航天科普

揭開行星大氣層的神秘面紗

大氣——天體的面紗

它遮擋人類的視線，隱藏天體的秘密。不過有時(shí)，它透露的秘密，比它掩蓋的還要多。??

在天文學(xué)的懵懂時(shí)代，人類認(rèn)知的宇宙還挺小。那時(shí)，我們對(duì)自己在宇宙中的位置還相當(dāng)滿意。后來，人類的自信心遭到接二連三的打擊。地球先被拉下了宇宙中心的寶座，太陽也只是組成銀河系的像素之一，銀河系在宇宙中更是滄海一粟。??

面對(duì)浩瀚的宇宙，我們倍感孤獨(dú)。群居生物的習(xí)性發(fā)作，總想找個(gè)伴，至少，知道他們存在也好。隨著科技的進(jìn)步，人類開始探索系外行星，還特別在意處于宜居帶、有大氣的那些。? ?

因?yàn)椋瑢?duì)于生命來說，大氣非常重要。

大氣是如何庇護(hù)行星的？

多虧大氣的庇護(hù)，地球才沒有變成月亮那樣的麻子。每年的那幾個(gè)日子，我們可以手牽手去看流星雨，而不是貓?jiān)诘叵卵隗w里躲避隕石襲擊。??

不管是去看流星雨還是躲避隕石，首先“我們”得存在。生命的物質(zhì)運(yùn)輸需要流體才能完成。有了大氣，行星表面就有了留住液體的條件，否則，任何液體都會(huì)即刻沸騰。對(duì)于碳基生命來說，大氣更是物質(zhì)循環(huán)的必要一環(huán)。?

白天，大氣能阻擋熱量長(zhǎng)驅(qū)直入。夜晚，它又能延緩熱量散失，使行星的晝夜溫差不至于太離譜。當(dāng)整個(gè)星球熱量分布不均時(shí)，它還能幫著攪勻一下。一到臺(tái)風(fēng)季，就是地球大氣在喊：“吾疾貧富不均，今為汝均之！”臺(tái)風(fēng)確實(shí)是個(gè)災(zāi)害，然而，從此再也沒有臺(tái)風(fēng)，則是災(zāi)難。

如何發(fā)現(xiàn)其他行星的大氣？

1761年，米哈伊爾·羅蒙諾索夫觀測(cè)金星凌日時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金星剛剛接觸太陽邊緣時(shí)，它周圍有一圈模糊發(fā)亮的圓環(huán)。他由此判斷金星存在大氣。

金星跑在地球內(nèi)圈，可以借助太陽發(fā)現(xiàn)它的大氣。那么，對(duì)于地球外圈的，該求誰幫忙呢？我們可以利用掩星的機(jī)會(huì)。當(dāng)行星穿越于地球和遙遠(yuǎn)恒星之間時(shí)，那顆恒星的星光通過行星大氣，亮度和光譜都會(huì)發(fā)生改變。這樣，我們不但可以知道這顆行星有無大氣，甚至還能知道它大氣的成分。20世紀(jì)80年代，人們借助掩星，就初步認(rèn)識(shí)了冥王星大氣，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于“新視野號(hào)”親臨現(xiàn)場(chǎng)拍下的這張著名的照片。? ?

隨著科技的提高，現(xiàn)在對(duì)大氣光譜的分析已不限于可見光，而可以覆蓋很寬的電磁波譜。微波、紅外、紫外、X射線直到γ射線，都可以做到了。最近，“金星大氣可能含有磷化氫”的論點(diǎn)（此事尚在爭(zhēng)議中，2021年4月19日剛剛更番），就是基于對(duì)遠(yuǎn)紅外至微波波段的頻譜分析得到的發(fā)現(xiàn)。??

對(duì)于系外行星也可以用類似的方法。比如一顆系外行星公轉(zhuǎn)時(shí)能局部遮掩中心恒星，那么，它從恒星前面經(jīng)過時(shí)，就會(huì)帶來光譜變化，只是由于極其遙遠(yuǎn)的距離，這種變化十分微弱，測(cè)量誤差比較大。有一些輔助手段可以修正數(shù)據(jù)：當(dāng)這顆行星運(yùn)行到對(duì)側(cè)時(shí)，它貢獻(xiàn)的是反射光譜，和遮掩恒星時(shí)的吸收光譜兩相對(duì)照，綜合分析，數(shù)據(jù)就會(huì)可靠得多。

行星要滿足哪些條件才能持續(xù)擁有大氣？

行星大氣的成分，由原始吸積和后期演化共同決定。在原始星云中最豐富而且不太重的元素，是氫氦（作為恒星的原料）和碳氮氧（作為中型恒星的礦渣）。所以，氫、氦這些宇宙中壓倒多數(shù)的氣體，以及氮?dú)?、甲烷、氨氣、水、二氧化碳這些化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的分子，成了行星大氣成分列表上的?？?，非常單調(diào)，十分合理。氧氣不會(huì)構(gòu)成行星的原始大氣，因?yàn)樗顫娏耍瑫?huì)被其他元素迅速“娶光”。地球上的氧氣是以藍(lán)藻為代表的老前輩們一代代淘換的結(jié)果，向它們致敬。? ?

