次生大氣

次生大氣（英語：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形成的大氣層。次生大氣是類地行星（如內太陽系的水星、金星、地球和火星四顆行星）特有的，原因是這類行星通常沒有足夠的質量和引力來長久束縛其原始大氣中的揮發成份，導致其大氣成分隨著時間發生顯著改變。

藝術家想像的太古宙地球的次生大氣，因其大氣甲烷造成的橙色霧霾而被比喻成「暗淡橙點」^[1]

金星大氣層富含二氧化碳（96.5％）的次生大氣，其空氣密度比地球大氣層高90倍以上^[2]

土衛六大氣層富含氮氣（94.2％）的次生大氣，密度高於地球大氣

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^[3]。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（其成分更接近原生大氣）更是厚度差距巨大^[4]。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，但是大氣層厚度比例更低，且含有更高水平的大氣甲烷^[3]，因此屬於一種與原始大氣變化不大的次生大氣。

現今的地球大氣層其實不是地球的次生大氣，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％，在氧氣地質歷史上曾達到35％）。地球原始大氣向次生大氣的轉化其實發生的很早，原因是原始地球形成後不久（僅約0.2～0.5億年）就發生了忒伊亞大碰撞，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函暴露不斷釋氣的熔岩行星^[5][6]，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^[5]。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^[6]。而這個太古宙的次生大氣隨後的變化則主要是生物的出現和演化所驅動的^[7]：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，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^[8]。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^[9]。

大氣演化

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起點

During planet formation, gas and dust from the Sun's protoplanetary disc accrete onto all forming planets.^[10] Depending on the final size of the planet, it may or may not have enough gravity to retain this first, primary atmosphere or the star's solar winds strip the atmosphere off of the planet.^[11] The giant planets, such as Jupiter and Saturn, became large enough where they were able to hold onto their primary atmosphere that they gained during formation while terrestrial planets, such as Venus and Earth, do not have enough gravity to hold onto the original atmosphere. By being made of rock, they are able to go through geologic processes that will produce gas into the atmosphere.

原始向次生的轉化

If the planet is too small, then its gravity isn't strong enough to hold onto all of the gas it gained during formation. This causes the primary atmosphere, which is mostly made of hydrogen (H₂) from the nebula the solar system formed in,^[10] to run away and leave the planet entirely. Hydrogen, being the lightest element, will naturally escape the atmosphere due to it being the most buoyant. If a planet is to gain a new atmosphere, it must create one with materials found within the planet itself.

Volcanism is an example of a geologic process that will pump out volcanic gasses, such as carbon dioxide (CO₂) and sulfur dioxide (SO₂), that come out from a variety of sources.^[12] During the hot protoplanet phase, the molten planet or moon will cool off which will cause the surface to solidify. Material still want to outgas which causes openings in the crust which will spew out gas that is often trapped in the cavities of rocks which include the asteroids, meteors, and comets that bombard the surface of a planet during, and after, its formation. The molten magma or lava is able to retain gasses that are dissolved or bonded with the magma or lava itself and release at the opening of the volcano where the pressure becomes low enough to sublimate.

Water (H₂O) is a very common molecule throughout the universe, so asteroids and comets during the solar system's formation were likely what brought water around the solar system. When the water is first delivered, it mixes in with the surrounding lava and stays trapped until it cools off enough. The volcanoes, along with the other gasses mentioned above, will also spew out water vapor that was trapped in the magma. In the case of Earth, its earliest secondary atmosphere was almost entirely made up of water vapor and carbon dioxide.^[10]

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^[10]。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1 nPa或1.0×10⁻¹⁴ bar）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^[13]，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（英語：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暴露的固態行星核，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、小行星和其它微型行星（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（英語：geothermal activity）（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（英語：enhanced weathering）」），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（據估算是現今地球的60～90％），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函岩漿湧出，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^[14]，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函釋氣，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^[15]。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。

另見

• 原始大氣
• 古大氣層
• 大氧化事件