从韦伯望远镜看，地球大气层会是什么样子？

如果地球是一颗围绕遥远恒星运行的系外行星，那么我们能发现它大气层的组成吗？

凭借收集和测量数千种微弱红色和红外光的能力，韦伯将能够检测出构成地球大气层的水蒸气，二氧化碳，氧气，甲烷和许多其他分子的明确证据。

免责声明

韦伯L2轨道示意图扩大

韦伯将永远远离太阳和地球。图片来源：STScI 在资源库中获取完整的轨道图形

韦伯不会研究地球。

首先，让我们明确一点：詹姆斯·韦伯太空望远镜不会观测地球。地球非常温暖，所以它发射出大量的红外能量——韦伯被设计用来探测的光的类型。从一百万英里的距离来看，地球在红外线中显得如此明亮，以至于它很快就会烧毁韦伯的探测器。更糟糕的是，由于韦伯的轨道，如果它要看地球，它也将直接盯着太阳。这将立即摧毁望远镜。

韦伯不会观察地球，但它将观察太阳系中更遥远的行星以及围绕其他恒星运行的系外行星。其中一些系外行星可能与地球非常相似。

我们为什么关心韦伯的地球会是什么样子？

地球是我们比较的标准。

虽然韦伯不会研究地球，但想想如果它像地球一样观察一颗行星，它会看到什么是很有用的。地球是我们用来比较的标准：我们对其他行星的理解是基于我们从近距离研究地球中了解到的。

我们知道河流在火星上流动，因为有些山谷看起来像地球上的河谷。我们知道岩石已经撞上了月球，因为它被看起来像地球上撞击坑的圆洞所覆盖。我们发现金星的大气层主要是二氧化碳（CO2）基于对地球大气层的观测和实验室实验，这些实验显示了大气中二氧化碳气体的“样子”。

当韦伯观察到我们认为可能具有类似地球大气层的系外行星时，我们将使用我们已经知道的关于地球大气层（以及太阳系中其他行星的大气层）的组成和结构的知识来解释观测结果。

2012年1月从Suomi NPP卫星上看到的地球合成图像。地球是我们了解其他行星的标准。图片来源：NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring

当我们问地球大气层的“样子”是什么样子“时，我们指的是什么？

我们实际上是在谈论地球的传输频谱。
如果我们从卫星上看地球，我们可以很容易地看到云，尘埃，烟雾和灰烬等东西，它们是由反射阳光的小颗粒组成的。大气层的气体部分基本上是人眼看不见的，但是如果我们看一下地球的边缘 – 地面和空间之间的边界 – 我们可以分辨出一层薄薄的朦胧蓝色层，因为它散射阳光的方式。

然而，尽管韦伯功能强大，但它不会提供这样的图像。系外行星太小了，太远了，无法如此详细地成像。此外，韦伯将观察红光和红外光，而不是可见光：即使它可以近距离观察地球，它也会捕捉到不同的细节。

然而，韦伯能够探测到的是，当地球凌日或在太阳前方行进时，穿过地球大气层的阳光。更好的是，韦伯将能够分散这些光，以测量穿过大气层的红色和红外光的单个颜色或波长的精确数量。然后可以将数据绘制在图表上以显示地球的透射光谱。

2019年5月拂晓时分从国际空间站看到的地球肢体。构成大气层的薄层气体是可见的，因为气体分子散射，吸收和折射阳光。图片来源：ISS Expedition 59 Crew，NASA

当一颗行星凌日它的恒星时，望远镜可以收集通过行星大气层传输的星光。韦伯将拥有将这种光扩散到光谱中的仪器，以测量每个波长光的亮度。然后将数据绘制在图形上。图片来源：STScI

韦伯的地球传输频谱会是什么样子？

通过地球大气层过滤的阳光图将如下所示：

该图显示了通过地球大气层的每个波长的光的相对数量。请注意，光量从上到下增加：谷值表示光线较多，峰值表示较少。

类地系外行星的红色至中红外透射光谱。该图显示了穿过大气层的每个波长的太阳光的量。图片来源：模型数据来自T. Robinson，NAU

传输频谱有何用处？

透射频谱有助于我们弄清楚大气层是由什么组成的。

如果您喜欢可视化数据，传输频谱的图形本身就非常吸引人。但是，传输频谱真正重要的是它能告诉我们关于大气层的信息。

虽然构成地球大气层的气体对人眼来说是看不见的，但大气层并不是完全透明的。在微观尺度上，许多波长的光被阻挡，不仅被构成云和尘埃等物质的大颗粒阻挡，还被构成气体的单个原子和分子阻挡。透射光谱显示每个波长的太阳光被阻挡了多少，这是人眼无法辨别的细节。

更重要的是，透射光谱可以用来准确地找出哪些气体阻挡了光线，从而弄清楚大气是由什么组成的。我们从实验室实验中知道，不同类型的原子和分子吸收不同的波长组合：每种气体都有一个独特的吸收光谱，一个可以用来识别它的“特征”或“指纹”。大气的透射光谱基本上是彼此叠加的许多不同吸收光谱的总和。通过分析被阻挡的颜色的组合模式，我们可以推断出构成大气层的气体以及每种气体的相对丰度。

地球的透射光谱揭示了水蒸气的存在（H2O）、二氧化碳2）、氧气（O2）、臭氧（O3），甲烷（CH）4），以及大气中的许多其他分子。韦伯将无法探测到地球上的生命本身，但它将表明地球的大气层含有水，二氧化碳，氧气和臭氧等基本成分。

詹姆斯·韦伯太空望远镜从40光年的距离观察的类地系外行星的透射光谱。该图显示了Webb将检测到的红光和近红外光（0.6-28微米）波长的阻挡光的相对量。图表上的峰值是大气中各种气体的证据。水，二氧化碳，氧气和臭氧对地球上的生命都是必不可少的。具有这种透射光谱的系外行星可能是可居住的，甚至是有人居住的。注意：天文学家通常将此类图形上的y轴标记为“凌日深度”。有时，透射光谱以亮度或穿过大气层的光量表示。像这样的图表看起来完全相同，但颠倒了：用谷值而不是峰值。图片来源：模型数据来自T. Robinson，NAU

当然，我们已经知道地球的大气层含有水，二氧化碳，氧气，臭氧和甲烷（以及其他气体，如氮气和氩气）。我们不需要来自太空望远镜的透射光谱来分析地球大气层;我们可以收集空气样本并在实验室中对其进行分析。

但是当涉及到系外行星时，我们依靠远程观测。 透射光谱将是我们分析行星大气层的主要方法，这是我们确定遥远的系外行星是否具有有利于生命的大气层的主要方法。

如果我们知道韦伯的地球传输频谱会是什么样子，我们可以用它来进行比较。如果我们对大气层与地球相似的行星特别感兴趣——这些行星可能是可居住的，甚至是有人居住的——那么了解地球的透射光谱是什么样子的，有助于我们计划观测，解释结果，有朝一日（在其他未来望远镜的帮助下）回答这个问题：我们是孤独的吗？

本文由奇点天文作者上传并发布，奇点天文仅提供文章投稿展示，文章仅代表作者个人观点，不代表奇点天文立场。