文/飛碟探索
任何一個(gè)物體的速度只要大于行星的逃逸速度就會逃向宇宙空間。但氣體分子不同于火箭，其速度大于逃逸速度僅是逃離地球的必要條件。由于行星表面的氣體分子密度較大，分子之間碰撞頻率高，氣體分子會在碰撞過程中交換動(dòng)量、改變速度，就算它們的速度大于行星的逃逸速度，也逃不出去。氣體分子逃出行星大氣的必要且充分條件是：氣體分子的速度大于逃逸速度，同時(shí)該分子所在界面的大氣非常稀薄，氣體分子間的平均碰撞距離（平均自由程）很長，使得氣體分子在和其他氣體分子發(fā)生碰撞前已經(jīng)逃出了大氣層。我們把此界面定義為逃逸界面，給出了數(shù)學(xué)表達(dá)式，推導(dǎo)出了行星大氣逃逸方程，定義了大氣逃逸率，其倒數(shù)即為逃逸壽命。為提高理論計(jì)算精度，把行星大氣層按高度分為數(shù)個(gè)等溫區(qū)疊加，推導(dǎo)出了行星大氣逃逸率或逃逸壽命的計(jì)算公式。
根據(jù)計(jì)算，地球大氣的壽命為4. 2×10^94年， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球的宇宙年齡4.5×10^9年，人類是非常幸運(yùn)的。金星的大氣壓力為9 0千克/ 平方厘米，是地球大氣壓力的90倍，壽命約為7.7×10^77年，遠(yuǎn)大于金星的年齡?；鹦谴髿庵械亩趸?、氮?dú)狻⒀鯕獾膲勖笥诨鹦悄挲g，唯有水蒸氣的壽命僅為2.2×10^8年，是火星年齡的1/20，所以火星表面沒有液態(tài)水，但存在河道和湖泊的殘跡。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，火星上的液態(tài)水先蒸發(fā)成水蒸氣，然后逃逸出大氣層。逃逸量的大小和蒸發(fā)量成正比，而水冰的升華速率比液態(tài)水小許多。根據(jù)水冰逃逸方程，若火星表面溫度低于180開，火星表面的水冰可以保存到現(xiàn)在?；鹦悄媳睒O冬季的大氣溫度低于150開，中緯度冬季大氣溫度也在190開以下，所以那里還有少量的冰存在。
月球大氣非常稀薄，大氣壓力為10^-10帕， 處于極高真空狀態(tài)。月球質(zhì)量約為地球的1/81，約束不住大氣分子，而白天大氣溫度又很高，達(dá)到400開，致使月球大氣不斷逃逸?，F(xiàn)在月球表面的大氣全是太陽風(fēng)的成分，如氫、氦、氖和氬。
近年來，美國、俄羅斯相繼提出建立月球基地的計(jì)劃，為開發(fā)月球資源和登陸火星做準(zhǔn)備。月球有水源嗎？行星大氣逃逸理論可以回答這一問題。月球表面從來沒有水，但有水冰保存到現(xiàn)在。根據(jù)行星大氣逃逸理論，月球上的水冰只能在溫度低于100開的環(huán)境中存在。月球表面有沒有長期持續(xù)處于100開以下的熱環(huán)境存在？月球表面大氣非常稀薄，太陽光直接照射到月球表面，熱流密度為1300瓦/ 平方米。地球大氣層對太陽的平均反射率為36％～42％.
地球也會向月球發(fā)出紅外輻射，熱流密度約為200瓦/ 平方米。月球水冰要遠(yuǎn)離這些熱源才能保存下來。滿足這種條件的地方只有環(huán)形山的陰面下部，上大下小的圓環(huán)形的深坑底部，最好在常年平均溫度最低的兩極附近。2011年，美國航空航天局利用報(bào)廢的“半人馬座”火箭撞擊了月球南極附近環(huán)形山下深寒的凱布斯坑，在撞擊后的塵埃中發(fā)現(xiàn)了豐富的水冰，含量在數(shù)十千克量級。由于月球沒有大氣層保護(hù)，隕石直接墜入月球表面，在月球南北極附近形成了大量深寒的類凱布斯坑，坑中儲存著大量的水冰。美國、印度的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，月球北極至少有6億噸水冰。
月礫中含有豐富的氦3，它是理想的清潔能源，是熱核反應(yīng)的原料。美國人分析了“阿波羅”登月艙帶回的月礫，認(rèn)為月球中氦3的總量約為100萬～500萬噸。如能收集、運(yùn)回月球上的氦3，人類將得到一種持續(xù)、清潔、安全和高效的熱核聚變發(fā)電燃料，這是人類夢寐以求的，激勵(lì)著人們探月的熱情。氦3來自太陽風(fēng)，由于地球有地磁場及濃密的大氣，太陽風(fēng)被磁場俘獲或由大氣散射而逃逸，不能到達(dá)地球表面。月球表面沒有大氣層，沒有磁場，太陽風(fēng)能直接注入月礫。月礫吸收飽和后，太陽風(fēng)中的粒子就回到月球大氣中了。這些太陽風(fēng)粒子和月球自身的放射性物質(zhì)，構(gòu)成了月球的殘余大氣。根據(jù)月球殘余大氣的壓強(qiáng)，我們計(jì)算出月礫中氦3的儲量為90萬～350萬噸，大致符合美國人的估值。根據(jù)我們的理論，月球上氦3的儲量是永遠(yuǎn)不會枯竭的，太陽可以不斷地補(bǔ)充。目前人類尚不完全具備收集、儲存月球上的氦3并將其運(yùn)回地球的能力。
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