行星大氣是包裹著行星體的中性氣體和電離氣體的總稱。依附在行星體周圍的大氣之所以沒有逃離，是由於受行星的引力和磁場所束縛。對行星大氣的研究，也包括對行星的衛星大氣的研究。
太陽系中的各行星，由於其大小和與太陽的距離不同，因此各行星的大氣狀態也不同。
基本介紹
- 中文名：行星大氣
- 外文名：planetary atmosphere
- 發現時間：1961年
- 簡介：包裹著行星體的中性氣體的總稱
- 詳細介紹：各大行星和衛星大氣
- 發現方式：衛星探測
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基本介紹
20世紀40年代以前，僅限於用天文望遠鏡和雷達等在地球上觀測其他行星。自1961年以來，開始用行星探測器探測其他行星而獲得資料，這些探測器，有的在離行星一千多公里到一百多萬公里處發回照片，有的降落艙在行星上軟著陸後，向地球發回照片和資料。隨著探測手段的不斷發展，使行星大氣的研究，有了較大的進展。太陽系有八大行星，按離太陽由近及遠的次序，它們為：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。在火星和木星之間，還有很多小行星。通常把在這些小行星軌道以內運行的水星、金星、地球和火星，稱為內行星，而把在小行星以外運行的木星、土星、天王星、海王星和冥王星，稱為外行星。水星離太陽大約只有日地距離的十分之四，獲得的太陽輻射能量大，水星表面中午的溫度可達700K，子夜溫度約100K。水星的引力質量較小，逃逸速度也小，氣體分子容易逃出水星的引力場。故水星大氣極為稀薄，其氣壓小於2×10-9百帕。這裡主要介紹金星、火星、木星和土星四個行星大氣的狀態。行星大氣是包裹著行星體的中性氣體和電離氣體的總稱。
詳細介紹
金星大氣
主要成分為二氧化碳，約占95%，氮約占 3.5%，此外還有少量的氬、一氧化碳、水汽、氯化氫和氟化氫等。金星的大氣層比地球厚，金星表面上的氣壓約為地球表面氣壓的90倍，即約 90000百帕。30公里高空的氣壓約 10000百帕，50公里高空約為1000百帕，80公里高空約10百帕。金星大氣自下往上可分為若干特性層：①0～31公裡間為潔淨大氣，大氣幾乎不含雜質，但其中閃電雷鳴持續不停。②31～68公里為雲層，因含硫化物而呈黃色。按雲層質點大小分布可將其分為4層：31～48公里為稀薄霾層，48～52公里為低雲層，52～58公里為中雲層，58～68公里為高雲層。整個雲系中有硫酸滴、不同濃度的硫及高含量的氣溶膠。高雲層是不均勻的。中雲層密度向下增大，在52公里處有極大值，在約50公里處有鮮明的底。低雲層隨地區、時間變化最大。在金星北極著陸的探測器，用紅外線觀測發現，該極區大氣層有一個極洞，寬約1100公里，氣流下沉，雲層稀薄。金星大氣中的二氧化碳，造成非常顯著的溫室效應，使金星表面的溫度，高達750K，而且基本上不隨地區、季節和晝夜而變化。金星探測器測得：北極地區的氣溫反而比赤道地區高10K左右。0～60公裡間溫度隨高度下降劇烈，60公里高度處溫度約為300K。60公里以上，溫度下降緩慢，到68公里以上近於同溫，約200K左右。
金星是太陽系中逆向自轉的大行星之一（另一個為天王星），因此從金星上看太陽，是西升東落的。它的體積和質量都略小於地球。金星的自轉周期為243天（地球時）。整個星球幾乎終年為深厚的雲霧掩蓋。紫外線觀測表明，金星雲層有亮、暗區，常呈橫倒的大Y字型，Y字的柄約與赤道平行，Y字雲型運行極快，約5天就可以環行金星一周，由此推斷其高空風速可高達200米/秒。但風速向下減少較快，距其表面 45公里處為50米/秒，距表面 10公里處僅約2米/秒。上述Y字型雲有時會消失數周，然後又重新出現。據認為這是由於日射加熱引起大範圍對流所造成的。
