大气层是什么意思(switch大气层是什么意思)

前几天写了一篇介绍原子的文章,分析在原子核和它的电子之间到底有些什么。在文章的评论区里,有位朋友提出这样一个问题:我们地球表面的空气分子之间有些什么东西?如果没有,它是真空吗?这个问题很有趣,我们今天就来谈一谈。

知道你性急,我先说结论:是“真空”,但并不是什么都没有。

地球的大气

我们每时每刻都在呼吸空气,如果不能呼吸,人和动物就会死亡,植物也将凋零。空气对我们是如此重要,但却也是最容易被忽视的东西。

大气层并非地球所独有,太阳系所有的行星多多少少都有自己的大气层,甚至我们一直认为“真空”的月球,它也有一些稀薄的大气。在地球的海平面,每立方厘米大约有10^19个气体分子,而在月球表面大约是10^6个分子,看起来不少,但已经可以算是非常好的真空了。

在地球大气中,干燥状态下按体积计算大约包含78.09%的氮气、20.95%的氧气、0.93%的氩气、0.04%的二氧化碳和极少量其它气体。

大气层是什么意思(switch大气层是什么意思)

地球大气层,云层中有大量水

当然,地球的大气并不干燥,所以空气中还混有0.25%(质量)的水蒸汽。水蒸气的浓度受温度影响变化非常大,在最冷的地方,空气中水蒸气体积浓度大约只有10ppm,而在湿热的地方可以达到5%的体积浓度,于是我们会说空气潮湿得“可以拧出水来”。

地球的空气大多以分子状态存在,氮气是由两个氮原子共价组成的分子,氧气也是由两个氧原子共价而成;二氧化碳分子中有两个氧原子和一个碳原子,水分子则是由两个氢原子与一个氧原子结合而成。氩气不同,它是惰性气体,不能与其它原子结合成分子,所以表现为单个氩原子气体。

为什么会有大气?

中学生会学到,物质主要有三种形态:固态、液态和气态(当然还有其它特殊形态比如凝聚态、等离子态等等),随着条件的不同,物质大多在这三种形态间转化。比如水正常是液态,随着温度的降低它会变成固态的冰;温度升高时它会蒸发成水蒸气(不是云或雾,那是小水滴,水蒸气是单个水分子组成的气体,你看不见的)。

大气层是什么意思(switch大气层是什么意思)

水有固液气三态,其它物质也有

在太阳系形成之初,太空中就有大量氢气、氦气和一些固体物质,这些物质聚集在一起形成星球,在星球上,重元素下沉、轻元素上升,其中就包括一些气体物质。气体物质尽管轻,它也是有质量的,受万有引力的影响,气体会包裹在星球的表面形成大气。

大气也有分层,那些更轻的氢和氦会处于大气的最外层,而更重的氦气、氧气和二氧化碳会位于最靠近星球表面的地方。

同样受万有引力的影响,空气的密度也会随着海拔高度的上升而逐渐降低,在地球表面100千米的高度,空气就变成极其稀薄,已经接近真空状态了。在这个高度,飞机的翅膀完全不起作用,所以100千米被称为“卡门线”,它的上方就是我们常说的太空,太空里也是有一些空气分子的。

大气层是什么意思(switch大气层是什么意思)

飞机只能在空气中飞行

空气分子

在我们的空气中除少量的水蒸气外,其它基本都属于非极性分子。认识到这一点很重要,因为它决定了分子之间力的关系以及分子之间保持的距离。

大气层是什么意思(switch大气层是什么意思)

氮气和氧气分子都是非极性分子

我们在前面已经介绍过,氮气、氧气以及极微量的氢气和氦气都是由两个相同的原子组成分子,这两个原子得失电子的能力相同,因此当它们组成分子时,整个分子对外不表现出极性;二氧化碳由于是两个氧原子中间夹着一个碳原子并且三个原子处于同一个轴线上,因此它也是非极性的。

大气层是什么意思(switch大气层是什么意思)

分子的极性

空气中的分子都受到地球引力的影响,重力会使它们下沉并聚集在一起;与此同时,气体分子之间还存在一种相互作用的力——范德华力。

那么,气体分子可以没有空隙地相互粘连在一起吗?并不能。范德华力有一个奇特的现象:当两个分子距离大于0.6纳米时,它们相互的作用力接近于0;在小于0.6纳米时,它们会相互吸引;而当这两个分子足够接近,到相距0.4纳米时,它们又彼此推开。这是因为分子表面没有极性,它的表面都带负电荷,同性相斥,因此非极性的空气分子不会紧贴在一起。我们知道氧气分子的尺寸大约在0.346nm,氮气分子大约是0.364nm,因此空气分子之间差不多是“互相手拉手”,但隔着一臂之长时就会彼此推开决不粘在一起,“社交距离”保持得很好。

大气层是什么意思(switch大气层是什么意思)

空气分子之间因电荷相斥而“保持社交距离”

空气分子之间有什么?

现在你已经知道空气分子之间是有距离的,那么在空气分子之间有什么呢?是“真空”。

你可能注意到了,我给真空加上了双引号。因为绝对的真空其实不存在,它只表达一个泛指的意思。大气层100公里高度“卡门线”上方的太空被称作真空,国际空间站400公里高度被称作真空,月球表面也被称作真空,其实这里都是存在气体分子的。

那么,气体分子之间的真空为什么还不是真空呢?因为理论上它并不是什么都没有。

大气层是什么意思(switch大气层是什么意思)

太空中充满各种粒子及射线

科学家们经过计算,发现在地球表面每平方厘米的面积内,每一秒钟会有650亿个太阳中微子穿过,这些中微子从太阳中心产生并发射出来、以接近光速的速度到达地球并穿过地球,它们是中性粒子。所以说,在任何一个时刻,地球表面每立方厘米的空间里至少有22个太阳中微子,宇宙中微子的数量可能更多些。只是与亿亿级的空气分子数量比起来,中微子的数量微不足道罢了。

大气层是什么意思(switch大气层是什么意思)

真空中充斥着中微子

光子算不算?光子有波粒二象性,但严格地说它是波而不是粒子,光子的尺寸为0、静止质量也为0,因此尽管空气中有无数光子,但它并不是有形的颗粒。所以我们说空气分子之间还有电磁波。

版权声明:本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至 举报,一经查实,本站将立刻删除。

(0)
上一篇 2022年6月12日 18:13:14
下一篇 2022年6月12日 18:23:24

相关推荐