太阳系最引人注目的特征之一是行星大气层的多样性。地球和金星的大小和质量相当，但金星的表面在 460 摄氏度的高温下烘烤，承受着相当于一公里深水压力的二氧化碳海洋。木星和土星的行星大小的卫星——卡利斯托和泰坦——大小几乎相同，但泰坦拥有比我们地球更浓厚的富氮大气层，而卡利斯托基本上没有空气。是什么导致了如此极端的差异？如果我们知道答案，这将有助于解释为什么地球充满生命，而它的行星兄弟姐妹却显得死气沉沉。了解大气层是如何演化的，对于确定太阳系以外哪些行星可能适合居住也至关重要。
行星可以通过多种方式获得气体外衣：它可以从内部释放蒸汽，可以捕获彗星和小行星撞击时带来的挥发性物质，其引力可以将星际空间的气体拉进来。但行星科学家已经开始意识到，气体的逸散与气体的供应起着同样重要的作用。尽管地球的大气层可能看起来像岩石一样永恒，但它正在逐渐泄漏回太空。目前的泄漏率非常小，每秒只有大约三公斤氢气和 50 克氦气（两种最轻的气体），但即使是这种涓涓细流，随着地质时间的推移，也可能变得非常重要，而且这个速率可能曾经更高。“小漏洞能沉大船”，本杰明·富兰克林写道。我们今天看到的类地行星和外行星卫星的大气层就像中世纪城堡的废墟——是遭受掠夺和衰败历史的财富残余。较小天体的大气层更像是简陋的堡垒，防御薄弱且极其脆弱。
认识到大气逸散的重要性改变了我们对太阳系的看法。几十年来，科学家们一直在思考为什么火星的大气层如此稀薄，但现在我们想知道：为什么它还留有大气层？泰坦和卡利斯托之间的差异是卡利斯托失去大气层的结果，而不是泰坦诞生于更富含空气的物质？泰坦的大气层曾经比今天更浓厚吗？金星是如何坚定地抓住氮气和二氧化碳，却彻底失去水分的？氢气的逸散是否帮助为地球上复杂生命的出现奠定了基础？它会有一天把我们的星球变成另一个金星吗？
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当热量来袭时 一艘达到逃逸速度的宇宙飞船，其速度足以摆脱行星的引力。原子和分子也是如此，尽管它们达到逃逸速度通常不那么有目的性。在热逸散中，气体变得太热而无法 удерживаться。在非热过程中，化学或带电粒子反应会将原子和分子抛出。在第三个过程中，小行星和彗星的撞击会吹走空气。
在某些方面，热逸散是三种中最常见和最直接的一种。太阳系中的所有天体都受到阳光的加热。它们通过两种方式摆脱这种热量：发射红外辐射和排放物质。在像地球这样的长寿命天体中，前一种过程占主导地位；对于其他天体，如彗星，后一种过程占主导地位。即使是像地球这样大小的天体，如果吸收和辐射失衡，也会迅速升温，而其大气层——通常与行星的其余部分相比质量非常小——可以在宇宙瞬间脱落。我们的太阳系散布着没有空气的天体，而热逸散似乎是常见的罪魁祸首。没有空气的天体之所以引人注目，是因为它们的太阳加热超过了某个阈值，这个阈值取决于天体引力的强度[购买数字版以查看相关侧边栏]。
热逸散以两种方式发生。第一种叫做金斯逸散，以 20 世纪初描述它的英国天文学家詹姆斯·金斯的名字命名，空气实际上是以原子接原子、分子接分子的方式从大气层顶部蒸发掉。在较低的高度，碰撞限制了粒子，但在某个高度以上，称为外逸层底，在地球上大约在地表以上 500 公里处，空气非常稀薄，以至于气体粒子几乎不会发生碰撞。没有什么能阻止具有足够速度的原子或分子飞向太空。
作为最轻的气体，氢气是最容易克服行星引力的气体。但首先它必须到达外逸层底，而在地球上这是一个缓慢的过程。含氢分子往往不会升到大气层的最低层以上：水蒸气 (H2O) 会凝结并以降雨的形式落回地面，甲烷 (CH4) 会被氧化形成二氧化碳 (CO2)。一些水和甲烷分子会到达平流层并分解，释放出氢气，氢气缓慢地向上扩散，直到到达外逸层底。显然，有少量氢气逸散出来，因为紫外线图像显示，我们的星球周围有一个氢原子晕[购买数字版以查看相关侧边栏]。
