原始大氣

原始大氣（英語：primordial atmosphere或proto-atmosphere）也稱初始大氣（primary atmosphere），是指行星形成過程中因吸積了原行星盤中的氣體和揮發物質而形成的原行星大氣層，其成分與太陽星雲一致^[2]。氣態巨行星（如太陽系中的木星和土星）的大氣層基本上保持了原始大氣狀態；但類地行星的原始大氣則會因為大氣逃逸、撞擊事件和火山釋氣等因素而從而轉變成了大氣成分不同的次生大氣（英語：secondary atmosphere）^[3]。地球大氣層則在次生大氣的基礎上因為自中太古代以來自養生物不斷的產氧光合作用而在元古宙初期變成了含有游離態氧氣的「第三大氣」，而之後經歷了一系列的氧化事件變成了與現今全新世相似的大氣層。

年輕恆星HD 100546周圍的原行星盤中氣態巨行星形成的（藝術家想像中）的景象^[1]

形成與成分

原行星通過吸積形成初始大氣的過程^[3]

原始大氣在太陽系的形成與演化的初期就開始成形。當分子雲出現引力坍縮後，大部分物質塌陷至中央形成了原恆星，其餘有足夠動能而沒有被坍縮的物質則均勻散開形成了一個圍繞主星旋轉（公轉）的盤狀星雲（星周盤），稱作原行星盤，其中富含宇宙中豐度最高的氫氣和氦氣^[4][5]以及相對少量的簡單氫化物（如水、甲烷、氨氣等）^[6]。

當原行星盤內的不同區域開始各自出現局部吸積後，固體/液體在引力的作用下聚集形成微行星，隨後微行星進一步吸積碰撞形成原行星，並具有足夠質量和引力開始吸積氣體^[4]。隨著這些原行星吸積的質量達到一定級別，其自身引力導致的流體靜力平衡也會使其保持球形，成為真正的行星和矮行星。在行星系凍結線以內因為溫度相對較高，揮發性較高的各種氣體活性過高，只有較重的物質（如各種金屬和矽化物）才能吸積成微行星，氣體需要已經形成原行星且積累的質量夠大後才會參與吸積過程，因此通常形成的是大氣層較薄的岩石行星（類地行星），且極易通過大氣逃逸喪失之前吸積的氣體；但在凍結線以外因為溫度普遍較低，許多氣態的揮發物質要麼凝結或凝華變成了可以輕易吸積的液體或固體，要麼因為分子動能較低極易被行星引力束縛，所以時常形成質量龐大且擁有極厚大氣層的巨行星（氣體巨行星和冰巨行星）^[3]。

原行星對氣體的吸積過程除了取決於原行星盤內的星雲化學成分之外，還受其自身的質量和溫度的影響、以及恆星的電磁輻射（特別是X射線和紫外線）強度和星風的干擾^[4]。當氣體獲取額外的能量使其分子運動超過行星當時的逃逸速度後就會發生大氣逃逸，源自原行星盤星雲的原始大氣就會因此喪失氣體成分^[4]。一般來說，類地行星因為距離恆星較近，通常都會逐漸失去其原始大氣，之後通過釋氣和撞擊事件注入外來氣體後形成一個大氣成分與之前很不相同的次生大氣^[3]。一些軌道距離母星較近的氣體巨行星（「熱木星」）雖然自身引力較強，也會因此喪失其束縛的氣體而變成形似但質量遠大於類地行星的冥府行星。

吸積特徵

原始大氣的成分主要是氫氣和氦氣，此外根據在原行星盤中的位置和溫度還有少數揮發成份如水蒸氣、甲烷和氨氣。其形態通常稠密，使得整個行星籠罩在厚重不透光的大氣之中^[7]。

一個原行星能夠保留這種氫/氦原始大氣的能力取決於其質量、吸積率、溫度和軌道所處的位置，以及周圍原行星盤的狀態、輻射能強度和星塵的不透明度^[4]。類地行星的原始大氣基本上都（相對自身直徑而言）比較薄，且後續很容易失去揮發性強的氫氣和氦氣^[3]。太陽系中的氣態巨行星（木星和土星）因為吸積速度很快導致其行星核心不穩定（有一部分其實是內核高壓下的金屬氫^[8]），加上氣液平衡使得液態的行星表面可以隨時汽化，因此擁有著很厚的大氣，且氫氣和氦氣的含量分別是85％和60％^[4]。冰巨行星（天王星和海王星）中氫的含量不足總質量的20％^[8]，內核由更重的元素（如氧、碳、氮和硫）組成, 因而大氣層相比氣態巨行星要薄很多，但仍比類地行星厚得多^[4]。

行星演化研究

使用現今的檢測和表徵技術研究太陽系行星的大氣層有助於理解系外行星的大氣狀態以及未來的潛在適居性，以及地外生命存在的可能性。一般來說，比地球質量小的類地行星（次地球）如果距離母星很近會很快喪失其原始大氣^[3]，而比地球質量大的類地行星（超級地球）則可以保留其原始大氣並積累較厚的大氣層。克卜勒太空望遠鏡和其它人造衛星都發現海王星/次海王星尺寸的行星（巨無霸地球）擁有厚重的氫/氦大氣層^[3]。

另見

• 古大氣層
• 氧氣地質歷史