既然木星、土星都是氣態行星,那麼為什麼它們的星體組織不會不斷逸散到太空中?


氣體分子的動能為E=frac{3}{2}kT=frac{1}{2}mv^2
得到氣體的熱速度v=sqrt{frac{3kT}{mu m_H}}=157.94sqrt{frac{T}{mu}}	ext{m/s},
mu為氣體分子的分子量,mH為氫原子的質量
行星表面的逃逸速度為v_{esc}=sqrt{frac{2GM_p}{R_p}}
一般地
v/v_{esc}=1/3,該氣體會在行星表面一星期內逃逸掉
v/v_{esc}=1/4,該氣體可在行星表面保留1000年
v/v_{esc}=1/5,則可以保留10^8年
v/v_{esc}=1/6,則可認為行星能永遠保留該氣體
木星土星是典型的氣態行星,它們的組成主要是氫和氦(氫和氦不一定是氣體,可能是處於不同相態的,與具體的狀態方程有關),這裡考慮木星大氣層的氫氣和氦氣。
木星的逃逸速度為59.5km/s,土星的逃逸速度為35.5km/s
取木星和土星的平均表面(1bar 壓強處)進行計算,算得氫氣(H2)和氦氣的熱速度為
v_{H2,Jupiter}=1.434	ext{km/s},v_{He,Jupiter}=1.014	ext{km/s}\
v_{H2,Saturn}=1.292	ext{km/s},v_{He,Saturn}=0.914	ext{km/s}
明顯地,氫氣氦氣的熱速度比木星土星的逃逸速度的1/6還小,所以可以認為木星和土星能永久保留它們的大氣。
更進一步可以得到,在行星表面永久保留的氣體所要求的最低分子量:
mugeq (157.94frac{sqrt{T}}{v_{esc}/6})^2=8.980*10^5frac{T}{v_{esc}^2}
行星的表面溫度(只接受太陽輻射的部分,不考慮行星內部熱源)
T=[frac{L_{sun}(1-A)}{16pisigma r^2}]^{1/4}=1.078*10^8[(1-A)/r^2]^{1/4}	ext{K}
最終得到mugeq 7.254*10^{23}frac{R_p}{M_p}(frac{1-A}{r^2})^{1/4}
對於地球(現在的平均溫度為288K),mugeq 2.07,則表示只有分子量大於2.07的氣體,地球才可能永久地保留住。

實則上,這裡只考慮行星接受恆星輻射是不太合理的,例如木星與土星由於不斷收縮,引力勢能釋放出的熱量比它們從太陽那裡得到的還要多,地球在形成的時候,溫度比現在高得多,就算經過了幾十億年的冷卻,當初星子碰撞積吸的熱量現在還有一部分存在於地球內部。同時這裡沒有考慮到行星的旋轉,若行星的自轉速度過快,行星體會因離心力而散架,木星現在的自轉大約10小時,經過計算,若木星自轉快到4小時,木星也會因為自身的離心力而解體。


根據回復,再統一回答一下:
因為氣體的運動服從的是麥克斯韋速度分布,有些氣體粒子的速度快,有些氣體粒子的速度慢,而均方根速度v_{rms}=(int_{0}^{infty} v^2 f(v)dv)^{1/2}=sqrtfrac{3 k T}{mu m_H},f(v)則為Maxwell–Boltzmann分布函數,具體函數見Maxwell

重點不在於熱速度(均方根速度)是否大於逃逸速度,而在於熱速度(均方根速度)與逃逸速度的比值,因為熱速度只是一個均方根值,總有大於此速度的氣體粒子,而這些粒子帶有更高的能量,更容易逃離行星的引力,是行星大氣逃逸的主力軍。遺憾的是,沒有找到說明比值與逃逸時標的論文,以後找到會附上。

另外,離心力是慣性力,在中學就強調離心力不是存在的,原因有兩個:1.確實不存在,2.中學沒有強調慣性系與非慣系。
牛頓力學只能是慣性系中成立,而實際很多情況遇到的都是非慣性系(有加速與旋轉),實際上宇宙中也不存在真正的慣性系,為讓牛頓力學在非慣性系中成立,就引入慣性力,從而使非慣性系在數學上轉為慣性系。

