次生大氣

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次生大氣（secondary atmosphere）是天體並非在行星系形成初期由原行星盤中直接吸積構成、而是由原始大氣因其大氣成分發生後天變化而形成的大氣層。次生大氣是所有行星質量天體的演化過程中都或多或少會經歷的，但在類地行星（如內太陽系的水星、金星、地球和火星）中是標誌性特徵，原因是這類行星通常質量較小沒有足夠引力來長久束縛其原始大氣中的揮發成份，導致其大氣成分會隨著時間發生顯著改變；相比之下，質量很大的巨行星即使大氣成分隨著時間發生改變，程度也不會太高，使其始終保持類似原始大氣的狀態，因此天文學屆常常會將其差別忽略不計都稱為原始大氣。

在天體形成時，微行星之間不斷的吸積碰撞最終組成了原行星，之後在繼續演變為矮行星的過程中其質量已經可以吸引周邊原行星盤中一些揮發性氣體籠罩在表面形成了原始的大氣層，這個初始的大氣成分與星周盤中的氣體比例相似，因此在一些文獻中被稱作「原恆星」（protosolar）成分的大氣。隨後，因為天體不斷遭受恆星輻射和帶電粒子流（太陽風）造成的大氣逃逸、地熱活動釋氣、氣體相互間的化學反應和撞擊事件注入的外來氣體等影響，原始大氣會逐步失去其原有的成分，直到這些變化積累到足以徹底改變大氣的物理和化學性質後，從原生大氣到次生大氣就基本完成。類地行星的次生大氣與其原生大氣相比要薄很多，比起氣態巨行星（如外太陽系的木星和土星）的大氣層（其成分也與原生大氣幾乎無異）更是厚度差距巨大。冰巨行星（如天王星和海王星）的大氣層中氫氣和氦氣的成分與氣態巨行星相似，但大氣層厚度比例更低，且含有更高水平的大氣甲烷，因此屬於一種與原始大氣偏離不大的次生大氣。

## 大氣演化

在行星形成時，太陽周圍的原行星盤中的星塵在相互聚結後因為重力產生進一步吸積，在聚集足夠質量後就可以將周邊的氣體也一同吸引，形成以氫和氦為主體的原始大氣。原始大氣從形成開始就會不斷遭到太陽風的轟擊，因此可能造成最外層的大氣逃逸。自身質量較大的巨行星通常有足夠引力來束縛其大氣中的氣體，可以將大氣逃逸維持在最低程度，因而可以使得其大氣層保持原始大氣的形態；但質量較小的岩石行星則因為引力無法阻止大氣逃逸，會不斷向外太空流失比重極輕的氫和氦，雖然地表釋氣也可能會向大氣層補充一些氫和氦，但總體而言大氣層中氫和氦的含量是隨著時間產生淨流失的。

岩石行星上的火山作用會在噴發時釋放之前封存在地殼之下的火山氣體，特別是氮氣（N2）、二氧化碳、甲烷（CH4）、二氧化硫（SO2）和硫化氫（H2S）以及氦、氖和氬等惰性氣體。這些釋氣根據地質活動的劇烈情況，會不斷改變大氣成分，使其逐漸轉換為與原始大氣差異很大的次生大氣。

水（H2O）是宇宙間第三常見的分子（第一和第二分別是氫氣和一氧化碳），但同時也是較為活性的物質，在合適的氣溫和氣壓下可以同時以氣態（水蒸氣）、液態（水）和固態（冰）存在於地表。行星自身的地質活動（包括火山作用和冰火山）會釋放一定量的水蒸氣，外太空的流星體在進入大氣層時也會向其注入外來的水，但同時水會與其它物質發生化學反應而被移除（比如與甲烷發生反應會形成一氧化碳和氫氣），恆星釋放的電磁輻射除了會造成少量水蒸氣逃逸外其電離輻射還會使得水蒸氣通過被分解成氫和氧的方式從大氣中流失。因此水蒸氣的大氣含量波動可能會比較顯著，比如在冥古宙地球仍是熔岩行星的時期地球大氣層的水蒸氣含量曾達到了摩爾分數約65％，但在冥古宙晚期地表冷卻後絕大部分水蒸氣都凝結降落形成地表水，太古宙以後至今的水蒸氣大氣含量及時達到飽和蒸氣壓也很少超過1％。

### 地球大氣的演變

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地球大氣層從原始大氣向次生大氣的轉化其實發生的很早，原因是原始地球（也稱「蓋亞」）形成後不久（僅約0.2～0.5億年）就遭遇了忒伊亞大碰撞，猛烈的天體撞擊先是將原始大氣的一部分直接移除永久流失到外太空，隨後使得地球在冥古宙後來四億多年的時間內都是個因地表破裂而地幔暴露不斷釋氣的熔岩行星，並在冥古宙末期的後期重轟炸期因為大量小行星和彗星撞擊為大氣注入了大量外來氣體。隨著地球地殼最終在太古宙初期冷卻固化，地球的氣溫和氣壓也隨之降低，使得大氣中的水蒸氣大都凝結並降下形成了超級海洋，地球也因此變成了一個海洋行星，覆蓋其地表的次生大氣是一個主要成分為氮氣、甲烷和二氧化碳的還原性大氣。