金星有一稠密的大氣層，表面氣壓約為地球表面氣壓的92倍，金星大氣有很強的溫室效應，其主要成分是二氧化碳，約占95%。
火星大氣
主要成分為二氧化碳，占95%，氮占2～3%，氬占1～2%，一氧化碳和氧共約占0.1%，此外還有極少量的臭氧和氫，水汽僅平均約占0.01%。火星大氣中二氧化碳的含量隨高度減少；在100公里高度處含量占50%，到140公里高度處，測得氧的含量比二氧化碳大6倍之多。火星大氣密度不足地球大氣的1%，火星表面的平均大氣壓僅為7.5百帕，相當地球上30～40公里高空的大氣壓。
火星比地球小得多，體積只有地球的0.15，質量只有地球的1/9，火星上也有四季變化，由於它繞太陽運行一周約687天（地球時），故每季的長度約為地球上兩倍。
火星表面平均溫度為240K，赤道區白天最高溫度超過300K，晚上在200K以下，日變化很大；冬季極區溫度低達150K。自表面向上，溫度下降，在40公里高度以上，平均溫度為140K，但有大幅度不規則變化。火星大氣中也存在雲層。在15～30公里高度有由水冰組成的雲，在45公里左右的高度有由二氧化碳（乾冰）組成的白色雲。在北半球春、夏季時，在巨大火山的迎風側亦有水冰雲。火星表面風速一般較小，但有時也發生大風，夏季低緯度由雲的移動顯示出15～30公里的高空風為東風，風速約30～55米/秒；在冬季中緯度吹西風。赤道區的氣流尚不能肯定。火星上最壯觀的氣象現象是塵暴，它經常可以發展到行星尺度，有時幾乎遮蔽整個行星表面。在1971年和1973年發生的兩次大塵暴期間，就掩蓋著廣大地區達數星期之久，使11公里高度以下的大氣不透光，風速最大可達140米/秒。這種行星尺度的大塵暴多發生在火星靠近近日點的時候。塵暴的發源地常在南半球太陽直射的緯度上，幾星期內就覆蓋整個南半球。特別大的塵暴還能擴展到北半球，進而掩蓋整個行星。
在火星的南極和北極，終年存在著白色的極冠，極冠區的範圍隨季節有變化。冬季，它由水冰和乾冰（固體二氧化碳）所組成，範圍最大；春季來臨後範圍逐漸縮小；夏季，極冠的範圍最小，但不消失，是完全由水冰組成的永久性極冠；隨著秋季的來臨，極區溫度逐漸下降到二氧化碳的凝固點（150K）之下，二氧化碳開始凝華，極冠範圍擴大。可見，極冠範圍的增減，是由溫度變化導致二氧化碳的凝華和乾冰的升華所造成的。
火星大氣比地球大氣稀薄，表面大氣壓相當於地球大氣35千米高處的壓力，有很強的地方性和全球性塵慕．主要成分是二氧化碳，約占95%。
木星大氣
主要成分為氫，占88.6%，氦占11.2%，其他為少量的氨、甲烷、水汽、氧、氮及硫化物等，其厚度約1000公里。
木星是太陽系九大行星中最大的一顆，其體積約為地球的1316倍，質量約為地球的319倍，由中心至71370公里，依次為由以鐵矽為主的固體核、液態金屬氫（其中分子離解為獨立原子，形成導電流體）、液態分子氫。核溫可達30000K。71370公里以上則為大氣層。