實則上這個問題只有大二的天體物理課的水平,沒啥技術含量。當初答這個問題,只因為見到某些答案純粹抖機靈,還用一些嘻嘻哈哈的方式來回答問題,所以覺得應該給出一個正經的回答。

參考資料 《Solar system Astrophysics》Eugene F. Milone William J. F. Wilson


哈哈哈,今天TPO剛好做到這個閱讀
大質量氣巨星由於其強大的質量,導致物體在上面的逃逸速度很大。
那麼由於分子的無規則運動,會產生不同區間的速度,簡化模型可以用平均速度表示
而顯然的,分子質量越大,其平均速度越小。因此不易逃逸。
那麼星球質量越大,氣體就越不易逃逸走。
這可以解釋火星大部分是二氧化碳而地球大部分是氮氧而月球更是幾乎一點空氣都沒有
而氣巨星因此可以鎖住更輕的氣體不使其耗散

金星怎麼解釋,這貨跟地球差不多啊!

那麼就需要引出第二個條件:溫度
溫度越高,氣體的平均速度越大。金星熾熱的高溫大大加速了其輕質氣體的耗散。
而氣巨星離太陽很遠,溫度很低,這對於想逃逸的氣體來說,不是一個好消息
所以啊,你們就乖乖的待著吧
正義的物理定律,是你們這些螳臂當車的氣體分子所能阻擋的了的嗎?


思考天體級別的物理問題時一定不能用地球表面的實驗現象。
比如記得之前有個問題是,如果拿一根管子從地表連到太空中,那地球上的氣體是不是就源源不斷的從管子里跑到太空里去了?
這個問題忽略了地球的大氣層本來就是和外太空連通的,而大氣層在地球周圍是因為引力,當然大氣是會因為太陽風等因素向宇宙中溢散很少一部分的。

其實就算是固態天體,也是靠引力結合在一起,不是拿泥糊在一起粘起來的。


更好的問題是引力為什麼沒把他們壓爆?


實際上確實在不斷逸散,但是相對於總量來說微不足道。順便說一句,地球的大氣也在不斷對太空發生著逸散太陽風強烈的時候更加明顯,聽起來是不是很恐怖呵呵,不過由於星球的引力,也會不斷俘獲氣體分子,所以總的來說不必杞人憂天


你不會認為地球是粘起來的吧。。。


固態內核+厚重大氣層


這是當年第一次星際大戰時地球總戰部全票通過的。目前的戰略部署就是以冥王星作為前哨,作為第一道防線,等第一道防線被突破,啟動木星防禦,將木星的氣體分化,所有氣體能籠罩地球火星金星太陽水星,形成第二道防線。孩子,你還年輕,不記得叔叔們當年面臨的困頓


先問是不是,再問為什麼。事實上這些星球,甚至包括地球的氣體的確是正在不斷地逃逸到星際空間的。


引力波剛被發現,我就想到了這個問題。


溫度越高,氣體的平均速度越大。金星熾熱的高溫大大加速了其輕質氣體的耗散。
而氣巨星離太陽很遠,溫度很低,這對於想逃逸的氣體來說,不是一個好消息
所以啊,你們就乖乖的待著吧


它自己吸著自己


參見趙凱華《新概念物理教程 熱學(第二版)》72~75頁


地球那麼多空氣怎麼不一下子飛向太空……
太陽就是個核聚變的氫氣球怎麼不一下被吹散……
其他同理。


如果有磁場保護,太陽風就吹的慢一點


為什麼地球的大氣層沒有逃到太空


理解成被引力吸住了,雖然也會有逃逸


這大概就是宇宙的魅力所在了,一種特殊性的微磁。


逃逸速度大,氣體雖然仍在溢出,但速度慢。


這個問題忽略了地球的大氣層本來就是和外太空連通的,而大氣層在地球周圍是因為引力,當然大氣是會因為太陽風等因素向宇宙中溢散很少一部分的。


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