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来之不易的气体—氦气

时间:2023-05-26 14:21

  平常我们陪孩子逛街,有时也会给孩子买个气球玩,然后在不经意间就会把气球放入空中,而漫天的气球犹如穿越到了童话世界一般。那么,我们熟悉的氦气又是怎么来的呢?在我们释放的每一个气球里的氦气,都是由地球母亲经过几十亿年的时间才形成的~

  氦气的性质决定了地球形成初期就留不住它

  晓得元素周期表的同学们都知道,氦是一种比空气轻比氢气略重的气体,它经常被用来填充气球、飞艇,而这也是我们摆脱地球重力最便捷有效的方法。

  表面上看,氦气球升空似乎是在反抗地心引力。但真正的原因是氦是一种密度很低的气体。我们的大气主要由氮气(N₂)和氧气(O₂)混合而成,平均分子量为29。而氦气的分子量只有4,仅次于分子量为2的氢气(H₂)。

  就像石头沉入海洋,油漂浮在水中一样,浮力原理确保了物质从低密度到高密度层层分布,对于大气来说,经过足够长的时间,也会出现这样的分布。

  在固体中,例如在地球内部,地核比地幔密度大,地幔比地壳密度大,地壳比海洋密度大等等,液体和气体也是如此。对于像木星这样的气态巨行星来说,因为它的质量是地球的数百倍,即使是它大气中最轻的气体也会被束缚在木星上。而月球和小行星的质量太小,重力无法留住任何气体,由于来自太阳的强烈辐射,即使是最重的气体也会被太阳风完全剥离。

  太阳系初期,我们的地球就已经没有氦了

  如今我们地球的大气层主要由氮气(78%)、氧气(21%)和其他微量气体组成。然而,如果我们回到太阳系最初形成的时候,我们会发现每颗行星的大气层中都充满了宇宙中最常见的两种元素:氢和氦。

  在地球形成初期绝大多数的氢和氦会被暂时束缚在大气层中,并迅速上升到大气的最上层。地球上的其他原子,例如:碳、氮和氧会与氢结合生成甲烷、氨和水/水蒸气,这就为我们地球保留了大量的氢,但其他元素不会与氦(惰性)发生反应。随后绝大多数的氢和氦会被太阳风以相对较快的速度剥离地球,而剩下的一小部分氢和氮则会在地球上停留更长的时间,最终也会消失殆尽只留下大气层中最重的一些气体。

  自太阳系诞生以来,地球上几乎就没有氦了。(更准确地说,氦只占地球大气体积的0.00052%。)那说明还是有的,我们知道地球的大气层总量很大,我们是否可以尝试从大气中开采氦呢?肯定可以,不过这个过程非常困难,而且非常昂贵,并不能大量的制备氦气。这个路行不通,如果我们不说大气,在地球上确实还有很多氦,不过它与大气中的氦无关,也与宇宙其他地方的氦无关。

  我们每次充满放飞一个氦气球,就意味着把地球整个自然史创造出来的东西白白送入了大气层,然后被太阳风吹到星际空间。