行星需要滿足一些條件，才能持續(xù)擁有大氣——順便說說，對(duì)于略具規(guī)模的天體，完全沒有大氣是不可能的，本文所說“沒有大氣”是個(gè)直觀簡(jiǎn)潔表達(dá)。

首先，要想留住大氣，行星必須夠胖。大氣是被行星引力拴住的，氣體粒子只要不超出行星表面的逃逸速度，就只能老老實(shí)實(shí)地跟著。

其次，擁有大氣的行星一般不太熱。高溫意味著氣體粒子運(yùn)動(dòng)得快，超過逃逸速度，也就一去不回頭了。

第三，重粒子比輕粒子更容易留下來。在同樣溫度下（平均動(dòng)能相同），氫比氧速度快三倍，逃逸的機(jī)會(huì)大得多。

最后，如果行星自帶較強(qiáng)磁場(chǎng)，那么它就可以防御高能粒子的轟擊，或者把轟擊產(chǎn)生的離子導(dǎo)回行星，從而防止大氣流失。

太陽系其他行星大氣情況是怎樣的？

拿上述的小規(guī)則，咱們可以在太陽系里做做應(yīng)用題：

水星

非常小，離太陽極近，所以前兩個(gè)條件它都滿足不了，就留不住大氣層。它有個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，卻只是螳臂當(dāng)車。它也算有一丁點(diǎn)“大氣”，還不是它自己的，而是從太陽襲來的太陽風(fēng)，混合著從表面逐漸剝離氣化的巖石，綜合壓強(qiáng)一納帕（10??Pa，地球大氣壓的百萬億分之一），這個(gè)數(shù)量級(jí)就等于沒有大氣。?

金星

質(zhì)量很接近地球，而且它的大氣成分主要是較重的二氧化碳，所以它能保留相當(dāng)濃密的大氣。但它離太陽還是近了些，并且自身沒有磁場(chǎng)。所以太陽風(fēng)能夠深入金星大氣層，不斷帶走較輕的成分。分析太陽風(fēng)吹離的尾端發(fā)現(xiàn)，其中氫氧比率接近2:1，符合水的分子式，這意味著金星正在持續(xù)脫水。?

地球

是太陽系里最大的巖質(zhì)行星，離太陽不遠(yuǎn)不近，氮?dú)夂脱鯕舛际窍喈?dāng)重的分子。除此之外，地球還有個(gè)磁場(chǎng)，把自己妥妥罩住。所以，地球大氣相當(dāng)穩(wěn)定。

火星

質(zhì)量只有地球的十分之一，曾經(jīng)有個(gè)磁場(chǎng)卻早已失去，所以它的大氣層被太陽風(fēng)逐漸剝離。幸好它離太陽較遠(yuǎn)，氣溫較低，還能保住大氣中的二氧化碳，而它曾經(jīng)擁有的海洋，就大部分消失在太空中了。

小行星帶

成員們個(gè)子都太小，而且還不夠冷，都留不住大氣層。

木星、土星、天王星、海王星

這四顆巨行星的個(gè)頭，再加上它們和太陽的距離優(yōu)勢(shì)，毫無疑問可以留住大氣，不管是甲烷、氨氣、水，還是最輕的氦氣氫氣，統(tǒng)統(tǒng)不成問題。木星更是有一個(gè)無與倫比的強(qiáng)大磁場(chǎng)，吃得那么胖還練就了金鐘罩鐵布衫，實(shí)在是霸道極了。

冥王星

雖然個(gè)頭很小，但它距離太陽極遠(yuǎn)，溫度極低，還是能保有少許氮?dú)獾摹Ｓ捎谮ね跣堑能壍篮鼙?，氮?dú)庠谶h(yuǎn)日點(diǎn)會(huì)大量凝固墜地，它的大氣很可能隨季節(jié)變化?！靶乱曇疤?hào)”2015年掠過時(shí)，它的大氣壓是一帕（地球大氣壓的十萬分之一），比水星還要爭(zhēng)氣多了。

令人費(fèi)解的土衛(wèi)六

按照這個(gè)套路看下去，太陽系的絕大多數(shù)天體都不令人意外。只有一顆比較另類，就是土衛(wèi)六。它擁有濃重的大氣層，氮?dú)鉃橹?，甲烷為輔，表面大氣壓是地球上的1.5倍！提起它來，人們就忍不住要拿木衛(wèi)三對(duì)比：“木衛(wèi)三沒有大氣，你憑什么有？”太陽系這兩顆最大的衛(wèi)星質(zhì)量相若，都運(yùn)行在離太陽較遠(yuǎn)的寒冷軌道上。所不同者，木衛(wèi)三離太陽近一點(diǎn)，卻有木星的大磁場(chǎng)罩著。土衛(wèi)六離太陽遠(yuǎn)一些，土星的磁場(chǎng)卻很弱。對(duì)比一番，各擅勝場(chǎng)。所以，為何土衛(wèi)六能擁有濃重的大氣層，或者換個(gè)問題，為什么木衛(wèi)三保不住大氣層，目前仍然眾說紛紜。?

系外行星的大氣能告訴我們什么？

反過來想，當(dāng)我們看到系外行星具有大氣，并且知道其成分，那么它的基本面貌也可以倒推。例如，大氣成分有大量氫氦的，必定質(zhì)量極大，離主星遠(yuǎn)的會(huì)比較穩(wěn)定，反之則會(huì)被主星迅速扒光（如“熱木星”HD209458b）。大氣成分中，重原子占優(yōu)的，則很可能是巖質(zhì)。為防止大氣凝固，它離主星不會(huì)太遠(yuǎn)。由于溫度較高，它多半質(zhì)量大，或有磁場(chǎng)護(hù)體。另外，只要行星擁有足夠的大氣，它的表面就會(huì)比較光潔，不會(huì)千瘡百孔，即使撞傷，也能風(fēng)化修復(fù)。

質(zhì)量大到足以被探測(cè)的系外行星，假如沒有大氣，又會(huì)是什么樣子呢？首先，它必然是類地行星。其次，它一定離主星極近（可與測(cè)得的行星軌道印證），這樣才能被剝離大氣。第三，它很可能已被主星潮汐鎖定。

文 字 |?曲炯

編 輯 | 王舒穎