大气，天体的面纱。它遮挡人类的视线，隐藏天体的秘密。不过有时，它透露的秘密，比它掩盖的还要多。

在天文学的懵懂时代，人类认知的宇宙还挺小。那时，我们对自己在宇宙中的位置还相当满意。后来，人类的自信心遭到接二连三的打击。地球先被拉下了宇宙中心的宝座，太阳也只是组成银河系的像素之一，银河系在宇宙中更是沧海一粟。

面对浩瀚的宇宙，我们倍感孤独。群居生物的习性发作，总想找个伴，至少，知道他们存在也好。随着科技的进步，人类开始探索系外行星，还特别在意处于宜居带、有大气的那些。

因为，对于生命来说，大气非常重要。

多亏大气的庇护，地球才没有变成月亮那样的麻子。每年的那几个日子，我们可以手牵手去看流星雨，而不是猫在地下掩体里躲避陨石袭击。

不管是去看流星雨还是躲避陨石，首先“我们”得存在。生命的物质运输需要流体才能完成。有了大气，行星表面就有了留住液体的条件，否则，任何液体都会即刻沸腾。对于碳基生命来说，大气更是物质循环的必要一环。

白天，大气能阻挡热量长驱直入。夜晚，它又能延缓热量散失，使行星的昼夜温差不至于太离谱。当整个星球热量分布不均时，它还能帮着搅匀一下。一到台风季，就是地球大气在喊：“吾疾贫富不均，今为汝均之！”台风确实是个灾害，然而，从此再也没有台风，则是灾难。

如何发现其他行星的大气呢？

1761年，米哈伊尔·罗蒙诺索夫观测金星凌日时发现，当金星刚刚接触太阳边缘时，它周围有一圈模糊发亮的圆环。他由此判断金星存在大气。

金星跑在地球内圈，可以借助太阳发现它的大气。那么，对于地球外圈的，该求谁帮忙呢？我们可以利用掩星的机会。当行星穿越于地球和遥远恒星之间时，那颗恒星的星光通过行星大气，亮度和光谱都会发生改变。这样，我们不但可以知道这颗行星有无大气，甚至还能知道它大气的成分。20世纪80年代，人们借助掩星，就初步认识了冥王星大气，远远早于“新视野号”亲临现场拍下的这张著名的照片。

随着科技的提高，现在对大气光谱的分析已不限于可见光，而可以覆盖很宽的电磁波谱。微波、红外、紫外、X射线直到γ射线，都可以做到了。最近，“金星大气可能含有磷化氢”的论点（此事尚在争议中，2021年4月19日刚刚更番），就是基于对远红外至微波波段的频谱分析得到的发现。

对于系外行星也可以用类似的方法。比如一颗系外行星公转时能局部遮掩中心恒星，那么，它从恒星前面经过时，就会带来光谱变化，只是由于极其遥远的距离，这种变化十分微弱，测量误差比较大。有一些辅助手段可以修正数据：当这颗行星运行到对侧时，它贡献的是反射光谱，和遮掩恒星时的吸收光谱两相对照，综合分析，数据就会可靠得多。

行星大气的成分，由原始吸积和后期演化共同决定。在原始星云中最丰富而且不太重的元素，是氢氦（作为恒星的原料）和碳氮氧（作为中型恒星的矿渣）。所以，氢、氦这些宇宙中压倒多数的气体，以及氮气、甲烷、氨气、水、二氧化碳这些化学性质较稳定的分子，成了行星大气成分列表上的常客，非常单调，十分合理。氧气不会构成行星的原始大气，因为它太活泼了，会被其他元素迅速娶光。地球上的氧气是以蓝藻为代表的老前辈们一代代淘换的结果，向它们致敬。

行星需要满足一些条件，才能持续拥有大气——顺便说说，对于略具规模的天体，完全没有大气是不可能的，本文所说“没有大气”是个直观简洁表达。

• 首先，要想留住大气，行星必须够胖。大气是被行星引力拴住的，气体粒子只要不超出行星表面的逃逸速度，就只能老老实实地跟着。
• 其次，拥有大气的行星一般不太热。高温意味着气体粒子运动得快，超过逃逸速度，也就一去不回头了。
• 第三，重粒子比轻粒子更容易留下来。在同样温度下（平均动能相同），氢比氧速度快三倍，逃逸的机会大得多。
• 最后，如果行星自带较强磁场，那么它就可以防御高能粒子的轰击，或者把轰击产生的离子导回行星，从而防止大气流失。