地球外逸层底的温度会振荡，但通常约为 1,000 开尔文，这意味着氢原子的平均速度为每秒 5 公里。这小于该高度的地球逃逸速度 10.8 公里/秒，但平均速度掩盖了很大的范围，因此仍然有一些氢原子设法摆脱了我们星球的引力。这种从速度分布的能量尾部损失粒子的现象解释了当今地球氢气损失的约 10% 到 40%。金斯逸散也部分解释了为什么我们的月球没有空气。从月球表面释放出的气体很容易蒸发到太空中。
第二种类型的热逸散更为引人注目。金斯逸散发生在气体以分子接分子的方式蒸发时，而受热的空气也可以成团流动。高层大气可以吸收紫外线阳光，升温并膨胀，将空气向上推。随着空气上升，它平稳地加速通过声速，然后达到逃逸速度。这种形式的热逸散称为流体动力学逸散，或者更形象地说，称为行星风——后者是类比于太阳风，即从太阳吹入星际空间的带电粒子流。
风中之尘 富含氢气的大气层最容易受到流体动力学逸散的影响。当氢气向外流动时，它可以拾起并拖动较重的分子和原子。就像沙漠风将灰尘吹过海洋，将沙粒从一个沙丘吹到另一个沙丘，而留下鹅卵石和巨石一样，氢气风带走分子和原子的速率随着其重量的增加而减小。因此，大气层目前的成分可以揭示是否曾经发生过这个过程。
事实上，天文学家已经在太阳系外，在类木行星 HD 209458b 上看到了流体动力学逸散的明显迹象。巴黎天体物理研究所的阿尔弗雷德·维达尔-马德贾尔和他的同事于 2003 年利用哈勃太空望远镜报告说，这颗行星有一个膨胀的氢气大气层。随后的测量发现了这个膨胀大气层中的碳和氧。这些原子太重了，无法自行逸散，因此它们一定是氢气拖拽到那里的。流体动力学损失还可以解释为什么天文学家没有发现比 HD 209458b 更靠近恒星的大行星。对于轨道半径在距恒星约 300 万公里（约为 HD 209458b 轨道半径的一半）范围内的行星，流体动力学逸散会在几十亿年内剥离整个大气层，只留下焦土般的残余物。
行星风的证据为 20 世纪 80 年代提出的关于古代金星、地球和火星流体动力学逸散的观点提供了佐证。三个线索表明这个过程曾经在这些世界上发生过。第一个线索涉及惰性气体。如果不是因为逸散，像氖或氩这样的化学惰性气体将无限期地留在大气层中。它们不同同位素的丰度将与它们的原始值相似，而考虑到它们在太阳星云中的共同起源，原始值又与太阳的相似。然而，丰度却有所不同。
其次，年轻的恒星是紫外线的强大来源，我们的太阳可能也不例外。这种辐射可能驱动了流体动力学逸散。
第三，早期的类地行星可能拥有富氢大气层。氢可能来自水与铁的化学反应、星云气体或被太阳紫外线辐射分解的水分子。在那些原始时期，小行星和彗星撞击更加频繁，每当它们撞击海洋时，都会向大气层注入蒸汽。经过数千年，蒸汽凝结并以降雨的形式落回地表，但金星离太阳足够近，水蒸气可能在大气层中持续存在，太阳辐射可能会将其分解。
在这种条件下，流体动力学逸散很容易发生。20 世纪 80 年代，现在在宾夕法尼亚州立大学的詹姆斯·F·卡斯廷表明，金星上的流体动力学逸散可能会在几千万年内带走相当于一个海洋的氢气[参见詹姆斯·F·卡斯廷、欧文·B·图恩和詹姆斯·B·波拉克合著的《类地行星气候是如何演化的》；《大众科学》，1988 年 2 月]。卡斯廷和我们中的一位（扎恩勒）随后表明，逸散的氢气会拖走大部分氧气，但留下二氧化碳。由于没有水来调节将二氧化碳转化为碳酸盐矿物（如石灰石）的化学反应，二氧化碳在大气层中积聚，形成了我们今天看到的如同地狱般的金星。
