互动科普

行星大气的多样性是太阳系最值得注意的特征之一。地球和金星有着相仿的半径和质量，然而金星却裹着一层浓密的二氧化碳大气，表面温度高达460℃，气压则大约相当于水下1千米处的压强。个头能够跟行星一较高下的木卫四克利斯多（Callisto）和土卫六泰坦（Titan）大小几乎相同，然而土卫六拥有一个比地球大气还要浓密的、富含氮气的大气层，而木卫四基本上没有大气。是什么导致了如此迥异的情况？找到这个问题的答案，将有助于解释为什么地球上生机勃勃，而其他行星显得一片死寂。了解大气如何演化，对于确定太阳系外有哪些行星可能适合生命生存也至关重要。

一颗行星获得大气的方式有许多种：可以从内部释放出蒸汽，可以在彗星和小行星撞击时俘获挥发性物质，还可以通过自身的引力从行星际空间吸积气体。但行星科学家已经开始注意到，气体逃逸所起的作用与气体补充同样重要。尽管地球大气看上去似乎像磐石般恒久不变，但实际上气体正在逐渐泄漏到太空中去。目前地球大气的流失率很小，每秒钟仅有大约3千克氢气和50克氦气逃逸（氢和氦是最轻的两种气体）。但即便是如此的“涓涓细流”，经过地质学上漫长时间的日积月累，逃逸气体的总数也不容小视，更何况过去的大气流失率可能高得多。正如本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）的一句名言：“小漏洞也可以弄沉一条大船。”我们今天在类地行星和外行星卫星上看到的大气，就像是中世纪城堡的废墟——它们都是遭到过掠夺、经历过衰败之后残留下来的历史遗迹。较小天体的大气则更像是简陋的要塞，难守易攻、极其脆弱。

对大气逃逸重要性的认识，改变了我们观察太阳系的角度。几十年来，科学家一直在思考为什么火星拥有一层稀薄的大气，而现在我们关心的则是：为什么火星上还会有大气留存至今？土卫六和木卫四之间存在差异的原因，会不会是木卫四丢失了大气，而不是土卫六生来就有一个大气层？土卫六过去的大气会比现在更厚吗？为什么金星牢牢地“把持”住了氮气和二氧化碳，却让水流失殆尽？氢气的流失是否为复杂的生命在地球上出现创造了条件？我们的地球会不会变成第二颗金星？

被阳光“晒干”

一艘飞船要想摆脱一颗行星的引力束缚，飞行速度必须够快，达到所谓的逃逸速度 （escape velocity）。原子和分子也是如此，不过它们达到逃逸速度通常并不是“有意的”。在热逃逸过程中，气体因为温度过高而不受控制。在非热逃逸过程中，化学反应或者带电粒子相互作用会把原子和分子弹射出去。小行星和彗星撞击也会驱散大气，这是第三种逃逸过程。

从某些方面来说，热逃逸是这三种方式中最常见和最直接的大气流失方式。太阳系中的所有天体都被阳光加热，而消散这些热量的方式有两种：发出红外辐射或者流失物质。对于地球这类“长寿”天体，前者是主要的散热方式；而在其他天体上，后者才是主要的——不断抛射气体和尘埃的彗星就是一个极端例子。不过如果热量的吸收和辐射达不到平衡，即使是地球这么大的天体也会迅速升温，它的大气也可能在宇宙学上的短短一瞬间消散殆尽，因为大气质量与行星相比通常微乎其微。太阳系中散布着许多没有大气的天体，热逃逸似乎就是罪魁祸首。没有大气的天体都出现在阳光加热作用超过某一阈值的地方，阈值的具体大小则取决于这个天体自身的引力强弱（参见左图）。

热逃逸可以通过以下两种方式发挥作用。第一种方式由英国天文学家詹姆斯·金斯（James Jeans）于20世纪初提出，因此被称为金斯逃逸（Jeans escape），指的是空气中的原子或分子从大气顶端一个一个逃逸出去的过程。在低空，碰撞会束缚粒子，但在一定高度以上，由于空气过于稀薄，气体粒子几乎不会发生碰撞。这一高度被称为逸散层底（exobase），在地球上距离地面大约500千米。在此之上，没有任何东西能够阻止速度足够快的原子或分子飞入太空。

氢是最轻的气体，因而也是最容易克服行星引力的气体之一。但首先它必须抵达逸散层底，在地球上这是一个缓慢的过程。含氢的分子通常都被束缚在大气底层：水（H2O）会凝结并且以降雨的形式落到地上，甲烷（CH4）则会氧化形成二氧化碳（CO2）。一些水分子和甲烷分子能够抵达平流层（stratosphere），并分解释放出氢。这些氢缓慢向上扩散，最终抵达逸散层底。确实有少量氢做到了这一点，因为紫外照片显示地球周围有一个由氢原子组成的晕（参见本页插图）。

