒子引导到行星两侧和尾部，使其绕过行星本体。只有少数能量特别高的粒子，或者沿着磁力线方向前进的粒子，才可能穿透磁层，进入行星高层大气。

更进一步地说，这些被偏转的太阳风粒子，在磁层中被捕获，形成了一种叫做“范艾伦辐射带”的区域（地球也有，但气态巨行星的更大、更强）。这些粒子会在磁场中绕着行星运动，最终可能能量耗尽，或者被大气吸收。

可以想象一下，太阳风就像一群持枪的士兵试图冲进一座城市，而行星的磁场则是一个拥有坚固城墙和巡逻士兵的军事要塞。士兵们虽然有武器，但很难突破城墙的阻拦，只能被引导到其他区域，或者在城墙外被消耗掉。

3. 极光现象：磁场工作的直观体现。

你可能听说过行星上的极光。事实上，气态巨行星上的极光比地球上的要壮观得多，而且持续时间更长。极光的产生，正是太阳风粒子与行星磁场相互作用，并最终与行星高层大气中的粒子发生碰撞发光的结果。看到那些横跨行星表面的巨大极光带，你就知道行星的磁场正在非常努力地工作，保护着它的大气层。

4. 行星自身的物质构成和密度：

虽然气态巨行星主要由氢和氦组成，但它们的整体密度并不像想象中那么低。虽然它们的气体极其稀薄，但随着深度的增加，压力和温度急剧升高，氢气会逐渐转化为液态甚至固态的金属氢，使得行星核心部分非常致密。这意味着要将行星整体吹散，需要的能量是一个天文数字。太阳风的力量虽然持续，但要将如此庞大的物质总量从引力深处剥离出来，几乎是不可能的。

5. 大气层本身的结构和动力学：

气态巨行星的大气层并非静止不动，而是有着复杂的环流和结构。即使有太阳风的冲击，行星内部的热量驱动产生的对流和风暴，以及行星自转带来的科里奥利力，也在不断地重塑着大气层的形态，并帮助“回收”一部分被推向边缘的粒子。

所以，总的来说，气态巨行星之所以不会被太阳风吹散，是它们强大的引力、高效的磁场保护以及庞大的物质储备共同作用的结果。太阳风就像一阵不断袭来的风暴，但行星自身有着足够厚的“外衣”（大气层）、牢固的“地基”（强大的引力）和完善的“防御系统”（磁层），能够有效地抵御这种侵蚀，维持着自身的存在。

这种平衡是一种动态的平衡，并不是说太阳风完全没有影响。如前所述，它会产生极光，并可能剥离极少数高层大气粒子，但这些损失与行星巨大的质量相比微不足道，不足以威胁到行星整体的存在。

网友意见

泻药，虽然行星确实总在丢失它们的大气，但是目前能观测到的气体行星，吹散它们耗费的时间比较久，可能直到恒星燃料耗尽死亡也吹不完。

下面详细回答这个问题：

气体行星，或者行星的大气被吹散的机制主要有三大类，热力学逃逸、非热力学逃逸、撞击侵蚀^[1]：

• 热力学逃逸主要有：金斯逃逸、流体动力学逃逸
• 金斯逃逸：气体分子的速度服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布，其中一定有一部分处于该行星的逃逸速度之上（对于地球来说是第二宇宙速度），那么这部分气体分子会因为热运动而逃出行星的引力场，根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布的公式，分子量越低的气体平均速度越快，更有可能逃逸。
• 流体动力学逃逸：指外界的热源（包括但不限于日光、太阳风、流星体等）对大气层的某一层进行加热使得其膨胀而逃离行星的引力范围（这种方式一般出现在热木星上）。

