太空是真空,为什么地球大气却没有被吸走?爱因斯坦又怎么解释?

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地球有一个厚厚的大气层,地表的大气压相当于每平方厘米一千克力,当然在八大行星中大气层并非地球独有,比如金星就有一个气压超过地球将近90倍的大气层,从地球的一个大气压到金星的90个大气压,再到“木星”们的数千个甚至更高的大气压,但真空大气压几乎就是零,这么高压力

地球有一个厚厚的大气层,地表的大气压相当于每平方厘米一千克力,当然在八大行星中大气层并非地球独有,比如金星就有一个气压超过地球将近90倍的大气层,从地球的一个大气压到金星的90个大气压,再到“木星”们的数千个甚至更高的大气压,但真空大气压几乎就是零,这么高压力的大气为什么没有被真空吸走?

天体为什么能吸引住大气?

古希腊人认为,世界由土、水、气和火四种元素所组成,四种元素中,土和水比较重,其天然处所在下因而它们有向下的天然运动;气和火比较轻,其天然处所在上,因而它们有向上的天然运动!

这是古希腊人早期对于物质的理解,其实这也将引力也混淆在内了,但对于引力的概念,一直到1500多年以后的开普勒发现行星三大运动定律,都还没有搞清楚天体为什么是这样运行!在牛顿搞清楚了万有引力后,所有的天体运动才变得明朗起来!

而且开普勒行星三大定律可以通过万有引力推导出来而降格为定理,当然这不是坏事,因为人类认识了更深层次的科学!

天体的环绕与逃逸速度,如何才能逃离地球?

牛顿发现万有引力后他就已经考虑过怎么样离开地球了,因为地球是一个球体,那么只要以足够高的速度在地球上运动时,其圆周圆周运动产生的“离心力”就可以等于甚至超过重力,实现环绕地球运动而不落回地球上!

当然现实是必须在一定高度绕行,否则大气层产生的阻力会非常大,无法保持这个速度!因此由这个“离心力”=引力的公式,可以简单推导出第一宇宙速度,也就是环绕速度是理想状态下,不考虑大气阻力的速度!继续加大速度则可以达到第二宇宙速度!实际操作大都是火箭快速送上高空离开大气层,同时达到第一宇宙是速度。

分子运动论

知道引力和第一宇宙速度,就能明白大气压那么高却不会逃入太空了吗?其实还不行,因为只能用万有引力解释气体被吸引在地球上不够直观,为什么氢气就容易逃逸,而氧气则会留在地球上呢?

十九世纪是热质说向分子热运动论的重大转变过程,科学界渐渐接受了温度其实是微观粒子的运动在宏观的表现,科学家对气体运动的研究,也了解了我们看到的乖乖的气体,其实都在不断运动中,而且速度还不小!

氢氧分子的运动速度

这些气体在分子因为运动速度很高,所以它们都很活泼,而且在地球大气层中,除了对流引起的风和气旋等运动外,还会受到太阳辐射的轰击,这会让它们的原子获得极高的速度,最终将超过地球的环绕速度甚至逃逸速度,慢慢向太空逃逸!地球大气层中就有一个逸散层,这里的大气原子都因轰击在高速运动中,所以它们的温度很高,也非常容易逃逸!

地球上每年都会因为这种状况向太空逃逸几十万吨大气,当然也不需要担心某天大气会跑光,因为在磁场的保护下,这个逃逸量还不足以改变地球的大气环境,因为地球大气总量高达6000万亿吨,而每年从太空进入地球的水和其它物质也高达几十万吨,这些物质的其中部分也会补充大气,即使不补充,大气层也跑不光,所以各位还是不必过于担心!

广义相对论下的引力与时空

其实在牛顿万有引力中解释地球为什么会吸引住大气,为什么又有大气从地球逃逸是完全没有问题的,但对于普通人来说完全不够直观,因为需要理解一个天体引力的过程,但很多朋友仍然无法理解一个气球为什么在真空中不会散开!因此我们在这里引用一个广义相对论的引力概念,大家一看就明白了!

1859年法国数学家勒维耶在计算水星轨道时发现其观测值和计算值有一个每百年38"的误差,当时以为在水星和太阳之间还存在一颗行星,并且将其命名为祝融星,但很显然不存在这颗行星,所以找寻没有任何结果!

1916年爱因斯坦独立完成的广义相对论发表,以引力弯曲空间的全新方式解释了引力,广相认为引力是质量在时空中的,当质量在弯曲空间中运行时,它的表现方式会和牛顿万有引力的平直时空存在很大的差异!

广相下的时空

为什么金星和地球等其他行星计算时没有那么大误差呢?那时因为这些天体距离太阳足够远,产生的误差已经可以到忽略的程度,因此只有在水星轨道的近日点时产生的误差才足以让勒维耶发现!也许这就是我们的幸运,假如水星轨道距离足够远,那么爱因斯坦广相验证的方式也许要晚上好多年!

水星轨道示意图

引力弯曲空间

更准确的说引力弯曲的不只是空间,而是时空,因为在空间弯曲的同时时间也被改变了,在三维空间中的引力弯曲其实不太好理解,但好歹也要试图理解下!

质量在时空中运动产生的影响

质量会对周围的时空产生非常大的影响,质量越大,扭曲越夸张,一直到一个黑洞产生,在其视界内产生到现在科学家都不知道的扭曲级别,这一点在三维空间中的二维平面上表现是最容易理解的!

引力弯曲时空的简单示意

中心质点就相当于行星,周围的凹陷就是时空,而丢出去的那个小球就是卫星,它的运动方式是沿测地线运动的,而空气被吸引的含义就是自然的因为重力梯度效应包围在行星周围!就像倒一瓢水,它自然就在中心附近蓄积!

所以空气呆在这个凹陷内非常自然的,而从这个凹陷跑出来需要输入能量让它们加速逃离,因此这就是它们宁愿积聚在一起产生很高的大气压也不愿意跑到空空如也的太空,这就是地球为什么能吸住空气的真正原因!

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