行星的面纱——大气

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。