次生大气

<image>

<image>

<image>

次生大气（secondary atmosphere）是天体并非在行星系形成初期由原行星盘中直接吸积构成、而是由原始大气因其大气成分发生后天变化而形成的大气层。次生大气是所有行星质量天体的演化过程中都或多或少会经历的，但在类地行星（如内太阳系的水星、金星、地球和火星）中是标志性特征，原因是这类行星通常质量较小没有足够引力来长久束缚其原始大气中的挥发成分，导致其大气成分会随着时间发生显著改变；相比之下，质量很大的巨行星即使大气成分随着时间发生改变，程度也不会太高，使其始终保持类似原始大气的状态，因此天文学届常常会将其差别忽略不计都称为原始大气。

在天体形成时，微行星之间不断的吸积碰撞最终组成了原行星，之后在继续演变为矮行星的过程中其质量已经可以吸引周边原行星盘中一些挥发性气体笼罩在表面形成了原始的大气层，这个初始的大气成分与星周盘中的气体比例相似，因此在一些文献中被称作“原恒星”（protosolar）成分的大气。随后，因为天体不断遭受恒星辐射和带电粒子流（太阳风）造成的大气逃逸、地热活动释气、气体相互间的化学反应和撞击事件注入的外来气体等影响，原始大气会逐步失去其原有的成分，直到这些变化积累到足以彻底改变大气的物理和化学性质后，从原生大气到次生大气就基本完成。类地行星的次生大气与其原生大气相比要薄很多，比起气态巨行星（如外太阳系的木星和土星）的大气层（其成分也与原生大气几乎无异）更是厚度差距巨大。冰巨行星（如天王星和海王星）的大气层中氢气和氦气的成分与气态巨行星相似，但大气层厚度比例更低，且含有更高水平的大气甲烷，因此属于一种与原始大气偏离不大的次生大气。

## 大气演化

在行星形成时，太阳周围的原行星盘中的星尘在相互聚结后因为重力产生进一步吸积，在聚集足够质量后就可以将周边的气体也一同吸引，形成以氢和氦为主体的原始大气。原始大气从形成开始就会不断遭到太阳风的轰击，因此可能造成最外层的大气逃逸。自身质量较大的巨行星通常有足够引力来束缚其大气中的气体，可以将大气逃逸维持在最低程度，因而可以使得其大气层保持原始大气的形态；但质量较小的岩石行星则因为引力无法阻止大气逃逸，会不断向外太空流失比重极轻的氢和氦，虽然地表释气也可能会向大气层补充一些氢和氦，但总体而言大气层中氢和氦的含量是随着时间产生净流失的。

岩石行星上的火山作用会在喷发时释放之前封存在地壳之下的火山气体，特别是氮气（N2）、二氧化碳、甲烷（CH4）、二氧化硫（SO2）和硫化氢（H2S）以及氦、氖和氩等惰性气体。这些释气根据地质活动的剧烈情况，会不断改变大气成分，使其逐渐转换为与原始大气差异很大的次生大气。

水（H2O）是宇宙间第三常见的分子（第一和第二分别是氢气和一氧化碳），但同时也是较为活性的物质，在合适的气温和气压下可以同时以气态（水蒸气）、液态（水）和固态（冰）存在于地表。行星自身的地质活动（包括火山作用和冰火山）会释放一定量的水蒸气，外太空的流星体在进入大气层时也会向其注入外来的水，但同时水会与其它物质发生化学反应而被移除（比如与甲烷发生反应会形成一氧化碳和氢气），恒星释放的电磁辐射除了会造成少量水蒸气逃逸外其电离辐射还会使得水蒸气通过被分解成氢和氧的方式从大气中流失。因此水蒸气的大气含量波动可能会比较显著，比如在冥古宙地球仍是熔岩行星的时期地球大气层的水蒸气含量曾达到了摩尔分数约65％，但在冥古宙晚期地表冷却后绝大部分水蒸气都凝结降落形成地表水，太古宙以后至今的水蒸气大气含量及时达到饱和蒸气压也很少超过1％。

### 地球大气的演变

<image>

地球大气层从原始大气向次生大气的转化其实发生的很早，原因是原始地球（也称“盖亚”）形成后不久（仅约0.2～0.5亿年）就遭遇了忒伊亚大碰撞，猛烈的天体撞击先是将原始大气的一部分直接移除永久流失到外太空，随后使得地球在冥古宙后来四亿多年的时间内都是个因地表破裂而地幔暴露不断释气的熔岩行星，并在冥古宙末期的后期重轰炸期因为大量小行星和彗星撞击为大气注入了大量外来气体。随着地球地壳最终在太古宙初期冷却固化，地球的气温和气压也随之降低，使得大气中的水蒸气大都凝结并降下形成了超级海洋，地球也因此变成了一个海洋行星，覆盖其地表的次生大气是一个主要成分为氮气、甲烷和二氧化碳的还原性大气。

