太阳风侵蚀

太阳能风蚀是一种非热逸形式，由太阳风粒子而不是EUV光子提供能量。日冕基本上是太阳的外逸层，太阳风只不过是太阳大气的水动力逃逸，主要是氢电离成质子。这种机制是普遍的，几乎适用于所有的恒星，尽管我们不打算在这里讨论恒星风的特征如何因恒星而异，也不打算讨论恒星风的方式风的变化在恒星的生命周期中。

太阳风几乎完全由质子组成(95这可能是所有的情况主序星星。太阳风粒子能量极高;它们以300英里/小时的速度飞出去

600km /s甚至更多，能量在8•10-17 J和3.2•10-16 J之间。太阳风非常微弱;在地球轨道上，它的密度高达每立方米107个粒子，导致粒子通量为4•1012/m2，尽管它也会波动到低至十分之一的值。其他轨道上的通量可以用平方反比定律估计。太阳风的能量通量在地球轨道上是10-3W/m2的数量级，这与总EUV能量通量相当。当恒星年轻时，恒星风更强，并随着时间的推移而减弱，最明显的衰减发生在恒星形成的前十亿年，比如太阳这样的G级恒星。时间演化的确切性质还没有最终确定，并且与许多决定EUV输出长期演化的相同问题有关。

严格地根据能量的考虑，太阳风似乎有可能对地球或金星这样大质量的行星造成大量的大气侵蚀，对火星来说更是如此。一个氧原子从地球或金星逃逸的能量约为1.7•10-18J，因此如果能进行最佳部署，一个太阳风质子就有足够的能量击散大约120个氧原子。考虑到太阳风质子的通量(减少了四分之一，以便在行星表面平均)，这将导致金星在10亿年的时间内损失20个巴的氧气，或大约是太阳风通量较弱的地球的一半。对于金星来说，即使是这个上限也只足以去除200米深的海洋中的氧气。地球的氧气损失估计只与大气明显含氧后的时间有关，但它确实表明，太阳风侵蚀不能先验地排除为大气演化的一个因素。在火星上，我们主要感兴趣的是可能导致稠密的原始二氧化碳大气消失的过程;火星轨道上的太阳风通量较低，但逃逸能量较小。一项纯能量的估计表明，太阳风侵蚀可能会在10亿年的时间里导致8巴二氧化碳的损失，这足以让火星保持目前的状态。

然而，有许多因素极大地限制了与太阳风质子碰撞直接侵蚀大气中较重物质的能力。第一个是，在质子与较重粒子的碰撞中，只有一小部分的质子能量被转移重粒子。在直线碰撞中，质量为m1的轻粒子与质量为m2的静止重粒子碰撞时的能量和动量守恒意味着入射分数能量转移重质种只有4(m1/m2)。对于与二氧化碳碰撞的质子，这一比例约为10%。此外，轻质子在碰撞时方向会发生逆转，因此在导致额外的逃逸之前就倾向于逃离行星的引力。由于典型的太阳风质子有足够的能量导致217个二氧化碳分子逃离火星，即使是有限的能量沉积也能导致近22个分子逃逸，但前提是二氧化碳或其成分与其余大气的碰撞导致100%的有效逃逸。这是一个不现实的上限，因为后续碰撞的大部分能量将在多次碰撞中损失，仅仅是使大气变热一点。因此，如果太阳风质子能够与火星大气相撞，那么在10亿年间二氧化碳的实际损失将在0.8巴到0.08巴之间。前者，基于上限，仍然是重要的，但后者将把太阳风侵蚀降级为一个次要角色。类似的考虑降低了从地球到金星的氧气损失的估计值。

事实上，行星和太阳电磁场的影响使这个问题变得更加复杂。对于具有强行星磁场的行星，如地球，行星磁场非常有效地保护大气免受太阳风质子的撞击，并将侵蚀限制在较小的值。土卫六本身没有磁场，但当它处于土星磁场造成的太阳风阴影中时，它在运行轨道的部分过程中受益于土星磁场的屏蔽。同样的现象可能普遍适用于围绕气体巨星运行的卫星。

