大气层

韦伯空间望远镜全尺寸模型，2010年5月30日拍摄于纽约炮台公园。 CREDIT: NASA and STScI 如果地球是一颗围绕行遥远恒星的系外行星，那么我们该如何了解其大气成分？ 詹姆斯韦伯空间望远镜拥有测量数千种微弱红光到红外光（0.6到28.3微米；1微米=1m的一百万分之一）的能力，能够检测到水蒸气、二氧化碳、氧气、甲烷、以及地球大气层中其他分子的特征。 免责声明 首先，让我们明确一点：韦伯并不会观测地球。地球非常温暖，因此它会发出大量红外线，正是韦伯探测的波段。从160万公里外观测，地球的红外能量太高，会烧毁韦伯的探测器。更糟糕的是，由于韦伯绕轨道运行的方式，如果它要观测地球，它也必须直视太阳，这也会直接摧毁韦伯。 韦伯将观测到太阳系中更遥远的行星以及系外行星。其中一些系外行星可能与地球非常相似。 韦伯将一直背靠太阳和地球，看向远方。 CREDIT: NASA and STScI 我们为什么在意韦伯眼中的地球？ 尽管韦伯不会研究地球，但这样的设想很有意义。因为地球是我们进行比较的标准：我们对其他行星的了解要基于我们近距离对地球的研究。 我们知道火星上流淌的河流，因为火星上有山谷看起来跟地球上的一样。我们知道月球被岩石撞击，因为月球表面的坑看上去像撞击地球的陨石坑。我们发现金星的大气层主要有二氧化碳，这是根据对地球大气的观测和实验，通过实验我们了解了含有二氧化碳的大气“看起来”是什么样。当韦伯观测到可能具有类似地球大气的系外行星时，我们可以利用关于地球和其他行星大气的知识来解释这些观测结果。 地球的合成图像，来源于Suomi NPP卫星2012年1月的观测。 CREDIT: NASA/NOAA/GSFC/Suomi NPP/VIIRS/Norman Kuring 当我们问地球大气“看起来”什么样，是什么意思？ 实际上这是在讨论地球的透射光谱。从卫星上看地球，我们很容易就能看到云、尘埃、烟雾等等，它们是由反射太阳光的小颗粒组成的。大气中的气体基本上是人眼看不见的，但是因为对阳光的散射，如果我们观测地球地面与太空边界的可见光波段，就能辨认出一层薄薄的蓝色。 国际空间站2019年5月在太平洋上空黎明时看到的地球边缘。我们能看见这层光是因为气体分子会散射、吸收、折射阳光。 CREDIT: ISS Expedition 59 Crew, NASA 对于系外行星来说，它们太小太远，就算韦伯功能强大，它也无法获得如此详细的图像。而且韦伯的观测范围是红光到红外光，并非可见光。即使它近距离观测地球，看到的也是地球在这些波段下的样子。 不过，当地球凌日时，韦伯能够探测到穿过地球大气层的阳光并精确地测出每个波长的强度。这些数据可以绘制成地球的透射光谱。 当行星经过恒星前方，望远镜会收集穿过行星大气层的星光。韦伯将测量光谱中每个波长的强度。 CREDIT: STScI 韦伯眼里的地球透射光谱是什么样？ 下图代表了经过地球大气层过滤的太阳光光谱的样子。横轴是波长，对应光的颜色，纵轴是光的强度。值得注意的是，强度从上到下增加，即波峰代表强度弱。 类地系外行星的红色至中红外（0.6-28微米）的透射光谱。 CREDIT: Model data from T. Robinson, NAU 透射光谱可以帮助我们了解行星大气层的组成。 尽管人眼看不见构成地球大气层的气体，但大气层并不是完全透明的。在微观尺度上，许多波长的光都被大大小小的尘埃颗粒或原子分子阻挡。透射光谱显示了每个波长的光具体被阻挡了多少。 更重要的是，通过透射光谱我们可以确定哪些气体阻挡了光，从而确定大气的构成。从实验中，我们知道不同类型的原子和分子吸收某些特定波长的光。每种气体对应着独特的吸收光谱，可以作为识别它的“特征”或“指纹”。而大气的透射光谱基本上是各种吸收光谱的叠加。通过识别分析这些特征，便可以推断出构成大气的气体以及其相对丰度。 峰值展示了被吸收的波段，对应着大气中各种气体的证据。 CREDIT:Model data from T. Robinson, NAU 透射光谱揭示了地球大气中存在水蒸气、二氧化碳、氧气、臭氧、甲烷、还有许多其他分子。虽然韦伯无法直接探测到地球上的生命，但它表明地球大气中含有水、二氧化碳、氧气、臭氧等这些能使我们所认知的生命存在的基本成分。 当然，我们对地球大气已经非常了解了，用不着用太空望远镜的透射光谱来分析。但是如果研究遥远的系外行星，透射光谱将是我们分析行星大气的主要方法，这也是我们确定系外行星大气是否可能有利于生命的主要方法。 如果我们通过模型了解韦伯眼里的地球透射光谱是什么样，这将有利于以后的比较。我们对大气层与地球相似的行星特别感兴趣，这些类地行星可能是可居住甚至有“人”居住的。韦伯以及未来的太空望远镜会找到更多监拥有与地球相似的大气层的行星。我们是孤独存在的么？也许将来，这个问题会有答案。

