为何木星伽利略卫星及土卫六有大气，而质量相近的月球没有？ 第1页

题主这个问题，其实有一点点小的瑕疵。

其中一个最明显的问题是：在木星的四颗伽利略卫星中，一般认为只有木卫一有显著的大气层，另外三颗，木卫二的大气压与月球白天的大气压其实是差不多的（月球大气压昼夜变化很大，白天比夜间高3个数量级），木卫三和木卫四的大气压比月球也高出不太多。

一、如何定义一个星球有没有大气层？

我们要讨论一个行星类天体（包括行星、矮行星和大卫星，为了简便起见，后面有时候会把它们通称为行星）有没有大气层，必须首先确定“有大气层”与“没有大气层”的标准，然后再按此标准将行星归类。

我之所以强调这个，是因为判断大气层的有无，通常有两套标准，而无论按照其中哪个标准，题主把月球归入“没有大气层”，将木星的四颗伽利略卫星归入“有大气层”都是不适合的。

这两套标准中的一套（标准一）是，只要我们的任何仪器能在星球表面附近检测到稳定的（哪怕极其稀薄的）大气，就认为该星球是有大气层的。

按照标准一，不仅土卫六、四颗伽利略卫星是有大气层的，包括月球甚至表面温度非常高的水星，都被认为是有大气层的。一个典型的例证是，在维基百科的“大气层”词条中，月球就被明确地列入有大气层天体名单，维基百科甚至还有专门的“月球大气层”和“水星大气层”词条。

另一套比较严格的标准（标准二），则是要求行星必须要有比较明显的大气层。

何谓“明显的大气层”？通常是指能够通过光学等手段在远处“看见”该星球的大气层（大气层会使行星的轮廓、晨昏线或表面细节看起来比较模糊，并且大气折光效应会使星球背光面也能得到部分太阳光），或者能观察到大气层在行星表面造成的各种效应（极光、风蚀地貌、云层及各种天气现象等）。

图一：新视野号在背光面拍摄的冥王星，揭示明显的大气层。

图二：海卫一大气层中的云。

标准二是得到更广泛接受的方案，按此标准，太阳系有固体表面的行星类天体，有大气层的只有6个或7个：

1、金星

2、地球

3、火星

4、木卫一（有争议）

5、土卫六

6、海卫一

7、冥王星

图三：木卫一大气层的极光。

【参考资料】下面列出太阳系部分有固体表面的行星类天体的大气压数据（由高到低）：

金星：

土卫六：

地球：

火星：

海卫一：

冥王星：

木卫一：

木卫三： （数值差异源于测量误差）

木卫四：

木卫二：

月球： （白天） （夜间）

天卫三：

土卫五：

水星：

【资料来源：维基百科】

二、影响行星大气层的主要因素

看了以上数据，可能许多人会困惑：行星有没有大气层、以及大气层的浓密与否看起来为什么没有规律？

其实，规律还是有的，但非常复杂，难以直观察觉，所以一般人会觉得没有规律。

鉴于这个问题的复杂性，本回答不会试图穷举所有影响行星大气的因素，而只是简要介绍其中一部分比较重要的。

①、天体的质量（引力）

天体的质量（引力）决定了天体表面附近的逃逸速度。越大的星球，需要越高的速度才能摆脱，因此当天体质量较大时，一般气体分子运动速度（与温度正相关）难以达到逃逸速度因而比较容易保留。

在军迷或航空迷当中流行一句名言：力大砖飞（只要推力大，板砖也能飞上天），意思是航空器只要发动机推力足够，即使气动外形设计不佳也能飞得很好；在武侠小说中也有句名言：一力胜十会，意思是一个武艺不行但有蛮力的家伙，往往能战胜一个武艺精湛但力量不足的人。行星也是如此，只要质量（引力）足够大，其它任何不利因素都难以阻止它拥有浓密大气层。

最典型的例子就是木星，相信即使把木星放在水星轨道上让太阳烤，它拥有的气体成分的质量依然会超过太阳系其它行星总质量之和。

另一个典型就是金星，尽管金星表面温度高达737K（464℃），比水星还要高，尽管它没有磁场的保护，强烈的太阳风会长驱直入金星大气层深处并激发出大量高能粒子，金星的大气压仍高达近 。