在较小的程度上，火星和地球似乎也遭受了流体动力学损失。明显的特征是较轻同位素的缺乏，这些同位素更容易丢失。在地球和火星的大气层中，氖 20 与氖 22 的比率比太阳的比率小 25%。在火星上，氩 36 相对于氩 38 也同样贫乏。即使是地球大气层中最重的气体氙的同位素——除了污染物——也显示出流体动力学逸散的印记。如果流体动力学逸散足够剧烈，可以席卷氙，为什么它没有将大气层中的其他所有物质都席卷走呢？为了解决这个难题，我们可能需要为氙构建一个与现在大气层中其他气体不同的历史。
流体动力学逸散可能也剥夺了泰坦的大部分空气。当欧洲航天局的惠更斯探测器于 2005 年穿过泰坦大气层时，发现氮 14 与氮 15 的比率为地球上的 70%。考虑到这两种同位素的逸散倾向仅略有不同，这是一个巨大的差异。如果泰坦的大气层最初具有与地球相同的氮同位素组成，那么它一定损失了大量的氮——是它目前拥有的大量的几倍——才能将比率降至目前的水平。简而言之，泰坦的大气层可能曾经比今天更浓厚，这只会加剧它的神秘感。
通过化学反应更好地逸散 在某些行星上，包括现代地球，热逸散不如非热逸散重要。在非热逸散中，化学反应或粒子-粒子碰撞会将原子弹射到逃逸速度。非热逸散机制的共同之处在于，原子或分子在一个事件中达到非常高的速度，这个事件发生在外逸层底之上，因此撞到东西不会阻碍逃逸者。许多类型的非热逸散都涉及离子。通常，这些带电粒子通过行星的磁场束缚在行星上，磁场可以是全球（内部产生）磁场——如果有的话——也可以是由太阳风穿过而产生的局部磁场。但它们会找到溜出去的方法。
在一种称为电荷交换的事件中，一个快速的氢离子与一个中性氢原子碰撞并捕获其电子。结果是一个快速的中性原子，它对磁场免疫。这个过程解释了目前地球氢气损失的 60% 到 90%，以及金星大部分氢气损失的原因。
另一种逸散途径利用了行星磁阱中的一个薄弱点——我们敢说是漏洞。大多数磁场线从一个磁极环绕到另一个磁极，但最宽的磁场线被太阳风向外拖拽，并且不会环绕回来；它们对星际空间保持开放。通过这个开口，离子可以逸散。可以肯定的是，离子仍然必须克服引力，只有像氢和氦这样的最轻的离子才能做到。由此产生的带电粒子流，称为极地风（不要与行星风混淆），解释了地球氢气损失的 10% 到 15% 和几乎所有的氦气泄漏。
在某些情况下，这些轻离子可以将较重的离子一起卷走。这个过程可能解释了氙谜：如果极地风在过去更加剧烈，它可能已经拖出了氙离子。一个证据是，氪的同位素模式与氙的同位素模式不同，即使氪是一种更轻的气体，并且在所有条件相同的情况下，应该更容易逸散。不同之处在于，氪与氙不同，它能抵抗电离，因此即使是强烈的极地风也不会对其产生影响。
第三种非热过程称为光化学逸散，它发生在火星上，也可能发生在泰坦上。氧气、氮气和一氧化碳分子漂移到高层大气，在那里太阳辐射使它们电离。当电离的分子与电子复合或彼此碰撞时，释放出的能量会将分子分裂成具有足够速度的原子以逸散。
火星、泰坦和金星缺乏全球磁场，因此它们也容易受到第四种非热过程的影响，称为溅射。如果没有行星磁场来屏蔽它，这些世界的高层大气层就会完全暴露在太阳风的冲击之下。太阳风拾起离子，然后离子进行电荷交换并逸散。火星的大气层富含重氮和碳同位素，这表明它已经失去了早期大气层的 90%。溅射和光化学逸散是最可能的罪魁祸首。2013 年，美国宇航局计划发射火星大气与挥发演化探测器 (MAVEN) 任务，以测量逸散的离子和中性原子，并重建这颗行星的大气历史。