美国国家航空航天局（NASA）的两架太空望远镜（哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜）共同协作，首次识别出一个大小介于地球和海王星之间的行星的详细化学“指纹”。在太阳系中找不到这样的行星，但它们在其他恒星周围却很常见。 这幅画家笔下的插图展示了系外行星GJ 3470 b理论上的内部结构，它不同于太阳系中发现的任何行星。这颗行星的质量是地球的12.6倍，比地球大，但比海王星小。与距离太阳30亿英里的海王星不同，GJ 3470 b可能是在距离其红矮星非常近的地方形成的一个干燥的岩石天体。然后在引力的作用下，它将氢气和氦气从环恒星盘中吸附过来，形成了一个较厚的大气层。该环恒星盘在数十亿年前就消散了，行星也停止了生长。下方的插图显示了环恒星盘系统很久以前可能的模样。NASA的哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜对GJ 3470 b清澈且厚实的大气的组成进行了化学分析，发现了关于该行星起源的线索。在我们的星系中存在许多这种质量的行星。 版权：NASA、欧洲航天局（ESA）和L. Hustak（太空望远镜科学研究所，Space Telescope Science Institute，缩写为STScI） Gliese 3470 b 行星（也被称为GJ 3470 b），大小介于地球和海王星之间，有一个巨大的岩石内核深埋在氢和氦的高压大气中。该行星的重量等同于地球质量的12.6倍，比地球大，但比海王星小（海王星质量大于地球质量的17倍）。 NASA的开普勒太空望远镜发现了许多类似的星球，该望远镜的任务于2018年结束。事实上，我们星系中80%的行星可能都落在这个质量范围内。然而，研究人员表示，直到现在天文学家才能够了解这样一颗行星的化学性质 通过列出GJ 3470 b大气层含量的清单，天文学家们可以发现关于这颗行星的性质及起源的线索。 加拿大蒙特利尔大学的比约恩•本内克（Björn Benneke）表示：“从行星形成的角度来看，这是一个重大发现。该行星的轨道离恒星非常近，质量远远小于木星（木星质量是地球质量的318倍），但它成功地累积了原始的氢/氦大气，这些大气基本上没有受到较重元素的污染。太阳系里没有这样的天体，而这就是它引人注目之处。” 天文学家利用NASA的哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜的多波长综合能力，对GJ 3470 b的大气层进行了首次研究。 研究通过测量GJ 3470 b行星经过其宿主恒星前方（凌日）时的星光吸收以及行星经过其宿主恒星后方（日食）时的反射光损失来实现。太空望远镜总共观测到12次凌日和20次日食。基于光分析化学指纹的科学被称为“光谱学”。 Benneke表示：“这是我们第一次得到关于这样一个星球的光谱特征。”但他不知道该如何对该星球进行分类，它是应该被称为“超级地球”还是“亚海王星”？或者其他什么名称? 凑巧的是，GJ 3470 b行星的大气层基本是清澈的，只有稀薄的薄雾，这使得科学家们能够对大气层进行深入探测。 [rml_read_more] Benneke说：“我们预计大气层中含有大量较重元素，如氧和碳，它们正在形成丰富的水蒸气和甲烷气体，正如我们在海王星上所发现的那样。相反地，我们实际上发现大气中重元素含量其实非常低，其构成类似于太阳富含氢/氦的构成。” 其他被称为“热木星”（Hot Jupiter）的系外行星被认为是在离其宿主恒星很远的地方形成的，随着时间的推移，它们会逐渐迁移到离宿主恒星更近的地方。但Benneke表示，这颗行星似乎就是在其当今所处位置上形成的。 根据Benneke的说法，最合理的解释是GJ 3470 b诞生于其红矮星附近，该红矮星的质量大约是太阳的一半。他假设，GJ 3470 刚开始的时候本质上是一块干燥的岩石，在其宿主恒星非常年轻的时候从原始的气体盘中迅速地吸收了氢。该圆盘被称为“原行星盘”。 Benneke表示：“我们发现的这个天体能够从原行星盘中吸收氢，但并没有发展成一颗热木星。这是一个非常有趣的体系。” Benneke说：“一种可能的解释是，在行星进一步膨胀之前，该圆盘就已经消散了。因此这颗行星停止生长而成为了一颗亚海王星。” NASA即将发射的詹姆斯•韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将能够探测到GJ 3470 b更深处的大气层，这要归功于詹姆斯•韦伯太空望远镜对红外线的空前敏感度。研究詹姆斯•韦伯太空望远镜上仪器的美国和加拿大团队已经对这一新发现已经产生了极大兴趣。他们将对GJ 3470 b在大气雾霭变得越来越透明的波长下的凌日和日食进行观测。 哈勃太空望远镜是NASA和ESA合作的一个国际项目。NASA位于美国马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理哈勃太空望远镜。位于美国马里兰州巴尔的摩市的太空望远镜科学研究所负责哈勃太空望远镜的科学运作。STScI是由位于华盛顿特区的联合大学天文学研究机构为NASA进行运作。 位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室为位于华盛顿特区的NASA科学任务理事会管理斯皮策太空望远镜任务。位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院的斯皮策科学中心负责科学运作。太空行动总部设在科罗拉多州利特尔顿的洛克希德•马丁航天航天系统公司。数据存档于加州理工学院红外线过程分析研究中心（IPAC）的红外科学档案馆。加州理工学院为NASA管理喷气推进实验室。 来源：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/atmosphere-of-mid-size-planet-revealed-by-hubble-and-spitzer