经常有人问：金星上的大气压为什么高得变态？

——金星的质量有地球的0.8倍之多，在宇宙中，任何一个达到如此体量的行星，在排除某些特殊因素的情况下，我们都可以合理预期其表面拥有相似于金星的浓密大气层。反倒是某个奇葩行星，拥有比金星还大的质量以及更低的温度，其大气压却变态地低至 ……没错，地球同学，别左顾右盼了，说的就是你！

所以，“金星大气压高得变态”的观念是一个误解，正确的观念是，“地球大气压低得变态”。关于地球大气压为何反常的低，在后面的 ⑦ 中再详细讨论。

引力影响大气层的另一个典型例子是土卫二。

不久前NASA正式宣布土卫二“具备存在生命的全部条件”，并且天文学家早已发现土卫二上有非常活跃的火山活动（冰火山），而火山喷出物通常是行星大气的重要来源。那么前面的列表中，我为什么没有列出土卫二的大气压呢？

这是因为土卫二的大气压极不稳定——大气压与火山活动的周期密切相关；另一方面，土卫二并不具备全球性大气，而只有“半球大气”——只有南半球有大气层，赤道以北至今未发现存在大气的迹象。

造成这种现象的原因，就是土卫二的质量太小了，并且它的火山集中在南极附近，火山喷发为南半球带来了可观的水蒸气，但因为引力太弱，绝大多数气体分子还来不及扩散到北半球就已经逃逸了。

图四：土卫二南极的冰火山喷发。

②、温度

前面提到，气体分子的平均运动速度与温度正相关，因此当行星表面温度太高，那么就很可能会有大量分子因为运动速度超过行星的逃逸速度而散失。

最典型的例子就是水星：它的质量大于太阳系所有的卫星，但因为温度太高，基本上不能保持其大气。

相反的例子——土卫六、冥王星等等，证明了只要温度足够低，即使质量小一点也没关系，低温下大气流失率会降低很多。

③、气体的供应（A）：除气作用

关于行星大气，知乎上有许多相关问题，也有许多回答，其中大部分回答者都能指出前述行星质量、温度的因素，但影响（岩质）行星大气的最重要的三个因素之一的除气作用，却很少引起足够重视。

对于太阳系岩质行星而言，因为其质量远小于气巨星和冰巨星，即使其表面温度甚低，其大气成分在数以亿计的天体发展历史上，流失率也不可忽视。一颗岩质行星要想保持高浓度的大气层，需要有效的气体补充机制。

气体的补充，分为内源性和外源性两类。

内源性主要是内部除气作用、表面物质的升华（或蒸发）。

外源性包括彗星、陨石撞击带来的气体、俘获太阳风粒子等等。月球、水星大气主要就是靠外源补充。

除气作用是指岩质行星内部岩石（包括冻结的冰）中的挥发性成分排出的过程，其中最主要的方式是火山、各种喷气现象等，它是质量较大的岩质行星大气的主要补充源，其产生的气体量通常是其它几种来源所远远不能比拟的。

在我以前的一个回答：火星空气稀薄的主要原因是质量太小吗? 中，具体地分析了由引力、温度共同作用造成的金星与火星大气流失率差异，虽然火星的大气流失率略高于金星，但这点差异远远不能解释两者高达一万五千多倍的大气压差距。那么，导致金星和火星大气天壤之别的主要因素是什么呢？

——金星上活跃的火山活动，不断为金星补充大量气体；而火星因为质量小，散热快，内核已经冷却，其上的大规模火山活动，大约在10亿年前就停止了。

土卫六，作为一颗比火星、水星甚至木卫三的质量还要小的卫星，虽然它的温度低于前三者，但其比地球还要浓密的大气层依然让天文学家感到困惑——土卫六浓密大气的成因，至今仍是未解之谜。