現今的地球大氣其實不是地球在太古宙早期成形的次生大氣，而是因次生大氣繼續發生變化而形成的「第三大氣」，其最大差別就是現今大氣有著在宇宙所有已知天體中出奇反常的高氧氣含量（現今摩爾濃度約為20.9％，在地球地質歷史上曾達到石炭紀35％的峰值）。地球次生大氣在進入太古宙後的變化則主要是生物的出現和演化所驅動的：在古太古代確切出現了依賴海底熱泉化合作用的已知最古老的生命，並隨後演化出了能進行不產氧光合作用的早期光合自養者使得生物圈從深海擴展到了淺海，但因在中太古代出現了可以進行產氧光合作用的藍綠菌在之後的十億年間不斷分解水進行固碳並釋放反應性極強的副產物——雙氧，最終在新太古代末期耗盡了地表所有的還原劑物質引發了大氧化事件，並因大氣甲烷被大量氧化移除而顯著降低了溫室效應引發了地球歷史上最嚴重的全球性大冰期——休倫冰河期。隨著藍綠菌和其內共生的真核生物（藻類和植物）在之後不斷的演化輻射，本為還原性的太古宙次生大氣在之後的元古宙和顯生宙變成了富含游離態氧氣的氧化性大氣，特別是在新元古代和古生代中後期分別發生了第二次和第三次的大規模氧化事件，使得地球大氣的含氧量從此永久保持在15%以上，這也使得地球成了已知唯一能自然產生野火的行星。地球大氣的富氧程度不但刺激了好氧生物（特別是依賴有氧呼吸的動物）的演化輻射，還因為氧氣的同素異構體——臭氧在大氣中的積累形成了可以屏蔽游離輻射（主要是日光中的高頻紫外線）的臭氧層，使得直接暴露在日照下的陸地生物圈得以形成、繁衍和演化。

## 行星條件

在原始大氣的成分喪失後，能否和如何形成次生大氣嚴重依賴於其所在天體的行星地質學狀態和其行星系的軌道情況。不同行星系的恆星根據其質量和演化階段會有不同的輻射功率並釋放不同強度與頻率的粒子束（太陽風），這些都是會影響大氣逃逸程度的外在因素。比如，水星因為距離太陽太近，在形成後很快便被「烘乾」失去其原始大氣並很難再聚集氣體，因此沒有實際意義上的次生大氣，水星大氣層只有一個很稀薄（氣壓僅1nPa）的散逸層，成分為少量由太陽風沉積或地殼汽化/升華產生的氫、氦、氧、納、鈣、鉀和水蒸氣，而且會因為持續的大氣逃逸形成一個彗尾。此外，如HD 209458 b、TOI-849 b和CoRoT-7b那樣的一些系外行星也被懷疑是距離主星過近的氣態巨行星（「熱木星」），因其大氣層被不斷剝離而變成了與類地行星形似的冥府行星（剩下的球體其實是其液態地表也因汽化喪失後裸露的固態行星核，而非地殼）。此外，行星周邊軌道的天體密集程度也會影響其與彗星、小行星和其它天體（比如曾與原始地球同軌道的矮行星——忒伊亞）發生撞擊事件的風險，而天體撞擊則會同時向大氣層內注入（撞擊體分解和地殼破裂導致釋氣）和移出（撞擊侵蝕）揮發成份。除此之外，天體的內在因素如地熱活動（火山活動、熱噴氣孔、海底熱泉、冰火山等）都會釋放出大量地下氣體（火山氣體和被汽化的地下水），可以向大氣層注入氦氣、氮氣、甲烷、二氧化碳和二氧化硫等成份，但同時也會因為一些火成岩會與大氣中的氣體成分（如二氧化碳）發生化學反應而移除這些氣體（稱作「增強風化」），都會導致大氣成份的變化。

大氣層的演變也可能有著相當的運氣成分，比如地球大氣層的演變。雖然地球軌道處於與太陽距離適中的適居帶，而且早期太陽的輻射較弱（只有現今輻射強度的六七成），但地球從原始大氣向次生大氣轉換的起步卻非常早。這是因為原始地球的質量仍小（據估算大約是現今地球質量的63％），又在形成後不久（太陽系形成後僅0.2～0.5億年）的冥古宙初期就與忒伊亞發生大碰撞導致大氣逃逸被催化加速，而且因原始地球地殼被撞擊撕裂而導致大量地幔岩漿湧出，使得地球在之後的四億多年間是一個實質上的熔岩行星，地球形成初期吸積封存和之後重元素放射性衰變新產生的地下氣體得以透過液態的地表揮發進入大氣層。在冥古宙晚期，又有大量小型天體進入內太陽系並連續轟炸類地行星和衛星，在不斷侵蝕大氣層的同時其撞擊猛烈度使得地球地殼冷卻固化的過程又延長了近三億年，直到38億年前的始太古代才形成了相對穩定的岩石圈，但同時也可能帶來了大量源自外天空的水。地殼固化後隔絕了絕大部分的地幔釋氣，地表冷卻也連帶著氣溫降低減少了氣體的熱逃逸，同時使得大氣中的大部分水蒸氣都凝結降下形成覆蓋地殼的超級海洋，進一步維持了較低的地表溫度；同時地球磁場的形成開始屏蔽太陽風的衝擊，從而也降低了非熱逃逸。地球也因此終於在太古宙形成了一個較穩定的還原性次生大氣，其大氣成份主要為氮氣、大氣甲烷和少量的二氧化碳，而後兩者提供的溫室效應在那個太陽輻射仍較弱的時期下反而維持了較溫和的古代氣候和較為活躍的水循環。這個穩定的次生大氣直到近15億年後才因為藍綠菌不斷進行水分解光合作用引發大氧化事件而發生顯著質變，轉化成了元古宙之後具有氧化性的大氣層。