金星基本上没有行星磁场，而火星只有一个非常微弱的磁场，这是由地壳的残余磁化引起的。然而，外层大气中电离物质的积累仍然会导致电磁场，足以偏转大多数入射质子，并阻止它们与大气发生显著的相互作用。由于这个原因，与质子的直接碰撞通常不被认为是重物质侵蚀的重要来源，即使对于像火星或金星这样的非磁化行星也是如此。

较重的离子受磁场的偏转较小，因此可以更深入地渗透到大气中。与重离子的碰撞也更有效传递能量重的物种。因此，在太阳风侵蚀中起最大作用的不是太阳风本身，而是太阳风对重离子的二次加速。这就是事情变得复杂的地方。首先，你需要大量的电离物质;这些是由EUV通量电离产生的。在火星和金星早期，主要的重离子是电离的氧原子，在火星的情况下来自于二氧化碳的分解，在金星早期的情况下来自于水的分解，如果行星处于失控状态。第二步是将氧离子加速到可以逃逸的能量。这一步不是通过与太阳风质子的碰撞来完成的，而是通过太阳风携带的电磁场施加的力来完成的。能量最终仍然来自太阳风的能量，但它是通过大规模电磁相互作用的中介传递的。确定重离子的通量和能量所需的计算非常复杂，因为它们需要太阳风电磁场的模型，以及对注入该场的大量离子簇的跟踪。 The final stage of the problem is figuring out what happens when an accelerated oxygen ion collides with the atmosphere. When the shower of ions hits the atmosphere, a certain fraction of the target will splashed out backward with sufficient energy to escape the gravitational well. This process is known as sputtering. Sputtering is not nearly 100% efficient at converting incident energy to escaping particles, and the computation of sputtering efficiency is difficult, depending, among other things, on the degree to which the collisions cause the target molecules to dissociate.

由于这种计算的复杂性和相当大的不确定性，令人遗憾的是，我们无法指导读者对太阳风侵蚀造成的实际可能质量损失进行任何简单可靠的估计;这是专家和行家的课题，但也是非常重要的课题。本章“进一步阅读”部分所引用的文章将对这一主题提供一些介绍，以及迄今为止出现的数字范围。大多数关于太阳风溅射导致的火星二氧化碳损失的估计表明，以这种方式损失了0.1到0.2巴，尽管卡斯和杨的计算有些争议，认为这个数字高达1巴。因此，太阳风侵蚀似乎是原始火星稠密大气丧失的潜在重要因素，但普遍的看法是，大部分的质量损失必须通过其他方式发生(可能是撞击侵蚀，稍后讨论)。太阳风侵蚀似乎不能为失控状态下的氢或氧提供一个可行的质量损失机制，尽管金星离太阳很近，甚至假设早期的金星，就像今天一样，没有行星磁场。太阳风侵蚀可能导致金星海洋消失的唯一情况是，金星海洋消失发生在太阳系生命的头1亿年，据推测，在这段时间里，太阳风的强度可能是今天的1000多倍。即使这样，损失也不是通过直接侵蚀或溅射发生的，而是通过提供足够的额外加热引起氢的流体动力学逃逸，以足够的速度将氧气拖在一起。这种机制与水动力逃逸更相似，太阳风取代了EUV作为能源，然后它与火星上讨论过的溅射机制有关。地球磁场的屏蔽效应将太阳风侵蚀限制在非常小的值，因此它不是一个主要因素大气演化为地球。

就像由其他过程驱动的逃逸一样，由太阳风相互作用驱动的重物质逃逸的涓涓细流与今天观测到的外行星大气结构有关的丰富多样的有趣问题有关。这些问题中的许多在解释过去大气演化的大气同位素组成方面都很重要。然而，就本书的目的而言，我们主要感兴趣的是那些造成足够多的逸出，从而实质性地影响行星气候或宜居性演变的机制。raybet雷竞技最新在这一点上，我们能提供的最好的指导方针是，对于围绕太阳这样的g级恒星运行的天体，应该记住太阳风侵蚀是火星大小或更小的天体气候演化的一个重要因素，这些天体不受行星磁场的保护。raybet雷竞技最新m矮星虽然温度很低，但其恒星风通量比太阳高得多，因此可以从较大的天体中维持大量的大气逃逸，特别是当它们在近轨道上时。

继续阅读:影响侵蚀

这篇文章有用吗?

＋３ 0