关于行星大气介绍

[拼音]：xingxing daqi

[外文]：planetary atmospheres

受行星引力场和磁场所束缚、包裹着行星本体的中性气体和等离子体的总称。对行星大气的研究，也包括对行星的卫星大气的研究。

在人造地球卫星上天以前，只能在地面对行星大气进行分光、光度、偏振和射电测量，来考察行星大气成分，推算有效辐射温度和反照率等参量，使研究受到极大限制。从1961年苏联发射“金星号”自动行星际站，到1977年美国发射“旅行者”行星探测器，先后共发射了30个行星探测器，分别对水星、金星、火星、木星、木卫一、木卫三、土星和土卫六的大气进行了探测。主要的探测方法是，高分辨率成像、红外遥感、紫外遥感、射电掩星和光偏振测量。有的行星探测器，还发射了围绕行星运动的轨道飞行器或穿过行星大气的沉降探测器。行星探测器的探测结果，大大加深了人们对行星大气的了解，促进了对行星大气的研究，形成了一门研究行星大气的新学科──行星大气物理学。

各行星大气成分如表。决定行星大气成分的主要因素为：行星本体及其大气的原始形成方式、行星放气、大气逃逸、光化学反应、大气与行星表面物质的化学反应、空间环境等。行星大气的温度剖面如图1和图2所示。类比地球，行星大气的分层，按热状态分为对流层、平流层、中间层、热层和外层（见高层大气结构）。类地行星处于辐射平衡状态，它们发射的红外辐射能量与所接收到的太阳辐射能量相等。类地行星大气的热状态由太阳辐射所控制。木星、土星、天王星、海王星所发射的红外辐射能量，分别为它们所接收到的太阳辐射能量的 1.9、2.2、1.2、2.8倍，表明这些行星大气的热状态与它们的内热源有关。行星大气对流上升运动，使部分气体成分达到过饱和状态，凝结成液体微滴或冻结成固体冰晶而形成云；行星大气中的光化学反应形成的气溶胶粒子也会形成云或霾。

由于各行星的大小，以及离太阳的距离差别很大，因此，各行星的大气状态也很不一样。

“水手”10号掩星分光测量和气辉分光测量结果表明，水星有一层极稀薄的大气。表面大气压不超过2×10-9毫巴，相当于地球大气 500公里高度的大气压力。已发现的大气成分有He、Ne、Ar、Xe、H、H2、O、CO、CO2、H2O等。水星大气的性质类似于地球大气的外层，大气粒子间几乎没有碰撞，各个粒子单独地作d道式轨道运动，速度大于逃逸速度4.2公里／秒的粒子能够脱离水星引力场的作用而进入行星际空间。水星自转慢，日夜两半球温差大。由“水手”10号红外辐射计所测到的红外亮度推算，表面（动力）温度极大值为700K，极小值为90K。几乎没有季节变化。水星反照率为0.056。在大气中偶然出现霾，其成因尚不能肯定。

金星有稠密的大气，表面气压约为地球表面气压的92倍。金星大气的主要成分是CO2，约占96％。通常把金星大气分为 3层：31～68公里为云层；31公里以下为低层大气；68公里以上为高层大气。金星大气有很强的温室效应，使得金星表面温度极高，约为750K（图2）。云底温度约为493K，云顶温度约为230K。高层大气温度的平均值约为285K，向阳面约为500K，背阳面约为100K。高层大气的温度有经向变化和纬向变化，云顶以下温度水平均一。

金星有很强的大气环流。高云围绕着金星作自东向西并偏向两极的运动，呈“墑”，平均风速约为100米/秒，周期为 4天。这种纬向东风环流与金星逆向自转有关。90公里以下的金星大气（主要是云层）吸收了大部分入射的太阳辐射，因吸收的不均匀，便造成90公里以下从赤道向极地的经向大气环流。金星表面层大气相当平静，风速只有0.4～0.7米／秒。

金星大气里有一层浓密的云，反照率为0.72，云滴主要是硫酸的水溶液。因为金星大气没有降水过程，所以金星云是长期存在的，并有垂直分层的结构。主云层分布在约48～68公里的高度。在主云层以上和以下还各有一层霾。金星大气中有频繁的放电现象。（见彩图）

比地球大气稀薄，表面大气压随位置和季节变化，平均为7.7毫巴，相当于地球大气 35公里高度处的压力。

火星大气平均温度随高度的分布，如图2所示。大气温度的周日变化幅度大，平均来说，表面温度日变化的极大值为289K，极小值为170K，这是因为大气稀薄，温室效应差的缘故。火星上四季长短不等，两半球热状况不对称，故大气温度存在季节变化和纬度变化。

火星大气环流与地球相似。冬半球中，高纬为西风带和气旋风暴。在20～30公里高度范围内西风急流为100～120米／秒。夏半球为风速小于7米／秒的东风带。表面风场受地形的控制，下午吹上坡风，半夜到黎明吹下滑的流泄风。另外，压力测量表明，火星大气有太阳热力潮汐运动。

火星大气有地方性和全球性两类尘暴。南半球夏季正值火星公转到近日点，一方面太阳辐射加热使大气变得不稳定，另一方面有极冠的干冰迅速升华带走热量。南极地区纬向温度梯度增大，产生大风，风速大于75米／秒的大风把沙尘吹起，形成地方性尘暴。当几个地方性尘暴合并发生时，大风迅速地把大量沙尘从南半球向北半球输运，遮盖整个火星达3周之久，这就是全球性尘暴。20世纪70年代火星上曾发生过5次全球性尘暴，1971年、1973年和1979年各发生一次，1977年发生过两次。