在分析了其引力、温度及流失率之后，天文学家断言，土卫六必定存在某种未知的机制，对流失的气体进行快速补充。

因为土卫六大气浓密而透明度低，云层浓厚，因此我们至今尚未直接观测到土卫六的火山活动，但部分天文学家猜想，土卫六上很可能有比较活跃的火山活动。

然而，即使有一天证实了土卫六的火山活动，谜底依然没有彻底解开——它的意义也只是打开一个黑箱，结果发现里面是另一个黑箱——为什么土卫六会有活跃的火山活动？（目前行星科学关于火山形成机制的理论，在解释土卫六的火山成因方面存在困难。）

当然，土卫六的气体补充模式，也不一定就是火山作用，也许还存在我们目前尚不了解的某种机制，这有待于对土卫六的进一步研究。

谈到火山在制造大气层方面的作用，就不能不提木卫一。

木卫一是太阳系内火山活动最活跃的星球，没有之一，因此尽管木卫一仅仅比月球大一点点，其大气压却比更大的木卫三、木卫四高出两个数量级，这全拜火山所赐。

然而在土卫六的火山尚未证实、木卫一的火山早已实锤的情况下，为什么木卫一的大气压却远低于土卫六呢？这个问题，在第 ⑧ 部分再深入讨论。

④、气体的供应（B）：星球的形成历史及化学组成

分析了土卫六之后，我们自然会联想到与之如同孪生的另一个大卫星——木卫三。

木卫三比土卫六略大（质量比 1：0.91），但温度也略高（110K：94K），两个参数相差都不大，且作用相反，因此它们都不能很好地解释二者大气压的巨大差距。

导致两者差异的一个可能的原因是，木卫三地质活动不太活跃。

但这可能仅仅是多个原因之一。况且土卫六的火山尚未证实。

有天文学家猜测，造成两者巨大差别的另一个可能的原因，是因为形成环境的不同，导致木卫三在形成过程中，未能有效地吸积足够的氨（ ）。

在我的另一个回答：木卫一为什么会拥有类地行星的内部结构？中，介绍了因为木卫一太过靠近木星，木星早期形成阶段的热辐射使木卫一形成环境温度太高，水无法凝结为冰，木卫一难以吸积气态的水蒸气，最终形成了与地球、金星、火星和月球类似的缺冰的硅酸盐岩石星球（一般来说，在冻结线以外的行星，如果没有大到足以吸积氢氦气体的话，通常会吸积水冰，成为冰行星或冰卫星，木星、土星、天王星和海王星的大卫星除木卫一之外都是冰卫星，冥王星则是冰矮行星）。

木卫三的轨道比木卫一离木星远一些，木星早期的高温尚不足以融化其轨道附近的水冰，但肯定能融化甲烷，很可能也能融化氨，这样在其形成过程中难以吸积气态的氨和甲烷，所以它可能是比较缺少氨和甲烷的。

在氨和甲烷缺失的情况下，木卫三表面只有水冰可以升华，但水的熔点实在太高了，所以水蒸气的补充十分缓慢，远远低于流失速度。水在阳光紫外线照射下会分解为氧气和氢气（光解），氢太轻因此迅速流失，留下少量氧气，因此木卫三的稀薄大气层几乎由纯氧构成。

土卫六则不同，一方面土星轨道离太阳更远，温度更低；同时土星质量也比木星小得多，其形成过程中引力势能释放的热量也比木星低，因而土卫六有机会吸积足够的氨和甲烷。

氨和甲烷的凝结温度远低于水，因此在土卫六上，氨和甲烷的补充速度远远大于木卫三的水蒸气补充速度。氨极易光解为氮气和氢气，因此土卫六大气层中有98.4%的氮气（以平流层计，下同），1.4%的甲烷和大约0.1%~0.2%的氢气。