• 非热力学逃逸有：光化学逃逸、溅射逃逸、电荷交换逃逸、极风逃逸。
• 光化学逃逸指太阳风高能粒子或者辐射使得一些较重气体发生光解，产生比较轻的产物，这部分产物会因为其它的方式逃离该行星。（如水会被紫外线光解产生氢与氧，氢气会逃逸）
• 溅射逃逸指太阳风的高能粒子轰击在气体分子上，这可能会给气体分子一个可以逃离行星重力场的速度引发气体散逸。
• 电荷交换逃逸指太阳风中的离子，或是行星辐射带中的离子与大气中的分子发生电荷交换，产生一个电中性分子与一颗带电离子，离子被磁场捕获而电中性分子逃逸。

• 极风逃逸：行星的两极处的磁力线不是闭合的，在这里太阳风的影响比其余地方强，这会导致一部分气体分子被电离，产生的离子沿着磁力线逃逸。一些情况下它们会被行星磁场重新捕获形成辐射带，一些情况下则会逃逸。
• 撞击侵蚀则是当一颗小行星撞击行星表面时，撞击本身会在大气中产生类似石头扔进水中的波纹，这将把一部分大气抛进太空。其释放的能量可能会导致一部分大气被剥离，撞击产生的蒸汽也会逃逸到太空。

根据行星大气散逸的机制可以看出，一般越小越热的星球越难留下它们的气体，比如月球难于留存任何气体，火星勉强留住了二氧化碳（44）（氮气和氧气（28和32）是被太阳风电离（变成14和16）而逃逸的），土卫六留住了氮气（28）（离得远以及一部分轨道在土星磁层里，太阳风影响比较小），地球留住了水蒸气（18）（丢失的原因是光解），巨行星如木星土星则非常轻松地锁住了氢和氦（2和4）。

对于地球来说，地球的质量和温度使其无法留住氢和氦，无法形成气体行星，目前地球大气散逸的主要原因是电荷转移逃逸、金斯逃逸、极风逃逸^[2]，总的效应是每秒大约流失3kg氢与50g氦，以及1500g氧等较重气体^[3]，即每年流失10万吨。但综合考虑地球上水的分解、火山活动释放气体等因素，地球的氧氮为主的大气层在一个较长的地质时期内内仍然是比较稳定的，但随着太阳亮度的增加，未来地球很可能因为太阳辐射而失去水分，逐渐变得和金星一样。

对于木星来说，它的引力更高（逃逸速度更高，59.5km/s），温度更低（高速运动的分子更少，130K）使得它的大气逃逸速率更低（~1kg/s），再加上大得多的质量，使得其成分以氢氦为主，在太阳生命周期内也无法被吹散。

但是，对于目前发现的许多系外行星的话，情况就不太一样了。我们在太阳系外发现了许多热木星，它们距离恒星很近，温度很高，其主要成分也是氢和氦，它们的大气散失率就会高很多，例如系外行星HD 209458b，其半径约为1.35倍木星半径，但只有0.7倍木星质量，温度高达1000K^[4]。在分析其光谱后天文学家发现其大气层每秒散失1~5亿kg氢气，乃至观测到了一条氢尾拖在这颗行星后面。但在其母星HD 209458的生命周期中这颗行星会流失掉其质量的7%，不足以称之为吹散。

如果恒星的辐射强到一定程度，那么气态行星的大气确实会被剥离，但最后会剩下一个铁质或岩质的核心，在天文学上，这种行星被称为冥府行星。但截至目前，没有冥府行星被观测到，唯一被认为可能是冥府行星的系外行星是柯洛7b。

综上，目前观测到的气体行星被其母恒星吹散的时间一般都会长过母恒星的寿命，因此不会被吹散。

---

另：这篇回答所讲的内容不是很完善，若有进一步想了解这方面知识的兴趣可以阅读下面给出的参考。

参考

1. ^1 https://geosci.uchicago.edu/~kite/doc/Catling2009.pdf
2. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_escape#cite_note-Catling200922-1
3. ^ http://faculty.washington.edu/dcatling/Catling2009_SciAm.pdf
4. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/HD_209458_b#cite_ref-Richardson2007_13-0

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