现今的地球大气其实不是地球在太古宙早期成形的次生大气，而是因次生大气继续发生变化而形成的“第三大气”，其最大差别就是现今大气有着在宇宙所有已知天体中出奇反常的高氧气含量（现今摩尔浓度约为20.9％，在地球地质历史上曾达到石炭纪35％的峰值）。地球次生大气在进入太古宙后的变化则主要是生物的出现和演化所驱动的：在古太古代确切出现了依赖海底热泉化合作用的已知最古老的生命，并随后演化出了能进行不产氧光合作用的早期光合自养者使得生物圈从深海扩展到了浅海，但因在中太古代出现了可以进行产氧光合作用的蓝绿菌在之后的十亿年间不断分解水进行固碳并释放反应性极强的副产物——双氧，最终在新太古代末期耗尽了地表所有的还原剂物质引发了大氧化事件，并因大气甲烷被大量氧化移除而显著降低了温室效应引发了地球历史上最严重的全球性大冰期——休伦冰河期。随着蓝绿菌和其内共生的真核生物（藻类和植物）在之后不断的演化辐射，本为还原性的太古宙次生大气在之后的元古宙和显生宙变成了富含游离态氧气的氧化性大气，特别是在新元古代和古生代中后期分别发生了第二次和第三次的大规模氧化事件，使得地球大气的含氧量从此永久保持在15%以上，这也使得地球成了已知唯一能自然产生野火的行星。地球大气的富氧程度不但刺激了好氧生物（特别是依赖有氧呼吸的动物）的演化辐射，还因为氧气的同素异构体——臭氧在大气中的积累形成了可以屏蔽游离辐射（主要是日光中的高频紫外线）的臭氧层，使得直接暴露在日照下的陆地生物圈得以形成、繁衍和演化。

## 行星条件

在原始大气的成分丧失后，能否和如何形成次生大气严重依赖于其所在天体的行星地质学状态和其行星系的轨道情况。不同行星系的恒星根据其质量和演化阶段会有不同的辐射功率并释放不同强度与频率的粒子束（太阳风），这些都是会影响大气逃逸程度的外在因素。比如，水星因为距离太阳太近，在形成后很快便被“烘干”失去其原始大气并很难再聚集气体，因此没有实际意义上的次生大气，水星大气层只有一个很稀薄（气压仅1nPa）的散逸层，成分为少量由太阳风沉积或地壳汽化/升华产生的氢、氦、氧、纳、钙、钾和水蒸气，而且会因为持续的大气逃逸形成一个彗尾。此外，如HD 209458 b、TOI-849 b和CoRoT-7b那样的一些系外行星也被怀疑是距离主星过近的气态巨行星（“热木星”），因其大气层被不断剥离而变成了与类地行星形似的冥府行星（剩下的球体其实是其液态地表也因汽化丧失后裸露的固态行星核，而非地壳）。此外，行星周边轨道的天体密集程度也会影响其与彗星、小行星和其它天体（比如曾与原始地球同轨道的矮行星——忒伊亚）发生撞击事件的风险，而天体撞击则会同时向大气层内注入（撞击体分解和地壳破裂导致释气）和移出（撞击侵蚀）挥发成分。除此之外，天体的内在因素如地热活动（火山活动、热喷气孔、海底热泉、冰火山等）都会释放出大量地下气体（火山气体和被汽化的地下水），可以向大气层注入氦气、氮气、甲烷、二氧化碳和二氧化硫等成分，但同时也会因为一些火成岩会与大气中的气体成分（如二氧化碳）发生化学反应而移除这些气体（称作“增强风化”），都会导致大气成分的变化。

大气层的演变也可能有着相当的运气成分，比如地球大气层的演变。虽然地球轨道处于与太阳距离适中的适居带，而且早期太阳的辐射较弱（只有现今辐射强度的六七成），但地球从原始大气向次生大气转换的起步却非常早。这是因为原始地球的质量仍小（据估算大约是现今地球质量的63％），又在形成后不久（太阳系形成后仅0.2～0.5亿年）的冥古宙初期就与忒伊亚发生大碰撞导致大气逃逸被催化加速，而且因原始地球地壳被撞击撕裂而导致大量地幔岩浆涌出，使得地球在之后的四亿多年间是一个实质上的熔岩行星，地球形成初期吸积封存和之后重元素放射性衰变新产生的地下气体得以透过液态的地表挥发进入大气层。在冥古宙晚期，又有大量小型天体进入内太阳系并连续轰炸类地行星和卫星，在不断侵蚀大气层的同时其撞击猛烈度使得地球地壳冷却固化的过程又延长了近三亿年，直到38亿年前的始太古代才形成了相对稳定的岩石圈，但同时也可能带来了大量源自外天空的水。地壳固化后隔绝了绝大部分的地幔释气，地表冷却也连带着气温降低减少了气体的热逃逸，同时使得大气中的大部分水蒸气都凝结降下形成覆盖地壳的超级海洋，进一步维持了较低的地表温度；同时地球磁场的形成开始屏蔽太阳风的冲击，从而也降低了非热逃逸。地球也因此终于在太古宙形成了一个较稳定的还原性次生大气，其大气成分主要为氮气、大气甲烷和少量的二氧化碳，而后两者提供的温室效应在那个太阳辐射仍较弱的时期下反而维持了较温和的古代气候和较为活跃的水循环。这个稳定的次生大气直到近15亿年后才因为蓝绿菌不断进行水分解光合作用引发大氧化事件而发生显著质变，转化成了元古宙之后具有氧化性的大气层。