⑤、气体的供应（C）：外源因素

许多人可能会好奇，月球那么小又那么热，怎么还会有一点点极稀薄的大气？为什么月球大气在白天比夜间更浓密？

月球大气中，有一部分是来自内部的除气，但并非大多数星球那样通过火山活动释放的挥发性成分，而是通过放射性衰变形成的气体，例如氡气。

月球大气的另一个来源，则是外源性的，包括撞击月球表面的微陨石、太阳风和阳光，会在月球表面溅射出气体分子。这可以解释为什么月球大气压白天更高。

外源性气体供应的另一个例子，是木星的伽利略卫星与土卫六。感谢 @学生 提供以下内容：

木星伽利略卫星相比土星Titan，它们的轨道公转在主要行星重力场更深处，有着更高轨道速度。由于彗星/小行星和卫星的撞击速度主要取决于被撞物体的轨道速度和撞击体速度，所以Ganymede的撞击速度在基础上是Titan的两倍，每质量单位的撞击能量则被提高到了4倍。这种情况下，伽利略卫星的大气更容易被撞击剥蚀，而Titan更容易保留甚至积累撞击体带来的挥发份。见doi.org/10.1017/9781139020558.015和doi.org/10.1029/95JE01135

这段的意思是说，因为木星质量比土星更大，因此伽利略卫星需要比土卫六以更快的速度公转，这导致了它们与彗星相撞的速度通常也更大。当撞击速度很大时，过高的能量常常使气体流失；而当撞击速度较小时，不但不会导致气体流失，反而可能带来更多的气体成分。这可能也是土卫六与木卫三大气压差别巨大的重要原因之一。

类似的撞击作用，也发生于地球、金星、火星等大的行星上，虽然现代太阳系已相当平静，但在太阳系形成早期，这种撞击可能非常频繁。

按照行星形成理论，地球形成于太阳系冻结线（雪线）以内，相似于木卫一，因为轨道附近水是以气态形式存在，虽然地球比木卫一大许多仍可吸积少量水和氨，但无法解释地球上如此巨量水的来源。

有理论认为，构成地球上海洋的水，大部分来自于彗星的撞击。这些彗星也带来不少的氨，而氨挥发后的光解，则成为氮气的重要来源。

⑥、气体的成分：分子量及分子结构

相同的温度代表相同的分子平均动能；平均动能相同的情况下，分子量越大的分子，平均速度越低。

单原子分子的动能仅包含分子的平动动能；双原子或多原子分子的动能，还包括转动动能、振动（两个或多个原子之间距离的变化）动能，分子结构越复杂，其运动自由度越多，平动动能占的比例越低。

而影响分子逃逸的，仅仅是平动的速度，因此气体的分子量及分子结构对大气压的影响是：相同的温度下，分子量越大越不容易逃逸；相同温度、相同分子量情况下，分子结构越复杂越不容易逃逸。

金星大气压比地球高那么多，除了后面 ⑦ 中将要分析的因素外，金星大气以分子量44的三原子分子CO2为主，而地球大气以分子量28的双原子分子N2为主，也是原因之一。

⑦、天体表面的液体

前面提到金星上高达近 的大气压是一种正常状态，地球仅有 的大气压才是反常现象。造成这种反常的原因，就是地球表面存在液态水。

正常情况下，地球应该有比金星更浓密的大气层，并且其主要成分可以预期是二氧化碳。

但因为地球上存在液态水，而CO2是可以溶于水形成碳酸根离子，并进一步与水中某些金属离子——主要是钙离子和镁离子，形成难溶的碳酸钙和碳酸镁沉淀。于是通过水的作用，地球大气层中大部分的CO2都被沉淀到岩石中去了。

【另外，一小部分CO2，被地球上的植物通过光合作用转化成了氧气，相信地球大气中的氧气，几乎全部都来自于光合作用。】

另一方面，地球大气中的主要成分氮气虽然不溶于水，但氮气的前体氨是易溶于水的，并能与水中的酸根离子结合成不易挥发的铵盐；同时，大气中的氮气可以通过闪电与氧气反应生成氮氧化物，溶于水后再形成难挥发的硝酸盐、亚硝酸盐，这可能是导致地球上连氮气总量也比金星少的重要原因。

从以上分析可以看出，星球表面的液体，是有可能极大地改变星球大气成分和大气压的。液体是发生各种复杂化学反应的最佳环境，许多在气态或固态中难以发生的反应，在液体中都可以发生，所以许多人认为寻找地外生命就应该首先寻找液体，因为大概率只有液体中才能反应出能构成生物的复杂分子。