木星大氣中的雲層分布有如下特點：最外層為氨晶體雲，溫度150K，約0.6個地球大氣壓；其下 30公里左右為氨氫硫化物晶體雲，溫度 200K，約1.7個地球大氣壓；再往下35公里存在水冰晶雲層，溫度約250K，約4～5個地球大氣壓。在該層之下，溫度約達 270K以上，開始出現水滴。在最外層的氨晶體雲之上，溫度隨高度而降低，到110K的最低值後，又開始隨高度增加。用望遠鏡觀測木星，其雲層外貌呈斑馬紋似的亮暗相間的橫條，傳統上亮條稱為帶，暗條稱為帶紋，均與赤道平行，亮帶主要呈現為白色或灰黃色，而暗紋呈不同深度的紅棕色。帶和帶紋的亮度隨時間而變，亮帶中可出現暗區，暗紋中也可觀測到亮區。另外，在南半球還有一個大紅斑，呈蛋形，寬約14000公里，長度變動在30000～40000公里之間，有三個地球那么大。木星大氣的運動非常激烈，據紅外探測資料分析，亮帶是由上升的暖氣流所形成，為高氣壓帶（類似地球大氣中的“高壓”）；暗的帶紋由較冷的下沉氣流構成，為低氣壓帶（類似地球大氣中的“低壓”）。亮帶的雲頂比暗紋的雲頂高得多，前者的溫度比後者低 15K左右。木星大氣中的主要成分都是無色的，只有微量的有色物質如硫、紅磷或某些有機物分子。雲層中的結晶體都呈白色。木星上色彩差別的出現可能是淡色化合物在亮帶頂上因太陽紫外輻射產生化學反應，生成暗色化合物，它們由於冷卻下沉而聚集在暗紋里的結果。
在木星上像在地球上那樣，風從高壓區向低壓區吹，並受類似地球上的科里奧利力（見大氣中的作用力）作用而折向，由於木星上的高壓區和低壓區成環帶狀（即亮帶與暗紋），在北半球，高壓帶區（亮帶）的北側吹西風，南側吹東風；在低壓帶區（暗紋）的北側吹東風，南側吹西風。南半球的情況適相反。兩個半球都存在很多相互交錯的東西風帶（見圖），在赤道兩側的廣闊範圍內盛行強大西風,風速可達150米/秒，在較高緯度，風速減小。木星大氣中的雲層，形態和顏色均不斷變化，但緯向環流的風帶，無論位置或強度都是很少變化的。一些具有永久性或半永久性的運動特徵，甚至可持續幾年、幾十年到幾百年。大紅斑就是其中之一例。它位於南半球高壓帶中的一個高壓中心區，是一個同地球上颱風相似的巨大風暴，逆時針方向旋轉，旋轉一次約6天（地球時）。其內暖空氣強烈上升，大紅斑的雲頂比周圍雲頂約高出幾公里，氣流中含有紅磷化合物，可能因此呈紅橙色。也有人認為，由於氣流激烈上升，形成了巨大的雷暴雲砧，由這種幾千萬平方公里範圍的巨大放電現象顯出了大紅斑。大紅斑環流同它南、北邊緣環境氣流相互作用，還可造成複雜的擾動流型。在大紅斑的東南方，曾觀測到蛋形的小白斑。在北半球還觀測到一些棕色橢圓擾動，平均壽命1～2年，稱為小紅斑。其性質和大紅斑相似。另外，還觀測到雲頂上空約55000公里處，圍繞木星的一個稀薄物質環，其厚度不到1公里，徑向範圍約6000公里。木星向空間輻射的能量為它從太陽所吸收的熱量的2.5倍，這表明木星內部存在熱源，這熱源可能是行星最初形成時由引力勢能轉變為熱能，被液氫的大規模對流傳遞到表面而造成的。由此看來，木星大氣運動的能源，可能是由木星自己的熱能供給的。
木星是太陽系中最大的行星，具有龐大的大氣層，可分為對流層、平流層、中間層和熱層．木星大氣中有雲層，雲帶、緯向氣流、大紅斑是木星外貌的主要特徵。主要成分是氫和氛。
土星大氣
主要成分是氫和氦，並含有氨、甲烷和其他的氣體。
土星的體積約為地球的 745倍，其質量約為地球的95.18倍，其平均密度只有地球的1/8（0.70克/厘米3），在九大行星中密度最小。一般認為，土星有一個岩石核心，其外依次有很厚的冰殼、金屬氫層、液態分子氫層，在此液層上空，有大氣層。 土星大氣的上層，常為稠密的氨晶體雲所覆蓋，至今人們還無法看到下面的雲層，無從了解底層大氣的狀態。氨晶體雲呈現彩色的亮帶和暗紋，平行於赤道，但其色澤不像木星那樣鮮艷。顏色以金黃色為主，其餘為橘黃色、淡黃色等，不過極區呈現綠色，是整個土星圖像中最暗的區域。利用紅外線探測的結果：雲頂溫度為103K，表面溫度約為133K。