月球上为什么没有大气

有些问题如果先把它倒过来说明一下，就很容易说清楚。月球上为什么没有大气就属于这一类问题。在回答为什么月球不能将大气留在自己的周围之前，我们先考虑这样一个问题：“为什么地球周围环绕着大气？”我们知道，和一切气体一样，空气由各种彼此不相关的分子组成，这些分子向各个方向急速运动。在温度为0℃时，它们的平均速度大约是每秒钟0.5千米（相当于手枪子弹的速度）。为什么这些分子不会扩散到太空中去呢？原因和子弹不会飞到太空中去一样。分子运动所产生的能量被用来克服地球的引力，因此它们不会飞向太空，而是回落到地球表面。假设在接近地球表面处有一粒分子，以每秒0.5千米的速度垂直上飞。它能飞多高呢？不难算出：假设速度是v，高度是h，地球重力加速度是g，三者之间的关系是：

v2=2gh

代入数字，v=500米/秒，g=10米/秒2

可得

250000=20h，

因此

h=12500米=12.5千米。

但是，如果空气分子的飞行高度不超过12.5千米，那么在这个高度以上的空气分子又来自何处呢？要知道，大气中的氧气是在接近地面的地方形成的。是什么力量将空气分子抬高到500千米以上高空的呢？这个问题就如同下面这个问题一样：“人类的平均寿命是40岁，那么80岁的老人是从哪里来的呢？”一个统计学家对这个问题的回答方式，和一个物理学家回答我们所提出的问题一样。原来，我们的计算方式针对的只是平均分子，而不是具体的分子。平均分子的每秒钟的运动速度是0.5千米，而具体的分子有的比这运动得快，有的运动得慢。高于或者低于平均速度的分子所占的比例并不大，并且随着与平均速度的差数增大，分子所占的比例迅速减少。在0℃时，一定体积的氧气中只有20%的分子速度是每秒400～500米；速度在每秒300～400米的分子所占的比重也是20%；速度为每秒200～300米的分子占17%；9%的分子速度为每秒600～700米；8%的分子速度是每秒700～800米；另外还有1%的分子以每秒1300～1400米的速度运动。还有很小一部分分子（不到百万分之一）的速度为每秒3500米，而这个速度足以使分子飞到600千米的高度。由上面的公式我们可以得到

35002=20h

因此，米

大约等于600千米。

这样就可以明白，为什么在距离地面几千米的高空还有氧气分子存在了：这是因为气体的物理特性决定的。但是氧气、氮气、水蒸气和二氧化碳的分子运动速度又都不足以使它们完全脱离地球，因为这里所需要的速度至少为每秒钟11千米。在温度较低的情况下，上述各种气体中的个别分子才能达到这个速度。这就是为什么地球能吸引住大气层的原因。地球大气中最轻的气体是氢气。据统计，即便要使它减少一半，也得经过无数万年，所需的时间要用25位数才能表示出来。因此，地球大气的成分和质量在几百万年的时间内是不会产生什么变化的。

现在只需要几句话就足以讲明白，为什么月球不能留住大气层了。月球上的重力为地球上的重力的，因此，在月球上克服重力所需的速度也只需要地球上的，也就是每秒2360米。氧气和氮气分子在不十分高的温度条件下，就能达到这个速度。所以不难明白，月球一定曾经不断地失掉它的大气（如果月球上曾经有过大气的话）。在运动最快的分子离开之后，就会有别的分子获得飞离月球所需的临界速度（这是根据气体分子速度分配定律得出的结论）。这样，大气中一去不复返地消失在太空中的分子就会越来越多。在宇宙演变的漫长过程中，只需要极少的一段时间，全部大气就会离开重力如此小的天体表面。

曾经有人认为，地球上的人类访问并征服了月球之后，总有一天会用人造的大气把月球包围起来，使它适合人类居住。大家看着这一节内容之后，一定会明白这并不是件容易的事情。月球上没有大气并不是偶然的，这绝不是自然界随心所欲造成的，而是物理学法则的必然结果。

同理，对其他重力不大的天体来讲，也由于同样的原因，不会有大气包围[3]。