為何有的行星有大氣層，有的行星卻沒有?

來源：科技日報時間：2020-11-09 10:00:06

11月11日，北金牛座流星雨即將到來，這個以擁有高比例火流星而聞名的流星雨，曾在2015年給人們帶來火流星的觀星盛宴。

所謂火流星，其實是質量較大的流星穿過地球大氣層時劇烈燃燒產生的一種天文現象。事實上，這種壯觀的現象，在其他行星上也能看到。因為不只是地球，其他一些行星也有大氣層。

行星的大氣層是如何產生的?有著哪些結構?為何有的行星有大氣層，有的行星卻沒有?帶著這些問題，科技日報記者采訪了相關專家。

行星大氣層這樣產生

什么是行星大氣層?“一般而言，行星大氣層通常是指包裹著固態行星的固體包絡構造的大氣。”中國科學院國家天文臺研究員平勁松介紹道。

固態行星表面大氣的產生，根源是其自身存在或可以生成揮發性的物質。平勁松進一步解釋道，這些揮發性物質可能是在行星形成之初的吸集、聚合過程中，外圍物質分解時產生的;也可能是行星內部升溫導致不斷析出、噴出氣體，如火山活動等產生的;另外，還可能是表面物質被太陽照射時所產生的。

“金星周圍有濃密的大氣和云層，大氣壓約為地球的90倍。此前探測發現，金星上有著大量的火山活動。因此我們推斷，金星表面濃密的大氣源自其內部不斷發生的火山爆發活動。”中國科學院空間中心研究員劉勇以金星為例說道。

行星大氣層，通常包括多層厚層結構，以及各層之間存在的薄層過渡層。各層內部還存在次級別的層次。擁有大氣層的行星，其大氣自下而上密度越來越低，但總的氣體含量或質量一般處于動態平衡。

“按照整體的帶電特性，行星大氣層可分為兩個主要的層次，即位于底部的中性層和之上的電離氣體層。中性層厚度小，約幾十千米，電離層厚度一般在數百到數千千米。”平勁松指出，生物圈通常位于中性層的底部，而近期發現的金星大氣中存在磷化氫的高度達到了50千米，是一個非常有趣的現象，值得進一步探索。

太陽系內，行星頂部或上部大氣受到太陽光的紫外線和X射線照射后，處于量子態的氣體分子中的電子吸收能量后脫離氣體分子，發生電離。由中性氣體分子、帶正電的離子和電子混合形成了等離子體，成為電離層。由于太陽輻射相對處于穩定狀態，存在氣體層的金星、地球、火星盡管氣體密度差異巨大，但它們的大氣層上部吸收的總太陽紫外線和X射線輻射能量差異不大，因此其電離層電子密度比較接近。

留不住、生不成=沒有大氣層

對于存在著磁場的地球而言，在電離層的上部，還存在幾乎完全電離的氣體磁層，厚度可達數萬千米。

火星也有大氣層，但和地球相比，火星的大氣層非常稀薄，火星大氣的密度不到地球大氣的百分之一。在劉勇看來，地球磁場的束縛功能在防止大氣逃逸方面起到了重要作用。

“行星大氣逃逸的過程也是科學家非常關注的問題之一。事實上，地球和火星都有大氣逃逸的現象。但兩者大氣密度差異很大，很重要的原因在于，地球有著內稟磁場，形成的磁層就像‘保護罩’一樣，能夠有效防止大氣的逃逸。”劉勇分析道。

同樣，平勁松也認為，一些行星大氣之所以沒有沉積到表面，也沒有完全逃逸，最終形成了行星大氣層，得益于行星中心引力、磁場的束縛與分子運動狀態和外部輻射干擾的動態平衡。

然而，并非所有的固態行星都擁有大氣層。為什么有些行星有大氣層，而有些卻沒有?

從行星演化和大氣層來源來看，有大氣層的行星通常自身內部擁有充裕的揮發性氣體來源，以及使得氣體可以揮發出來的能量注入;同時，還要保持氣體逃逸、沉降速度與新生成的速度達到動態平衡。

“沒有大氣層的行星，主要原因可能有兩種。”平勁松分析道，一種是完全意義上的巖石行星，無法約束住其產生的氣體，耗盡了外層的揮發性成分，同時其內部能量和外部注入能量不足以分解巖石而產生新的揮發氣體;另一種是遠離太陽以及中心恒星的行星，其本身密度較低，不足以產生熱核反應，導致內部能量和外部注入能量不足以促成足量的揮發性物質脫離表面，即便這些行星在不斷產生氣體，但氣體的密度或總含量不足以形成可被探測到的大氣層。

比如，月亮就是典型的巖石類行星體，盡管在月球上發現了水分子，但它并不存在由氣體構成的、嚴格意義上的大氣層。但也有一些特殊情況，比如水星由于距離太陽太近，太陽的輻射和潮汐作用早就徹底瓦解了水星可能存在的大氣層。

為行星撐起“保護傘”

對擁有大氣層的行星來說，大氣層在浩瀚宇宙中為它們撐起了一把“保護傘”。

一方面，行星大氣層可以阻擋、減弱來自流星和彗星對行星的沖擊。這也是我們能夠安心欣賞火流星而不用擔心其對我們造成威脅的原因。密度、厚度足夠大的行星大氣層，其外部在成為電離層的過程中，可以遮擋大量來自太陽和宇宙空間的高能粒子輻射和沖擊，以及紫外線和X射線的輻射等。

“更為重要的是，在抵御外部輻射的同時，行星的大氣層還起到了保護主要揮發分的循環平衡和適度存在。”平勁松舉例道，比如地球大氣保護了地球的水循環和氧、氮等適度存在;火星大氣保證了火星一氧化碳、二氧化碳的循環，正是這些活動的順利進行才讓行星固體表面得以長期穩定。

劉勇指出，大氣層的存在，在維持地球表面溫度相對穩定、晝夜溫差變化相對較小方面也起到了重要作用。穩定、適宜的溫度，對生命的出現和演化有著重要的意義。

“溫度過高過低，或者溫度變化劇烈，都不利于高等級生命的生存和演化。某種意義上來說，大氣層扮演了‘溫度穩定器’的角色。有了大氣層的存在，使得地球表面溫暖舒適，適宜人類和其他生物生存。”劉勇說道。

此外，固態行星演化過程中穩定的演化也得益于能量平衡，即外部獲得的能量和向外輻射能量的動態平衡。在調節動態平衡的過程中，大氣層的穩定存在，對于這類大規模能量的吸收注入和向外輻射起到了關鍵作用。

大氣中還藏著這些信息

行星大氣層的存在，是行星的重要組成部分，也是行星科學研究的重要信息來源。對固態行星進行探測研究，一般比較難攫取到固體表面以下的物質，而探測行星大氣或獲取行星大氣物質，相對而言則要容易得多。

研究行星大氣，不僅可以獲得大氣本身的物理、化學、動力學和氣候氣象學特性，還可以推演行星表面以下可能存在的動力學過程或者生物學過程。行星大氣的遙感與原位探索，有可能提供更多的太陽系行星化學與早期原始階段的行星生物學信息。

平勁松舉例道，通過比較行星學研究，在火星大氣中發現的甲烷，可能預示著火星表面之下存在依然活躍的微生物群落。而金星大氣中發現的磷化氫，也預示著那里適當的大氣或表面環境，利于某種原始微生物的存在。對木星衛星和土星衛星的大氣探測研究，也可推斷其冰海洋之下，可能存在不同于地球上的異種微生物。