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焦热光:奇妙的地球大气

作者:焦热光 (LASG国家重点实验室博士研究生)

  北京时间2015724日凌晨 ,美国国家航空航天局(NASA)发布消息,开普勒太空望远镜在距离地球1400光年的天鹅座发现了地球的“大表哥”----开普勒-452b, 其直径比地球大60% ,公转周期为385天。迄今为止人类已经发现了几十颗类地行星,而开普勒-452b之所以被形容为“地球2.0”,很大程度上是因为它环绕的恒星和太阳也相似,这颗恒星的质量只比太阳大4%,直径比太阳大10%,比太阳明亮20% 

 

    

  令科学家兴奋的是从恒星大小和距离综合考虑,开普勒-452b很可能经历了和地球相似的演化过程,这也是NASA定义其地球相似指数为0.98的原因,但是由于距离太远,对开普勒-452b的大气成分、气候状况等尚无法确定,因此有人认为NASA此次发布有忽悠大众的嫌疑。     

  从地球化学角度,地球是太阳系中的特殊成员,不光是有液态水,还有很干净的大气层。干洁大气中占体积78%的是氮气,21%的是氧气,两者加起来占99%,剩下的体积中稀有气体占0.94%(其中绝大部分是氩气)、二氧化碳占0.03%、其他气体和杂质占0.03% 

    

  地球大气中的氧气主要来源于植物的光合作用,并保持相对平衡。氮气和氧气就像两个暴君,以纯分子态几乎霸占了100公里高度以下大气绝大部分体积,其他物质在大气中就像匆匆过客,靠的是什么呢?原来它们靠的是紫外光和自由基(OH等)。    

  大气中的气体对太阳光能量有选择吸收作用,其中紫外光的波长短,足以把共价键打碎,产生原子氧,或者打开氢键,或者使让原子失去电子,剩下称为自由基的东西,自由基和原子氧就像精力旺盛的暴徒,由于外层电子轨道没有充满,它们急急火火去寻找抢劫的对象,这就是大气光化学反应。    

  工业革命以来,随着能源需求攀升和汽车数量增长,人类向大气中排放的CO2SO2、氮氧化物、挥发性有机物等气体越来越多,原来比较纯净大气的化学成分越来越复杂,如果把污染大气中的化学物质列出来,小伙伴们一定会惊呆了:原来大气中有这么多东西啊。不过在太阳辐射和自由基的作用下,就像煲汤一样,各种物质逐渐被氧化、传输,最后稳定下来凝聚成细颗粒物,这是空气中细颗粒物PM2.5的重要来源,最终细颗粒物通过干沉降或雨水冲涮作用,从大气中被清除出去。    

  地球大气中富含的氧气使得地球大气成为氧化性大气,加上太阳辐射的作用,通过光化学反应,使得一些有害元素在大气中不能长久停留,而只能成为过客,地球大气就像一位内功深厚的武林高手, 练就了光化学反应这门绝世武功,从而百毒不侵。虽然如此,治理大气污染也不能放松,毕竟几千年来人类只适应了纯净大气的成份,长期暴露于污染大气中对人体健康是有害的。 

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