---
title: "低质量行星的大气逃逸互动实验｜Sandbox Physics"
description: "温暖的大气，什么时候会成为向外流动的风？束缚很强的大气，可在碰撞变稀少后，从极少数高速粒子的尾部流失。"
canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/labs/planetary-atmospheric-escape/"
language: "zh-CN"
page_type: "lab"
alternate_languages:
  en: "https://sandboxphysics.com/labs/planetary-atmospheric-escape/"
last_modified: "2026-10-28"
---

AC13 · 从热运动尾部到行星风

# 低质量行星的大气逃逸

**温暖的大气，什么时候会成为向外流动的风？** 束缚很强的大气，可在碰撞变稀少后，从极少数高速粒子的尾部流失。更热、且碰撞充分的大气则可能整体向外输运，穿过声速点。引力、粒子质量与温度决定束缚强弱，独立的热量预算还必须供得起这股流动。仅仅求出一条数学风解，并不能说明加热已经足够。

拖动行星和照射它的恒星，比较 Maxwell 分布尾部的逃逸、跨声速等温风，以及维持这股风所需的功率。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

模型假设

这里比较给定温度、固定储气下边界的合成单组分球对称模型。Jeans 通量只在实际找到的流体静力局部 Knudsen 外逸层、且束缚足够强时计算；重要性采样的弹道粒子放大了罕见逃逸轨迹。Parker 输运由独立给定的底部密度归一，要求声速区碰撞充分、下边界处于亚声速。XUV 功率另作有限外半径预算，不求解温度或加热结构。没有电离、化学、冷却、磁场、潮汐、恒星风约束或行星演化。图中行星边缘是储气边界，不是实测岩石表面。教程提供独立数值合成基准，不是实测大气剖面。

给定温度的 Parker 风；声速区碰撞充分。

青色与琥珀色示踪粒子分别表示亚声速与超声速模型流，虚线球在风图中标出声速半径，在 Jeans 图中标出找到的外逸层。Jeans 视图中，回落轨迹为青色，罕见的无束缚轨迹为琥珀色；八条逃逸轨迹经过刻意过采样，并保留正确的小通量权重。这些是合成轨迹，不是实测图像。

形式跨声速 Parker 解

风密度与局部连续介质检查

数值与显示约定

行星边缘代表储气边界半径。场景显示至四倍底部半径，剖面与功率计算至十二倍。背景光晕为装饰，不是标定过的光学图像。风示踪粒子按求出的飞行时间移动，时间加速。弹道轨迹在找到的外逸层上方遵循中心引力，显示速度放大。不积分大气耗尽或半径演化。

物理教程

## 称它为风之前，先问三个问题

**背景** 先看默认气流穿过虚线声速球，再问碰撞和热量能否支持这条数学解。

**为什么值得理解** 热气体仍可能被束缚，有热源也未必能形成碰撞充分的风。

先抓重点

- **核心问题**: 哪些条件支持这个逃逸率？
- **一句话直觉**: 束缚、输运与加热分别回答不同问题。

### 核心数学模型

#### 束缚

$$
\lambda=\frac{GMm}{rkT}
$$

单粒子引力束缚能与热能之比。

#### 连续性

$$
\dot M=4\pi r^2\rho u
$$

稳态球对称流穿过每一层球面的质量通量相同。

#### 临界点

$$
r_{\rm s}=\frac{GM}{2c^2},\qquad c^2=\frac{kT}{m}
$$

加速的等温风在这个半径穿过声速点。

### 常见难点

#### 功率不能直接指定温度

**容易误解** 更多 XUV 必须改变这条给定温度风解的流失率。

**正确理解** 风的温度与底部密度已给定。XUV 改变独立的可用功率比较，完整能量方程才会把两者联系起来。

### 动手实验

1. 01

   #### 改变引力

   向上拖动行星，观察虚线半径与速度剖面。

   **你会看到：** 给定温度下，引力增强会把声速点推向外侧，并削弱底部流动。

2. 02

   #### 分开尾部与风

   选择“罕见的逃逸尾部”，再选择“碰撞跟不上了”，阅读局部连续介质提示。

   **你会看到：** 流体静力外逸层可以提供 Jeans 示例边界，而形式 Parker 解的声速区已经无碰撞。

3. 03

   #### 谁为这股风供热

   选择“缺少的加热”，向上拖动恒星，保持温度不变。

   **你会看到：** 可用功率改变，独立给定温度的输运却不变。真实大气需要能量方程才能决定温度与流失率。

物理结论

找到临界点，检查碰撞，再问气流如何保持温暖。

## 相关实验与文章

行星大气怎样流成风 · 阅读路径

### 行星大气怎样流成风

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **行星怎样把大气丢进太空**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/atmospheric-escape/leaving-a-planet/)
2. [文章 **算出热运动尾部的逃逸通量**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/atmospheric-escape/thermal-tails/)
3. [文章 **让等温风穿过声速点**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/atmospheric-escape/critical-wind/)
4. [文章 **数值求出并检查临界风解**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/atmospheric-escape/solve-a-wind/)
5. [文章 **沿着原论文读懂行星半径谷**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/atmospheric-escape/radius-valley/)

运动与动力系统 · 入门路径

## 从一次下落到一条轨道

先测重力，再分解运动，加入接触力与碰撞，最后把同样的定律带到轨道上。

[从这里开始 → **自由落体与重力测量** 采集几次下落，用相机记录的位置拟合重力加速度；再加入空气阻尼，看拟合结果怎样偏离真值。 观察 · 14 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/free-fall/)

1. [1 自由落体与重力测量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/free-fall/)
2. [2 抛体飞行设计器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/projectile-flight/)
3. [3 斜面与摩擦](https://sandboxphysics.com/zh/labs/inclined-plane/)
4. [4 一维碰撞台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/collision-bench/)
5. [5 弹簧振子与周期标定](https://sandboxphysics.com/zh/labs/mass-spring/)
6. [6 轨道是怎样形成的](https://sandboxphysics.com/zh/labs/orbit/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/mechanics/#starter-path)