一颗行星冷却需要多久?

行星的冷却时间差别很大:岩质行星可能只需一百万年,冰巨星却要数十亿年,这取决于大气和大气流失的情况。

直接答案

行星没有统一的冷却时间:它取决于行星的大小、大气,以及大气后来经历了什么。地球大小的岩质行星在遭受巨大撞击后,可以保持高温超过一百万年[4];而冰巨星的大气则能保持温暖数十亿年,因为气体凝结会释放潜热[1]。对低质量行星来说,大气快速流失会让冷却时间骤降,于是行星的冷却速度远快于大气层完整保留时的情况[3][5]。

5篇文献引用

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大气如何决定行星的冷却节奏

行星通过大气把热量辐射到太空来冷却。因此,大气的成分和厚度决定了能量逃逸的快慢。在冰巨星的早期大气中,水、氨和甲烷等重元素可以凝结,凝结释放的潜热让大气保持高温、辐射通量居高不下,持续数十亿年[1]。这并不会减慢冷却,反而会加快能量流失,使冷却时间比大气保持不变的行星更短[1]。

对低质量行星来说,情况有所不同。如果气体包层的质量超过核心质量的百分之几,其冷却时间就可能远长于行星脱离原行星盘所需的时间,因此在原行星盘消散之前,包层来不及明显收缩[3]。原行星盘消失后,恒星辐射驱动星风剥离包层,由此产生的质量流失把内部热量向外拖拽。这使大气迅速冷却并收缩,直到质量流失在大约十分之一邦迪半径处停止[3]。

岩质行星遭巨大撞击后能热多久?

一颗地球大小的行星被火星大小的天体撞击后,高温期可以持续一百万年以上[4]。这个数字来自巨大撞击刚发生后的阶段,当时大量能量被注入行星。一百万年并不是所有岩质行星的通用冷却时间,而是这类特定碰撞之后高温阶段的持续时间[4]。

行星的冷却时间何时会骤降?

沸腾流失过程会让冷却时间突然改变。低质量行星失去大气时,冷却时间尺度会在沸腾流失的节点出现骤降,因为大气质量急剧减少[5]。在原行星盘消散后的一百万年内,行星可能只保留最初包层的大约百分之十,而它的开尔文-亥姆霍兹时间——即通过辐射内部热量来冷却所需的时间——会变得远长于它的实际年龄[3]。这意味着行星不再按原来的节奏冷却;它已经失去了大部分原本能让它保持温暖的大气层。

大规模火山活动能控制地球的长期冷却吗?

在百万年尺度上,一种被提出的冷却机制是:大火成岩省新喷出的玄武岩会增强硅酸盐风化。一项研究比较了显生宙期间这些火成岩省的面积与大陆冰盖的范围,发现火成岩省总面积或热带火成岩省面积与冰盖范围之间没有显著相关性[2]。热带火成岩省面积最大的峰值出现在非冰期气候时期。这些结果表明,大火成岩省带来的行星可风化性变化并不是决定地球处于冰期还是非冰期的根本控制因素,尽管它们可能与其他过程一起起到次要的调节作用[2]。

本文引用的文献

1

早期大气凝结加速冰巨星冷却

早期冰巨星大气中凝结的重元素释放潜热,使大气保持高温、辐射居高不下达数十亿年,从而加速冷却,并有助于解释天王星为何如此暗淡。

2

评估大火成岩省的面积和纬度与地球长期气候状态的关系

研究发现,大火成岩省面积(总面积或热带面积)与大陆冰盖范围之间没有显著相关性,这表明这些火成岩省带来的风化变化并不是地球冰期状态的根本控制因素。

3

低质量行星的大气:“沸腾流失”

包层质量超过核心质量百分之几的低质量行星,其冷却时间长于原行星盘消散时间;但恒星驱动的星风造成的质量流失会导致快速冷却和收缩,在一百万年内只留下约百分之十的包层。

4

宜居行星的出现

一颗地球大小的行星被火星大小的撞击体撞击后,可以保持高温超过一百万年。

5

在新星的光芒下:行星大气在原行星盘消散和沸腾流失过程中的演化

行星的冷却时间尺度在沸腾流失的节点因大气质量急剧减少而出现骤降。