不可避免的后果 与彗星或小行星撞击行星时产生的巨大飞溅相比，热逸散和非热逸散都像涓涓细流。如果投射物足够大且速度足够快，它们会汽化自身以及质量相近的地表物质。随之而来的热气体羽流可以比逃逸速度更快地膨胀，并将上覆的空气驱散。撞击能量越大，喷射出的大气锥体就越宽。对于 6500 万年前导致恐龙灭绝的小行星，锥体从垂直方向大约有 80 度宽，并且包含了大气层的十万分之一。更具能量的撞击可以带走切线与行星相切的平面之上的整个大气层。
另一个决定锥体宽度的因素是大气密度。空气越稀薄，损失的大气层比例就越大。这意味着一个令人沮丧的结果：一旦脆弱的大气层开始磨损，撞击侵蚀就会变得越来越容易，直到大气层完全消失。不幸的是，火星在它的青年时期生活在一个糟糕的邻域，靠近小行星带，而且由于体积小，特别容易受到影响。考虑到太阳系早期撞击体的预期尺寸分布，这颗行星应该在不到 1 亿年的时间内被剥离掉整个大气层。
木星的大卫星也生活在一个危险的邻域——即，深入到这颗巨行星的引力场中，这会加速来袭的小行星和彗星。撞击本应剥夺了这些卫星曾经拥有的任何大气层。相比之下，泰坦的轨道离土星比较远，那里的撞击速度较慢，大气层可以幸存下来。
通过所有这些方式，逸散解释了大气层的多样性，从卡利斯托和盖尼米德上没有空气，到金星上没有水。一个更微妙的后果是，逸散倾向于氧化行星，因为氢比氧更容易丢失。氢逸散是火星、金星甚至地球变红的根本原因。大多数人不会认为地球是红色星球，但大陆地壳的大部分是红色的。土壤和植被掩盖了这种原生色调。这三个世界最初都是火山岩的灰黑色，并且随着原始矿物氧化成氧化铁（类似于铁锈）而变红。为了解释它的颜色，火星一定损失了一个相当于全球深度为几米到几十米的海洋的水。
在地球上，大多数研究人员将 24 亿年前氧气的积累归因于光合作用生物，但在 2001 年，我们提出氢气的逸散也发挥了重要作用。微生物在光合作用中分解水分子，氢气可以像接力棒一样从有机物传递到甲烷，最终到达太空。预期的氢气损失量与今天地球上氧化的物质净过剩量相符。
逸散有助于解开火星大气层如此稀薄的谜团。科学家们长期以来一直假设，水、二氧化碳和岩石之间的化学反应将最初浓厚的大气层变成了碳酸盐矿物。碳酸盐从未被回收回二氧化碳气体，因为火星体积太小，冷却得很快，火山停止喷发。这个理论的问题是，到目前为止，航天器只在火星上发现了一个小区域有碳酸盐岩，而且这个露头可能是在温暖的地下水中形成的。此外，碳酸盐理论无法解释为什么火星的氮气或惰性气体如此之少。逸散提供了一个更好的答案。大气层没有被封锁在岩石中；它消散到了太空中。
一个令人困扰的问题是，撞击侵蚀本应完全清除了火星的大气层。是什么阻止了它？一个答案是简单的机会。大型撞击本质上是罕见的，并且它们发生的频率在大约 38 亿年前迅速下降，因此火星可能幸免于最后的毁灭性打击。一次大型的冰质小行星或彗星撞击可能沉积了比后续撞击能够清除的更多的挥发物。或者，火星大气层的残余物可能在地下幸存下来，并在轰炸平息后泄漏出来。
尽管地球看起来相对没有受到逸散的影响，但这将会改变。今天，氢逸散被限制在涓涓细流，因为主要的含氢气体水蒸气在低层大气中凝结并以降雨的形式落回地表。但我们的太阳正在缓慢地变亮，大约每十亿年变亮 10%。这在人类的时间尺度上是难以察觉的缓慢，但随着地质时间的推移，将是毁灭性的。随着太阳变亮，我们的大气层变暖，大气层将变得更加潮湿，氢逸散的涓涓细流将变成滔天洪流。
预计这个过程将在太阳亮度增加 10% 时变得重要——也就是在十亿年后——并且还需要大约十亿年的时间才能使我们星球的海洋干涸。地球将变成一个沙漠星球，最多只有一个萎缩的极地冰盖，并且只有微量的珍贵液体。再过二十亿年后，太阳将无情地照射我们的星球，即使是极地绿洲也会消失，最后一滴液态水将蒸发，温室效应将变得足够强大，足以融化岩石。地球将步金星的后尘，走向贫瘠的死寂。
这篇文章最初以“行星空气泄漏”为标题印刷。