地球逸散层底的温度会上下波动，但通常保持在1,000 K左右，说明氢原子的平均速度为每秒5千米。在同一高度，地球的逃逸速度为每秒10.8千米，快于氢原子的平均速度。但氢原子的速度分布在一个很大的范围之内，仍然有一些氢原子能够成功摆脱地球引力。这些在速度分布的高能端流失的粒子，能够解释现在地球上氢流失的10%~40%。金斯逃逸还为月球上没有大气提供了部分原因：月球表面释放的气体能够轻而易举地逃逸到太空中去。

热逃逸的第二种方式则要剧烈得多。在金斯逃逸中，气体分子是一个个蒸发的，然而被加热的气体也可能一团一团地流失。上层大气能够吸收阳光中的紫外线，升温后膨胀，进而向上推动空气。在空气上升的过程中，它的速度会顺利超过声速，然后达到逃逸速度。这种形式的热逃逸被称为流体动力逃逸（hydrodynamic escape）。就像从太阳吹向行星际空间的带电粒子流被称为太阳风一样，这种热逃逸也可以更形象地称为行星风（planetary wind）。

风中的尘埃

氢含量丰富的大气最容易发生流体动力逃逸。氢在向外流动的时候，会裹挟并带动更重的分子和原子。就像沙漠中的风能够把尘埃吹过海洋，把沙粒从一个沙丘搬到另一个沙丘，却无法挪动大块卵石和巨砾一样，氢风搬运分子和原子的能力也随后者重量的增加而减弱。因此，一个天体大气中现有的化学构成比例，能够揭示这样的过程是不是曾经发生过。

事实上，天文学家已经在太阳系外的类木行星HD209458b上找到了流体动力逃逸的迹象。2003年，法国巴黎天体物理研究所的阿尔弗雷德·维达尔－马贾尔（Alfred Vidal-Madjar）及其同事报告说，他们利用哈勃空间望远镜发现，这颗行星拥有一个“膨化”的氢气层。后续的观测又在这个膨胀的大气中发现了碳和氧。这些原子太重自身无法逃逸，因而必定是被氢裹带出来的。流体动力逃逸还能解释天文学家为什么找不到比HD209458b更靠近恒星的大行星。对于一颗在距离恒星不到300万千米（约为HD209458b轨道半径的一半）的轨道上运行的行星而言，流体动力逃逸会在几十亿年内驱散它的整个大气，只留下一个烧焦的残骸。

行星风的这一观测证据为20世纪80年代提出的一个想法提供了支持。这个想法认为，古代的金星、地球和火星上发生过流体动力逃逸。有三条线索暗示，这个过程确实在这些行星上发生过。第一条线索与惰性气体有关。如果无法逃逸，氖和氩这些不太参与化学反应的气体就会一直留在大气中。不同同位素的丰度应该与原始值非常接近，继而又与太阳上的同位素丰度相似，因为它们全都起源于原始太阳星云。然而，在不同的行星上，同位素丰度却各不相同。

第二条线索，年轻恒星会发出强烈的紫外线，我们的太阳可能也不例外。这些辐射会驱动流体动力逃逸。

第三，早期的类地行星大气中可能富含氢气。这些氢的来源可能是水和铁的化学反应、星云气体，或者是水分子在紫外线下的分解产物。在太阳系形成之初，小行星和彗星的撞击也频繁发生，它们一旦撞入海洋，就会产生大量蒸汽充斥在大气层中。数千年之后，这些蒸汽就会凝结，并且以降雨的形式重新回到行星表面。不过由于金星太靠近太阳，水蒸气或许会一直停留在大气中，并在阳光的照射下分解。

在这样的环境中，流体动力逃逸很容易发生。20世纪80年代，现在任职于美国宾夕法尼亚州立大学的詹姆斯·F·卡斯特宁（James F. Kasting）证明，金星上的流体动力逃逸只需要几千万年的时间，就能“抽干”它整个海洋中的氢。卡斯特宁和本文作者之一萨恩勒随后又证明，逃逸的氢还会带走大部分氧气，但是会留下二氧化碳。没有水作为化学反应的媒质，二氧化碳无法转变成类似石灰石的碳酸盐矿物，只能在大气中积聚，最终把金星变成我们今天看到的炼狱。

