次生大气

次生大气（英語：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形成的大气层。次生大气是类地行星（如内太阳系的水星、金星、地球和火星四颗行星）特有的，原因是这类行星通常没有足够的质量和引力来长久束缚其原始大气中的挥发成份，导致其大气成分随着时间发生显著改变。

艺术家想象的太古宙地球的次生大气，因其大气甲烷造成的橙色雾霾而被比喻成“暗淡橙点”^[1]

金星大气层富含二氧化碳（96.5％）的次生大气，其空气密度比地球大气层高90倍以上^[2]

土卫六大气层富含氮气（94.2％）的次生大气，密度高于地球大气

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^[3]。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（其成分更接近原生大气）更是厚度差距巨大^[4]。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，但是大气层厚度比例更低，且含有更高水平的大气甲烷^[3]，因此属于一种与原始大气变化不大的次生大气。

现今的地球大气层其实不是地球的次生大气，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％，在氧气地质历史上曾达到35％）。地球原始大气向次生大气的转化其实发生的很早，原因是原始地球形成后不久（仅约0.2～0.5亿年）就发生了忒伊亚大碰撞，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^[5][6]，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^[5]。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^[6]。而这个太古宙的次生大气随后的变化则主要是生物的出现和演化所驱动的^[7]：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，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^[8]。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^[9]。

大气演化

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起点

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.

原始向次生的转化

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^[10]。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1 nPa或1.0×10⁻¹⁴ bar）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^[13]，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（英语：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、小行星和其它微型行星（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）挥发成份。除此之外，天体的内在因素如地热活动（英语：geothermal activity）（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份，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（英语：enhanced weathering）”），都会导致大气成份的变化。

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（据估算是现今地球质量的60～90％），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^[14]，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，其大气成份主要为氮气、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^[15]。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。

另见

• 原始大气
• 古大气层
• 大氧化事件