水星上最早的大气层

水星是一颗最不寻常的行星。 太阳系中最小的行星，也是离太阳最近的行星，以3：2的自转共振，缓慢转动，经历高达摄氏430度的高温，而夜间则寒冷至摄氏零下170度。 由于它含铁的内核比地球大得多，因此它的平均密度在太阳系中排名第二，仅比地球低1.5%。 尽管靠近太阳，但出人意料地发现水星表面含有丰富的钠和硫等挥发性元素。

值得注意的是，这颗行星分为含有丰富铁的地核和岩石地幔（地核和地壳之间的地质区域），这显示水星在它形成早期就有岩浆
海洋。 像任何液体一样，这片海洋会蒸发，但在水星的情况下，温度可能如此之高，以至于蒸汽不是由水组成，而是由岩石组成。 在一项新研究中，诺亚·杰吉（Noah Jäggi）团队模拟岩浆海洋表面的蒸发如何形成大气，并确定大气的损失是否会改变水星的成分，解决了一个悬而未决的问题，即为什么适度挥发元素就像钠会积累在水星表面一样。

美国亚利桑那州立大学地球与太空探索学院院长林迪·埃尔金斯-坦顿（Lindy Elkins-Tanton）解释，早期的行星岩浆海洋并不罕见。 我们认为所有的岩石行星在形成时都有一个或多个（可能是几个）岩浆海洋。 在行星形成结束时吸积的影响就是那么有能量;它们会将行星融化到一定程度。

早期的太阳系是一个崎岖而活跃的地方，到处都是飞石、大规模的碰撞和猛烈的轰击。 这些事件产生的热量，加上放射性衰变和水星含铁的核心，在重力环境产生的热量，使行星的表面和内部保持熔融状态。 模拟发现，这些过程导致表面温度上升到大约2，400 K。 蒸发然后大气损失会改变水星的构成吗？

杰吉团队假设水星有两种初始尺寸，一种比今天的更大，正如一些科学家假设的那样，以及四种可能的岩浆海洋成分。 二氧化碳、一氧化碳、氢气 （H2） 和水等挥发性物质溶解在岩浆中，当压力释放时会以气体形式逸出。 硅、钠或铁等相对不易挥发的造岩元素只能存在于早期岩浆海洋中的非常高的温度下以气体形式存在，例如一氧化硅（SiO）。 挥发性和非挥发性气体物质之间的区别在于，对于特定的温度，挥发性物质的平衡蒸气压比非挥发性物质大得多。 这是当两者共存时大气在大气-岩浆表面施加的压力。
研究小组运行一个耦合的内部大气模型，以确定从海洋蒸发到大气中的影响，并在考虑了大气化学和物理过程后，由此产生的质量从大气流失到太空或返回

地球。 与此同时，地球正在冷却。 液态岩浆在1，700 K开始结晶，杰吉使用的1，500 K成为地表熔体寿命的一个很好的近似值，并为水星岩浆海洋造成的质量损失设定终点。在挥发性和非挥发性的情况下，岩浆海洋蒸发以供应大气。 分子可以通过以下四种方式之一逃离大气层，带电粒子的太阳风产生的等离子体加热;大气物质从极高能量的太阳光子（例如来自太阳在高层大气深处的 X 射线和紫外线光子）光蒸发，产生气体外流（也称为流体动力学逃逸）;金斯逃逸（Jeans escape），特别是高海拔、高速、低质量的分子在遇到另一次分子碰撞之前从大气层顶部拉出;和光电离， 其中高能光子产生通过各种方式逃逸的离子。

该团队的模型发现，在四种潜在的逃逸机制中，金斯逃逸可以忽略不计，其它导致质量损失从每秒一百万到四十亿公斤不等，这取决于水星形成的时间和对加热效率的假设。 杰吉指出，其中较高的范围来自流体动力学逃逸，从微不足道到占主导地位，这取决于大气物种加热的效率以及早期太阳产生和传递的辐射量。

但重要的是，发现测试的两种截然不同的大气（挥发性和非挥发性）的总质量损失非常相似。 鉴于质量损失，该模型得出的有效内部大气化学交换的时间尺度不到一万年，这意味着大气逃逸过程仅占水星初始质量的0.3%左右，或者不到2.3公里的地壳。 （水星现在的半径是 2，440公里） 因此，在岩浆海洋阶段，累积质量损失似乎并未显著改变水星的大块地幔成分。 因此，取决于诱发的温室效应的冷却时间决定在岩浆海洋的生命周期中损失了多少物质。

杰吉说，除了流体动力学逃逸之外，水星造成的大气总质量损失微不足道，这令人惊讶。 它告诉我们，水星表面的高钠测量值必须更多，因为考虑到我们模拟的损失率和岩浆海洋寿命，它们不会大量积累或损失。 结果可以扩展到月球，这是一颗系外行星或类地行星，它始于热岩浆阶段，其构建块提供了不稳定的情况。

【图：美国太空总署 ;文：节译自物理学机构网页】研究全文刊登在2021年11月17日出版的《行星科学》期刊 标题是： Evolution of Mercury ‘ s Earliest Atmosphere

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