拿这些小规则，在太阳系里做做应用题：

水星非常小，离太阳极近，所以头两个条件它都满足不了，就留不住大气层。它有个很强的磁场，却只是螳臂当车。它也算有一丁点“大气”，还不是它自己的，而是从太阳袭来的太阳风，混合着从表面逐渐剥离气化的岩石，综合压强一纳帕（10⁻⁹Pa，地球大气压的百万亿分之一），这个数量级就等于没有大气。

金星的质量很接近地球，而且它的大气成分主要是较重的二氧化碳，所以它能保留相当浓密的大气。但它离太阳还是近了些，并且自身没有磁场。所以太阳风能够深入金星大气层，不断带走较轻的成分。分析太阳风吹离的尾端发现，其中氢氧比率接近2:1，符合水的分子式，这意味着金星正在持续脱水。

地球在太阳系里是最大的岩质行星，离太阳不远不近，氮气和氧气都是相当重的分子。除此之外，地球还有个磁场，把自己妥妥罩住。所以，地球大气相当稳定。

火星质量只有地球的十分之一，曾经有个磁场却早已失去，所以它的大气层被太阳风逐渐剥离。幸好它离太阳较远，气温较低，还能保住大气中的二氧化碳，而它曾经拥有的海洋，就大部分消失在太空中了。

小行星带的成员们个子都太小，而且还不够冷，都留不住大气层。

木星、土星、天王星、海王星这四颗巨行星的个头，再加上它们和太阳的距离优势，毫无疑问可以留住大气，不管是甲烷、氨气、水，还是最轻的氦气氢气，统统不成问题。木星更是有一个无与伦比的强大磁场，吃得那么胖还练就了金钟罩铁布衫，实在是霸道极了。

冥王星（我们依然爱它）虽然个头很小，但它距离太阳极远，温度极低，还是能保有少许氮气的。由于冥王星的轨道很扁，氮气在远日点会大量凝固坠地，它的大气很可能随季节变化。“新视野号”2015年掠过时，它的大气压是一帕（地球大气压的十万分之一），比水星还要争气多了。

按照这个套路看下去，太阳系的绝大多数天体都不令人意外。只有一颗比较另类，就是土卫六。它拥有浓重的大气层，氮气为主，甲烷为辅，表面大气压是地球上的1.5倍！提起它来，人们就忍不住要拿木卫三对比：“木卫三没有大气，你凭什么有？”太阳系这两颗最大的卫星质量相若，都运行在离太阳较远的寒冷轨道上。所不同者，木卫三离太阳近一点，却有木星的大磁场罩着。土卫六离太阳远一些，土星的磁场却很弱。对比一番，各擅胜场。所以，为何土卫六能拥有浓重的大气层，或者换个问题，为什么木卫三保不住大气层，目前仍然众说纷纭。

反过来想，当我们看到系外行星具有大气，并且知道其成分，那么它的基本面貌也可以倒推。例如，大气成分有大量氢氦的，必定质量极大，离主星远的会比较稳定，反之则会被主星迅速扒光（如“热木星”HD209458b）。大气成分中，重原子占优的，则很可能是岩质。为防止大气凝固，它离主星不会太远。由于温度较高，它多半质量大，或有磁场护体。另外，只要行星拥有足够的大气，它的表面就会比较光洁，不会千疮百孔，即使撞伤，也能风化修复。

质量大到足以被探测的系外行星，假如没有大气，又会是什么样子呢？首先，它必然是类地行星。其次，它一定离主星极近（可与测得的行星轨道印证），这样才能被剥离大气。第三，它很可能已被主星潮汐锁定。

1610年7月底，伽利略用他自制的望远镜隐约看到了土星环。虽然并不确知土星两侧的模糊光斑是什么，他还是给同行们写信，以易位构词的加密方式，谨慎地锁定这一新发现的归属。信中，他把“Altissimum planetam tergeminum observavi”（拉丁语：“我看到最高那颗行星由三部分构成”）打乱重组，代之以一串天书：

Smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras.