火星和地球似乎也经历过流体动力逃逸，不过程度较轻。泄露天机的线索就是较轻的同位素数量不足。在地球和火星的大气中，氖20与氖22的比值比太阳上的相同同位素比值低25%。在火星上，氩36相对于氩38的数量也不足。甚至连氙——地球大气中除污染物外最重的气体，也显现出了流体动力逃逸所造成的影响。如果流体动力逃逸强到连大气中的氙都能带走，那为什么它没有把大气中剩余的其他东西全部吹走呢？要想破解这个谜题，我们或许需要重建氙在大气中与现存其他气体都不相同的演变历史。

流体动力逃逸或许还剥离了土卫六上的大量气体。2005年，欧洲空间局的惠更斯探测器在土卫六的大气里下降的过程中发现，土卫六大气中氮14和氮15的比值是地球的70%。如此巨大的差异说明这两种同位素逃逸的程度不同。如果土卫六大气最初具有的氮同位素比例与地球相同，那它一定流失了大量氮气——流失数量是现存氮气数量的好几倍，这样才能产生如今观察到的氮同位素比例。简而言之，土卫六的大气可能曾经比现在厚得多，这使得泰坦之谜愈发扑朔迷离。

化学逃逸更重要

在一些行星上，非热逃逸比热逃逸更为重要，今天的地球就是如此。在非热逃逸过程中，化学反应或者粒子间碰撞会把粒子弹射到逃逸速度。非热逃逸机制的共同点是，使一个原子或者分子获得极高速度的某个事件必须发生在逸散层底上方，这样粒子才不会半路撞上什么东西以至于无法逃脱。许多种非热逃逸都与离子有关。这些带电粒子通常都被磁场约束在行星上。这些磁场要么是行星内部产生的全球性磁场（如果存在的话），要么就是过路的太阳风诱导产生的局部磁场。但离子总会找到出路摆脱约束。

一个高速运动的氢离子撞上一个中性氢原子，并且俘获它的电子，这类事件被称为电荷交换（charge exchange）。电荷交换会产生一个高速运动的中性氢原子，而磁场对它毫无办法。地球上60%~90%的氢，以及金星上的绝大部分氢，都是通过这一过程流失的。

另一个摆脱约束的办法是，在行星的磁场“陷阱”中打开一个“缺口”。大多数磁力线都从一个磁极连接到另一个磁极，构成一个封闭回路，但最外围的磁力线会因为太阳风的拖曳而不再封闭；它们会向行星际空间敞开怀抱。通过这一缺口，离子就可以逃逸。当然，离子还必须克服行星的引力，只有氢和氦这类最轻的离子才能成功逃脱。由此产生的带电粒子流被称为极风（polar wind，注意不要和行星风弄混淆），造成了地球上10%~15%的氢流失和几乎全部的氦流失。

在某些情况下，这些轻离子也能卷走一些较重的离子。这一过程也许可以解释氙气之谜。如果过去的极风比现在强，它就可以吹走氙离子。相关证据之一就是氪的同位素丰度：氪比氙更轻，其他条件完全相同，因此氪应该更容易逃逸才对，但氪并没有出现氙那样难以解释的轻同位素缺失。两者的区别在于，氪不像氙那样能够保持电离状态，因此即使很强的极风也无法影响到它。

第三种非热逃逸被称为光化学逃逸（photochemical escape），发生在火星上，也可能在土卫六上发生。氧、氮和一氧化碳分子会飘入上层大气，在阳光的照射下被电离。当电离分子重新与电子结合，或者与另一个离子碰撞时，释放的能量就会打碎分子，产生速度足够逃逸的原子。

火星、土卫六和金星都没有全球性的磁场，因此被称为溅射（sputtering）的第四种非热逃逸过程也很容易发生。没有行星磁场的防护，这些天体的上层大气完全暴露在太阳风的吹拂之下。太阳风会带动离子，由此导致电荷交换和逃逸。火星大气中较重的氮、碳同位素含量丰富，暗示它已经流失了多达90%的原始大气。溅射和光化学逃逸是最有可能的元凶。美国航空航天局（NASA）计划在2013年发射“火星大气及挥发演化探测器”（MAVEN），测量火星大气中离子和中性原子的逃逸，重建火星大气的演变历史。

注定的结局

热逃逸和非热逃逸都是涓涓细流，而彗星或小行星撞击行星则像是巨石投入池塘，会溅起一大团水花。如果撞击行星的小天体体积够大、速度够快的话，它们不但可以使自身气化，还能蒸发行星表面与它们质量相当的物质。接踵而来的高温气体“蘑菇云”膨胀速度会超过逃逸速度，吹走它们上方的空气。撞击的能量越大，被抛射出去的大气张角就越大。6,500万年前造成恐龙灭绝的那颗小行星，抛射张角与垂直方向呈80度左右，导致十万分之一的地球大气流入太空。更剧烈的撞击甚至可以带走行星表面某个切平面上方的所有大气。

