楼主的脑洞有点大啊,可是我喜欢~~~。
其实,氮元素在宇宙中真的很稀少,具体见下图。
氮元素不仅比邻近的碳、氧少很多,就是和比它更重的氖、铁相比,都要少很多,这是我们讨论一切的前提。至于氮元素怎么来的,其他答主讲过了CNO循环,我们就不多说了。
按照目前的理论,我们的太阳系来自第二代恒星爆发后的产物,所以在46亿年前各大行星形成之初,大体上元素组分是一样的,氢和氦最多,然后是氧、碳、氖、铁、氮、硅、镁、硫。然而之后为什么八大行星各自不同呢,我们首先大致了解一下这几种元素的化学性质:
氦最惨,不能和其他元素化合,因此最轻(4)。
氢其实还好,它容易和氧、氮、碳化合,形成水(18)、氨(17)和甲烷(16)。
再看看碳,碳会和氢结合形成甲烷,碳还可以跟氧生成较重的二氧化碳(44),并进而和其他元素生成碳酸盐。碳酸盐基本都是固体,一部分可溶于水。碳元素还会搭起长链有机物的骨架,分子量大的有机物都不太容易挥发。
氮和碳类似,最简单的化合物是氢化物:氨(17)。单质氮气(28)比较稳定,氮可以形成硝酸盐,几乎都可以溶于水。
氧气(32)的反应活性很强,很容易和各种元素形成氧化物,金属氧化物大多是固体,非金属的氧化物一般也比较重,氧还容易形成含氧酸和含氧酸盐。
氖(20)和氦一样,几乎没有任何反应性。
镁是金属固体,不容易挥发,而且由于硅酸镁的熔点超级高,当别的矿物已经处于熔融状态,密度降低的情况下,它却仍然保持固体本色,不断往下沉,终于沉底到地幔。所以地球上的镁元素基本保留,让它稳坐地球元素排行榜第四把交椅。
单质硅是固体,其主要的化合物中,只有氟硅烷、氯硅烷和氢硅烷是气体,这些硅烷的反应活性还很强,很容易生成硅酸盐或者氟硅酸盐。此外,硅的氧化物二氧化硅是固体,熔点1650度,碳化硅是超级难熔的固体,熔点大约2700度,各种各样的硅酸盐更是固体,也都是超级难熔的物质,只有到了地幔中的高温才会熔融。
这里插播一个笑话,硅元素:“来吧,氧mm,不要总在外惹事了,来跟我一起过日子吧。”于是氧元素和硅元素结合成了稳定的硅酸盐矿物,过起了安安稳稳的小日子,氧顺便带来了一帮硅的小姨子们:“那家美女”(钠、钾、镁、铝)。
硫是一种亲铜元素,容易和各种金属形成硫化物矿物。另外硫也容易和氢形成硫化氢(34)。
铁就不用说了,妥妥的固体,最重,铁定沉入星球的最核心了。
好了,说完了化学性质,让我们看看都有哪些因素会影响行星的大气演变。
1,自然散逸
最多的几种元素中,铁、硅、镁的化合物主要都是固体,因此牢牢的固定在类地行星上。比如它们在地球上分别是地核、地幔和地壳里除了氧以外最多的元素。
而其他元素就比较“轻浮”了,首先是最轻的氦(4),然后是甲烷(16)和氖(20),氨(17)和水(18)由于氢键的原因,沸点较高,因此多留了一点。
也就是说,即使把一个星球孤零零的放在那,大气也会自动分出轻重高低,轻的就更容易散逸到太空。各种气体散逸速度大致排序如下:
氦(4)、甲烷(16)、氖(20)、氮气(28)、氧气(32)、二氧化碳(44)、氨(17)、水(18)
【这里氨和二氧化碳排序不确定,请大神指教。】
2,太阳风
太阳在无时不刻向外“吹风”,其实吹的是带电粒子,靠近的星球比较惨,大气每天受到冲击,较轻的元素(主要是氢、氦)就这样被“吹”跑了。
最近的水星根本形成不了大气。
没有磁场的星球尤其惨,比如金星转速太慢,形成不了磁场,太空探测器发现了一条向地球轨道延伸的彗星状尾巴。
地球比较好,有磁场保护,平常时候大部分带电粒子偏转,但太阳风力过强还是会“击穿”它,让我们看到美丽的极光。
火星比水星大,距离太阳的距离是水星的四倍,但人们认为太阳风已经将其原有大气的三分之一剥离,只留下了地球大气密度的百分之一。据测定,火星大气剥离的速度约为每秒100克。
因此,靠近太阳的四颗类地行星表面很难找到大量的氢和氦,就好像几个被太阳风剥光氢氦衣服后,只剩下几个石质裸核。而较远处的类木行星受太阳风影响极小,因此还能披上厚厚的氢氦衣服。
太阳风实质是加速了自然散逸。
3,引力
没错,就是引力。越大的星球“抓住”较轻物质的能力越强,比如质量最大的木星和土星的大气几乎全由最轻的氢、氦组成,中间一层厚厚的金属氢,最中间是一个相对较小的石质内核。
而较轻的天王星海王星的大气成分和木星差不多,也主要以氢氦组成,厚度却薄了很多,内部是一个冰、氨和甲烷组成的中间层,所以也称为“冰巨星”。
引力实质是阻挡自然散逸。
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好了,根据以上几种效应的叠加,我们再把八大行星一个个过目,看看有没有什么神迹,兼回答楼主的问题。
水星,没啥说的,离太阳最近,该吹的都被太阳风吹光了,只剩那么小一点。
金星,没有磁场,小分子都被太阳风吹光了,连水分子都被紫外线切割成氢气和氧气,然后再吹走。只剩下二氧化碳,引起了温室效应。之所以大气如此之厚,可以理解为气温失控以后,把地壳(似乎应该是金壳哦)里的碳酸盐都“蒸”出来二氧化碳,又加剧了温室效应。
地球,相当合理啊,不是吗?该走的走了,不该走的都留下来了,只能用人择原理来解释了。
什么?你问地球上为什么这么多氮气?
地球的大气层质量很大吗?有人计算过,约为5.3*10^15吨。而地球质量呢?约为6*10^21吨。这中间就查了6个数量级啊。
地壳里的氮元素只有17ppm,简直和铌、镓、锂等稀有元素差不多了。
氮元素对生命堪称营养元素,然而生物圈能需要多少氮元素呢。氮循环和氧循环、碳循环相比,是在是不值一提了。
火星,相对于地球,引力还是稍小了点,氮气没留住,氧气一部分吹走了,一部分结合成二氧化碳,一部分固化于氧化铁表面。
木星,土星等类木行星就更简单了,越大的星球里面氢氦基数越大。就那么多氮元素做分子,就看你能留下多少氢氦做分母咯。
其实,楼主不如从下面这个思路开脑洞,生命可能来自火星,理由就是固氮。
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有人说直接贴结论,其实很显而易见了啊:
1,宇宙中的氮本来就不多,就看谁能留得住咯。
2,自然散逸,考虑化学性质,能形成化合物的更容易留下
3,具体到每个行星上,还要考虑以下因素:
a)太阳风(距离太阳远近、磁场等)
b)引力(行星大小)