收到信的人，就有开普勒。他对这条暗语反复推敲，结果是：

Salve umbistineum geminatum Martia proles.

拉丁语：致意！狂怒的双胞胎，战神火星之子。

开普勒尝试往火星方向破译，并非偶然。1610年上半年，伽利略发现了木星的四颗最大卫星。开普勒从那时就开始猜想：地球有一颗卫星，木星有四颗，那么火星介于其间，卫星应有两颗？

开普勒没能拆解伽利略的字谜，语法也有问题（umbistineum就不是个合乎语法的拉丁词汇），并且，从今天的科学认知来看，他的卫星递增猜想也没有道理。可是，冥冥之中，作为“天空立法者”，似乎他说什么，大自然就得长成这样子。1877年8月，阿萨夫·霍尔在美国海军天文台，陆续发现了火星的两颗卫星——“狂怒的双胞胎，战神火星之子”。

（开普勒把伽利略另一条暗语错解为“木星上有个红点，依数学路径移动”，大自然只好遵命，在木星表面布置了大红斑。）

过了百十来年，又出了一则定量的神预言：1726年，乔纳森·斯威夫特在《格列佛游记》中描写了飞行岛“拉普达”（对，就是宫崎骏《天空之城》的致敬式同名“拉普达”），那里的岛民科技先进，他们发现了火星有两颗卫星，分别以10小时和21.5小时的周期环绕火星运行。

火卫一和火卫二的实际公转周期分别是7.66小时和30.31小时。数量级算是对了，是吧？

所以，火卫上许多特征地形的命名，除了发现者、研究者之外，还有开普勒、斯威夫特、《格列佛游记》里的人物、景点，向这些歪打正着泄露天机的大神们致敬。

许多人听到“卫星”，会想起月球或者木星身边那四个大家伙。而这两颗火卫，却能带来严重的心理落差。它们小得可怜：火卫一平均直径22.5千米，火卫二12.4千米。给大家一个快速直观的印象：月球上的哥白尼环形山，直径就有93千米呢。它们太小太轻了，无法靠自身重力坍缩成一个球体。所以，与其说这是两颗卫星，还不如说是两座山、两块大石头。

在地球上体重70公斤的人，到了火卫一表面，会觉得自己只剩40克，真是身轻如燕。火卫二的重力更弱，它表面的逃逸速度仅有每秒5.6米。假如在这里办运动会，只能安排举重、棋牌、电竞这些斯文项目，而体操、田径之类的，一个用力过猛，运动员就消失在茫茫太空，损失太惨重了。

不仅个头奇小，这两颗卫星还非常暗淡。照到上面的太阳光，它们只能反射7%（对比：月球13%，火星15%）。

把这么小、这么暗的物体放到火星的距离上，还能被发现，真是很了不起。这里面并非全靠好运气。首先，霍尔使用的设备，是当时世界上口径最大的66厘米折射望远镜；其次，他开始观测的日子，距火星大冲（9月2日）不到一个月。霍尔发现火卫二当天（8月12日），火星到地球只有0.4个日地距离，随后几天，火星离地球越来越近，有充分的时间来核实，他看到的微弱光点是陪伴火星运动的。

火卫一的英文名叫做Phobos，火卫二叫Deimos。在希腊神话里，他们是战神阿瑞斯和爱神阿佛洛狄忒（罗马神话称为玛尔斯和维纳斯）所生的一对双胞胎，象征畏惧和恐怖，常常紧随其父，出现在战场上。

这两颗卫星距离火星非常非常近：火卫一的轨道半长轴只有2.76个火星半径，火卫二相对较远，但也仅有6.92个。再各自扣除一个火星半径，以得到它们相对火星表面的飞行高度，就更是在和火星跳贴面舞了。对比一下：地月之间的空间，最宽时可以并排摆下其它七大行星呢（114个火星半径）！

于是，从火星上看，两颗卫星的视觉效果，尤其火卫一，会让地球人很不习惯。

首先，火卫一自西向东的公转速度超越了火星的自转。这样，在火星上，就会看到一枚土豆从西方冉冉升起，以极易察觉的速度，在西沉的群星中逆流而上，划过长空，4小时15分钟后沉入东方地平线。每个火星日，它大约西升东落两次。