大气的密度是决定抛射大气张角的另一个因素。空气越稀薄，大气损失的比例就越高。由此可以得出一个悲观的结论：一旦某个脆弱的大气开始流失，撞击导致的气体流失就会越来越容易，直到大气层彻底消失。火星就是如此不幸的一颗行星，它的“童年”一直与小行星带为伴，而且体积又小，特别容易受到小天体撞击的影响。根据估计的太阳系早期撞击天体大小分布来推算，火星应该在不到1亿年的时间里就失去它的整个大气层。

木星的大卫星也“生活”在危险地带附近——它们深居于木星引力场中，这颗巨行星的引力会使来袭的小行星和彗星加速。即使这些卫星曾经拥有过大气，撞击也会将它们完全驱散。相比之下，土卫六的轨道距离土星相对较远，撞击速度会小很多，它的大气也就得以幸免。

从木卫四和木卫三完全没有大气到金星的严重缺水，逃逸通过所有这些方式造就了太阳系中大多数天体风格迥异的大气状况。更微妙的一个结果是，由于氢比氧更容易流失，因此逃逸会使行星氧化。氢的逃逸是火星、金星甚至地球都呈红色的根本原因。大多数人不知道地球也是一颗红色的行星，但是大多数大陆地壳确实是红的。土壤和植物掩盖了这一本来的色彩。这三颗行星最初都由灰黑色的火山岩构成，随着原始矿物逐渐被氧化成氧化铁（类似于生锈）而显出红色。火星变成现在这种颜色，必定是因为它在历史上流失过大量的水——如果把这些水还给火星，足以让整个火星表面浸在10米深的水下。

大多数科学家把地球上24亿年前开始的氧气积累过程归功于光合作用生物，不过在2001年，我们提出氢的逃逸也在其中起到了重要的作用。微生物通过光合作用分解水分子，其中的氢会像接力棒一样从有机物质传递给甲烷，最终抵达太空。由此预计的氢流失总量，与今天地球上氧化物的净剩余量刚好吻合。

逃逸还有助于解释另一个长期无解的谜题：为什么火星的大气如此稀薄。科学家过去一直假设，水、二氧化碳和岩石之间的化学反应把火星原始的浓密大气转变成了碳酸盐矿物。这些碳酸盐无法再变回二氧化碳补充到大气层中，因为火星体积很小，冷却很快，火山活动早已停止。这种理论遇到了一个问题：迄今为止，火星探测器只在火星上的一小片地区找到了碳酸岩，而且这些岩层露头（outcrop，露出地面的岩层）很可能是温暖的地下水形成的。另外，碳酸盐理论也无法解释火星上的氮和惰性气体为什么如此之少。逃逸提供了一个更好的解释：火星大气并没有被固化成岩石，而是泄漏到了太空中。

不过逃逸也引出了一个恼人的问题：小天体的撞击本该剥夺火星所有的大气，为什么火星大气层仍能留存至今呢？答案之一可能只是概率。大规模的撞击本身就比较罕见，而且撞击发生频率在38亿年前突然下降，因此火星可能躲过了最终的毁灭性浩劫。大型冰质小行星或者彗星的撞击还会带来大量挥发性物质，甚至比撞击带走的大气还多。也有可能，火星残留的大气躲到了地表之下，待撞击事件平息之后又被释放出来。

尽管地球现在看上去未受大气逃逸的影响，但情况是会变化的。今天氢的逃逸还只是涓涓细流，因为主要的含氢气体水蒸气都集中在大气底层，而且会通过降雨重新返回地面。但我们的太阳正在以每10亿年10%的速度慢慢变亮。虽然对于人的一生而言，这个速度完全可以忽略，在地质学时标上这却是毁灭性的。随着太阳的增亮，地球的大气会变热，大气将变得更加潮湿，氢逃逸就会从涓涓细流变成洪流。

当太阳在10亿年后增亮10%时，这一过程估计就会变得非常重要。再过大约10亿年，地球上的海洋就会干涸。地球将变成一颗沙漠行星，最多只能保留一个大大缩小的极冠，宝贵的液态水将变得极其稀少。再过20亿年，太阳将更加无情地炙烤着地球，就连两极的绿洲也会干涸，最后一滴液态水也将蒸发，温室效应将增强到足以熔化岩石。地球将步金星的后尘，成为一颗死寂的星球。