火星大气主要成分是CO2，占火星大气总体积的95％，其次是N2占2.7％。CO2和水汽的含量南北半球不对称，北纬40°以北水汽占总含量的一半以上，南纬40°以南水汽含量极少，极大值在北半球初夏。CO2和H2O在温度分别低于148K和196K的火星表面上变成固体，形成干冰和冰或霜。北极极冠就是由干冰和冰组成的，其范围最大时曾达到北纬50°。春季到来时，干冰和冰开始升华，极冠缩小，温度高于148K时只剩下脏的冰层，约1～1000米厚。南极极冠是由干冰组成的，范围最大时可延伸到南纬40°。

“先驱者”10号行星探测器探测到木星夜半球与日半球温度相同。木星大气温度剖面如图 1。木星大气可分为对流层、平流层、中间层和热层。对流层顶的大气压力约为100毫巴，温度为113K。平流层大气压力从100～0.1毫巴。平流层逆温是大气中CH4和C2H2等成分直接吸收太阳紫外辐射的结果。掩星测量已经发现中间层温度随高度升高略有降低，热层温度又重新升高。一般认为木星极地和赤道有同样的有效辐射温度。木星大气主要成分是H2，其次是 He，其比值和太阳成分相近。地面观测木星反照率为0.45。

云带、纬向气流、大红斑是木星外貌的主要特征。木星云存在于600毫巴以下的大气中，主要成分是NH3的冰晶。云顶呈现出平行于赤道的5条明带、4条暗带，按照传统的称呼，分别称为：赤道明带(EZ)、南热带明带(STrZ)、北热带明带(NTrZ)、南温带明带(STeZ)、北温带明带(NTeZ)、南赤道暗带(SEB)、北赤道暗带(NEB)、南温带暗带(STeB)和北温带暗带(NTeB)。云带反映出高层大气以纬向环流为主，是快速自转（周期为9小时55分29.7秒）所产生的强大科里奥利力的结果。风速在明暗带交界处较大。赤道明带和北纬23°附近的西风急流为150米／秒，南纬30°附近的西风急流为80米／秒。

1665年卡西尼 (G.D.Cassini)发现木星云顶处存在大红斑。其中心在23°S、105°W，东西长2.2万公里，南北宽1.1万公里，自转周期为6天。另外，还发现33°S有3个大白斑，41°S有几个小白斑，35°N有几个棕斑。它们都位于西风气流的北侧，从风切变中获得反气旋转动的能量。

在赤道明带的西风急流里，全球有十几个砧云，沿着赤道明带的北边缘向东运动，速度为100～120米／秒。砧云亮核直径达2000公里，代表中尺度的对流运动。小尺度对流产生直径为100～200公里的积云状结构。（见彩图）

土星大气的主要成分是 H2和 He。不同位置的大气温度剖面相似， 温度剖面分布如图1。气压在1200毫巴的高度处，大气温度约为143K;对流层顶70毫巴高度处，大气温度极小值为82K；平流层10毫巴高度处大气温度为100K，1毫巴高度上为140K。温度的升高是CH4、C2H2、C2H6、 PH3等直接吸收太阳辐射的结果。热层温度随高度的升高而升高。大气外层温度约800K。对流层上部和平流层下部温度剖面随季节和纬度的变化而变化。

土星有黄色光环和明暗相间的云结构。明暗带的名称与木星相同，所不同的是明暗带结构扩展到了更高的纬度。土星自转速度快（周期为10小时39分24秒），西风急流占明显优势，赤道地区最大风速达480米／秒;而各东风带风速较小，都小于50米／秒。

土星主云的主要成分是NH3冰晶。云层比木星厚。除主云外，在100～700毫巴高度范围里还有一层气溶胶粒子霾。土星反照率约为0.75。

远日行星是指天王星、海王星和冥王星。目前对远日行星大气的资料还很缺乏。地面分光观测认为天王星和海王星大气的主要成分是CH4和H2。在海王星大气中已发现 C2H6。目前还不知道冥王星是否有大气。

探测表明，太阳系行星卫星有些也有大气层，下面主要介绍土卫六大气。土卫六是土星17颗卫星中最大的一颗。土卫六表面大气压为1.5±0.1巴，比地球大气稠密。主要成分是N2，其次是CH4。表所给出来的Ar含量是从平均分子量28.6克／摩推算出来的。表面温度约为94K。CH4在土卫六大气中凝结形成云。“旅行者” 1号行星探测器在土卫六北极上空发现黑色蓬云。在约200公里和约300公里高的大气中分别有两层霾，是光化学产生的气溶胶粒子。高层大气以纬向环流运动为主。

此外，木卫一和木卫三也有稀薄的大气。木卫一上的活火山喷发速度为每秒几百米至1公里，喷发物高达几百公里，形成伞状砧云，并向西北方向扩散，喷发物是富硫物质，所以大气主要成分是SO2。木卫三大气主要成分是CH4和NH3。

参考书目

1. R.M.Goody and J.C.G.Walker，Atmospheres，Prentice-Hall，New Jersey，1972.
2. J.W.Chamberlian，Theory of Planetary Atmospheres，Academic Press，New York，1978.
3. К.я.Кондратьев，Μетеοpοлοгия ПлаНет，Изд. Ленинградского университета，Ленинград，1977.