（其实我们的月球、以及太阳系的绝大多数卫星，都是从西向东公转的，只是它们跑得太慢，追不上主星的自转，所以从主星表面看起来，像是东升西落。）

火卫二稍微“正常”些，它还是东升西落的。但它也在努力向东追赶火星的自转，所以它的东升西落，在匆匆旋转的星空衬托下，显得格外悠长。每2.7个火星日，它才会出没一次。比起火卫一来，它又小又远，从火星上看，只是一颗较大较亮的星，轻易意识不到这是个“月亮”。

火卫一每0.32天完成一次朔望，火卫二则每1.26天一次。不管从那颗“月亮”来算，火星上的“月”都太短，没什么历法意义。

其次，和火卫的公转轨道比起来，火星的半径就不可忽略了。火卫一在（火星）地平线附近时，距离明显比它过中天时更远。动笔画一画可以求得，它在地平线附近时，距离观察者大约2.57个火星半径，而它过中天时，则只有1.76个。地平线附近的火卫一的张角（0.14°），只有它过中天时（0.2°）的70%左右，这个区别，对于火星表面观察者来说，相当明显。

相比而言，由于地月之间的极远距离，我们留意不到月球的这个视觉差异。甚至，还因为建筑的烘托，反而觉得地平线附近的月球更大些。

第三，两颗卫星在赤道面附近低飞，由于行星球面的遮掩，在火星的高纬度地区，无法看到这两颗卫星。70.4°以上的极地看不到火卫一，82.7°以上瞧不见火卫二。

最后，火卫一特别容易走进火星的巨大阴影里，这时，朝向夜面的低纬度地区，全都能看到这场“月全食”，几乎每晚都有。与之相对的是，两颗火卫的尺寸都不能完全遮挡太阳，“日全食”是不可能发生的。火卫一还能勉强称“环食”，火卫二就只能叫做“凌日”了。

由于火卫们离得近，转得快，凌日几乎每天都在火星某处上演，而对于固定一处的观察者来说，只能等每火星年两次的“食季”。每个“食季”里，可以看到大约六次火卫一、及最多一次火卫二凌日。

图为2013年8月20日，“好奇号”拍摄的火卫一凌日。我们“天问一号”的计划着陆地点在乌托邦平原南端，属于中低纬度，盼望它也能分享火卫凌日的奇观。

离主星极近，公转轨道极圆，所以毫无悬念地，这两颗火卫都已经被火星潮汐锁定，始终只以固定的半面朝向火星，就像我们的月球那样。但潮汐作用最终会毁掉火卫一：它正在逐渐缩小轨道，每百年朝火星下降两米。大约3千万到5千万年内，它会突破火星的洛希极限，解体化为星环，坠落火星。火卫二则被潮汐作用渐渐推远。

这两颗行星的起源尚在争议中，主要的假说有捕获、吸积和撞击。它们的低密度、低反照率等特征，很像附近小行星带里的C型、D型小行星，而它们非常规整的近圆轨道又不像是临时凑合的作品，有人认为它们最初可能是作为一个联体被捕获的，被潮汐力拆分后，各自到了现在的位置。对火卫一的热红外探测显示，它富含硅酸盐成分，和火星表面很相似，从这点看，很像是撞击的结果。也有人认为，过去可能有大量小天体环绕火星运行，甚至形成过较大的卫星，这两颗卫星是星环或卫星解体后的残留。

如果能登陆火卫，现场采集岩石土壤，相信能获得火卫起源的可靠证据。2011年11月，俄罗斯的“福布斯-土壤号”（Fobos-Grunt）原计划登陆火卫一、搜集土壤并返回。可惜这枚探测器变轨失败，最终坠毁在地球大气层。

和“福布斯-土壤号”一道坠毁的，还有我们的探测器。“萤火一号”搭车同往，不幸遇难。

匆匆十年弹指一挥，这次我们不搭车了，让“天问一号”自己飞。目前，“天问一号”在停泊轨道运行，远火点大约18个火星半径，近火点距离火星表面只有280千米（0.0826火星半径）。它走的是极地轨道，远则俯瞰火星火卫，近则穿行二者之间。除了预设的火星探测任务，它能否带来与火卫有关的惊喜，让我们拭目以待。