在太阳系中，表面存在液体的星球只有地球和土卫六，在地球上，液态水（以及生物作用）导致了地球大气中几乎没有二氧化碳（CO2仅占0.04%），氮气总量也下降了许多。那么土卫六表面的甲烷湖（或甲烷海洋）对其大气层会有什么影响呢？

因为化学的复杂性，我们不能确定液体总是像地球上的水那样降低大气压，也许某种反应有利于土卫六大气的补充或保留，从而导致土卫六的大气压异常地高呢？这个问题尚有待于天体化学家的进一步研究。

⑧、磁场

磁场对大气层有影响，这是许多人都知道的，因为它经常在关于火星的科普节目中被提起：传统理论认为，磁场微弱导致太阳风长驱直入火星大气深处，将大量空气分子激发至高能状态从而逃逸，从而导致了火星大气稀薄。

这种理论在火星上也许是适用的，但因为被提到的次数太多，以至于许多人认为磁场的有无是所有行星能不能拥有浓密大气层的关键。

其实这是一个非常流行的认识误区，一个明显的反例是，全太阳系岩石行星中大气压最高的金星，是没有磁场的！

还有一个更加颠覆传统认知的例子，就是前面提到的木卫一。

木卫一是太阳系火山活动最剧烈的星球，按理说它的大气层即使不像土卫六那么浓密，也应当比冥王星、海卫一强许多吧？然而事实是，它的大气压仅仅相当于冥王星的万分之一。

木卫一是木星四个大卫星中离木星最近的一个，位于木星强大磁场的深处，按传统观念，它应该受到木星磁场很好的保护，大气层不易流失对吧？你要真这么想就太天真了！

真实情况是，因为木卫一公转速度与木星自转速度不同，木卫一在运行中强烈切割磁力线，这导致了木卫一大气分子的电离，形成大量带电离子，离子在磁场作用下被加速，脱离木卫一，最终成为木星大气的一部分，而木卫一的大气压也因此大幅度降低了。

@学生 的评论也指出了不仅木卫一，其它伽利略卫星的大气都受到木星磁场的剥蚀：

木星伽利略卫星相比土星Titan，它们的轨道公转也在行星磁场更深处，接受更强的等离子体压力。其剥蚀机制和太阳风剥蚀是一样的。所以伽利略卫星的大气离子逃逸也比Titan大气逃逸强数倍。见http://doi.org/10.1007/s11214-008-9413-5

从金星与木卫一的例子可以看出，磁场的存在不见得总是对保留大气层有利，有时候它的影响并不太大，有时候甚至起反作用。

三、总结

行星大气的形成机制是行星科学中一个相当复杂的领域，除了引力、温度对行星大气的影响相对比较简单直观外，其余各种因素都是高度复杂的，试图用一个简单模型就预测一个行星有/无大气层以及大气浓密与否，是不可能成功的。

最后再举一个例子来说明行星大气问题的复杂性——这个例子反映了多种因素的复杂相互作用导致的特别复杂的结果。

研究表明，早期的金星表面可能是有液态水的，这势必导致CO2的溶解，进而降低金星大气压。

然而金星因为离太阳较近，温度比地球高，所以水更容易蒸发，水蒸气也更容易上升到大气层中更高处（因为温度更高，饱和蒸气压也高，水蒸气更不容易凝结为雨水）；另一方面，金星因为自转缓慢，所以没有磁场，于是太阳风长驱直入大气深处；第三因为金星没有生物，因此也没有氧气，所以也无法形成臭氧来遮挡紫外线。以上三点，导致水蒸气在金星大气中的快速光解和逃逸，不久之后，金星表面的的液态水就蒸发并分解殆尽了。

失去了液态水，导致金星大气层的CO2无法降解，越积越多，强烈的温室效应进一步升高了金星的温度，使得金星自形成以来因为吸积产生的热以及内部放射性衰变产热都难以散发出去，使得整个星球内部岩石的温度更高。

而更高的岩石温度，会加剧火山活动，释放更多的CO2，导致温室效应更强，温度进一步上升……

所以在金星上，因为多种因素的复杂联动，形成了正反馈的“失控的温室效应”，把金星变成了一颗地狱般的行星。