美國發射的土星探測器先驅者11號還發現土星有一個由電離氫構成的廣延電離層，其高層溫度約為1250K。哈佛-史密森天體物理研究中心的A.F.庫克，1981年春在分析旅行者1號的探測資料後，發現在稠密的氨晶體雲之上約150公里處，有一層厚約60公里的霾層，它只存在於一些孤立的區域而不連成大片。在這霾層中，沒有發現任何來自下層的對流擾動的現象。旅行者1號1980年8月的探測，還發現土星的南半球有一個紅斑，和木星大紅斑類似。它呈橢圓形，長約10000多公里，只有木星大紅斑直徑的1/3。接著，該探測器在1980年11月最接近土星之前幾天，進一步發現這個紅斑被一條黑色的環狀物所包圍。初步研究認為，它是一種巨大的反氣旋風暴。此外，旅行者1號還拍攝到土星雲層頂部一些奇怪的明亮白斑，而在土星的北半球拍攝到另一些這類橢圓形斑塊，以及淺色的、小規模的對流雲圖案和一條數千公里長的波線。旅行者1號的這些探測表明，土星赤道風帶的風速很大，達500米/秒，約為木星赤道風帶速度的3～4倍，此赤道風帶的寬度也比木星大得多，範圍延伸到南北緯各40°。土星上風的動能，可能達到木星的16倍。英國的G.E.亨特認為：這是由於土星上的氨雲層比木星厚，溫度也較低，它們凝聚時所釋放的額外熱量，導致更多的能量加入旋渦，加速驅動赤道上的帶狀風，故風速更大，風帶的寬度也更大。另一種看法認為：土星有內在的能源，其輻射出的能量約為其吸收的太陽熱量的4.5倍，可能促使其赤道風帶有更大的風速和能量。
土星大氣上層常為稠密的氨晶體雲所渡蓋，雲層呈彩色的亮帶和暗紋，平行於赤道。主要成分是氮和氛，分別占94%和約6%。
天王星大氣、海王星大氣和冥王星大氣
天王星和海王星大氣的主要成分是氮和甲烷，還有含量很少的氛和氛。這兩顆行星有較稠密的大氣和較厚的雲層。
天王星和海王星結構可能相同，都有岩核，核心溫度可達2000～3000K，岩核外面為質量較大的冰層，冰層之外，有著稠密的大氣，其中有很厚的雲層。大氣的成分主要是氫，還有甲烷和含量很少的氦和氨等。天王星和海王星的表面溫度均約70K，這兩個行星的雲層，主要為甲烷雲和氨雲。冥王星的表面溫度約60K，像這樣的低溫,如果有大氣的話，只可能是氫、氦、氖等。這些行星距地球都很遠，很多特徵不能用望遠鏡觀測。美國太空船旅行者2號正在太空中飛行，預計在1986年和1989年，將先後訪問天王星和海王星，料想那時，將可能獲得較多的探測資料，而有助於對它們的了解。
水星大氣
水星大氣水星的引力重量較小，氣體粒子容易逃出水星的引力場。故只有一層極稀薄的大氣，其表面大氣壓力僅相當於地球大氣500千米高處的大氣壓力。
衛星大氣
太陽系中行星的某些衛星也有大氣層．如土星中最大的土衛六，有一稠密的大氣層，是太陽系中唯一有豐富大氣的衛星，表面大氣壓力為1.5×105帕左右，比地球大氣層稠密得多。土衛六大氣主要成分是氮，其次是甲烷、氮、氮等．土衛六上空有雲層．此外，木衛一和木衛三也有稀薄大氣，木衛一大氣主要成分是二氧化硫，木衛三大氣主要成分是甲烷和氛。
運用和影響
（1）可用於天災預測；
（2）可用於行星探測任務的進行；
行星大氣的研究對了解地球大氣的變化趨勢、保護人類的生存環境有重要意義．我國學者研究了早期凝聚、輻射、大氣逃逸和溫室效應等對行星大氣和表面熱狀態的影響，提出地球大氣起源應有一個初級原始大氣階段．其主要特徵是富含氫及其化合物的還原態大氣．火星塵暴是火星獨特的大產（現象．在火星地形對火星大氣影晌分析的基礎上，提出火星塵暴是火星地形引起渦旋造成強地面風速和上升氣流而形成。
