火星空气稀薄的主要原因是质量太小吗?
首先，我们要明白“质量太小”对于火星意味着什么。简单来说，就是火星相比于地球，它的引力要弱得多。你可以想象一下，地球就像一个巨大的磁铁，能牢牢地吸附住我们周围的空气分子。火星这个“磁铁”的吸力就小了很多。
那么，引力弱如何导致空气稀薄呢？
1. 气体逃逸（Atmospheric Escape）：这是最核心的原因。行星的大气层并非静止不动，其中的气体分子一直在运动。它们拥有一定的动能，随着温度升高，这些分子的运动速度也会加快。如果一个气体的运动速度能够达到或超过“逃逸速度”，它就有可能摆脱行星的引力束缚，飘散到太空中。
逃逸速度：这是行星引力能“抓住”一个物体所需的最小速度。质量越大的行星，引力越强，逃逸速度也就越高。地球的逃逸速度大约是每秒11.2公里，而火星的逃逸速度只有每秒5公里。这意味着，如果一个气体分子在火星上达到了每秒5公里的速度，它就有可能逃逸。
气体分子的速度：气体的温度越高，其中分子的平均动能就越大，运动速度也就越快。虽然火星的平均温度比地球低，但一些轻质量的气体分子，比如氢和氦，即使在较低的温度下，其平均速度也可能接近甚至超过火星的逃逸速度。
轻质气体逃逸：火星大气的主要成分是二氧化碳，相对较重。但大气中也存在一些轻质气体，例如氢、氦，甚至一些较轻的碳的化合物。这些轻质气体更容易获得足够的动能来克服火星微弱的引力，从而逃逸到太空。久而久之，这些轻质气体的损失就会对大气的整体密度和组成产生显著影响。
非热逃逸：除了气体分子直接获得足够动能的“热逃逸”，还有一些更复杂的过程，比如“光致电离逃逸”，即太阳辐射将大气分子电离，使其带电，然后这些带电粒子可能受到太阳风（一种由带电粒子组成的粒子流）的干扰，被剥离逃逸。火星的磁场非常微弱，无法有效阻挡太阳风，这进一步加剧了气体逃逸。
2. 早期大气损失：除了现在的持续逃逸，火星在早期可能损失了相当一部分大气。科学家们普遍认为，火星曾经拥有一个更厚的大气层，甚至可能存在液态水。但随着火星逐渐冷却，其内部发电机效应停止，失去了全球性的磁场保护。没有了磁场的庇护，太阳风可以直接剥离火星高层大气。科学家通过探测器（如MAVEN）的研究发现，火星大气正在以每秒约100克的速度流失，其中大部分发生在电离层，主要是氧、二氧化碳和一氧化碳的电离碎片。
3. 大气压与密度：当气体分子更容易逃逸，并且早期大气也有大量损失时，自然而然地，能够被行星“挽留”住的气体总量就会非常少。这意味着火星大气层的总质量非常小。根据物理学原理，在大气层中，气体的密度会随着高度的增加而指数级下降。而火星的整体“基线”密度就非常低。
大气压：火星表面的大气压只有地球表面的大约0.6%。你可以想象，我们站在地球上，大气层就像一个厚厚的保护罩，提供了足够的压力。但在火星上，这个“罩子”非常薄。
密度：低气压直接反映了大气密度的低下。这意味着每单位体积的空气中包含的气体分子数量很少。
总结一下，火星空气稀薄，核心原因在于它“质量太小”导致引力弱：
微弱的引力使得火星难以像地球一样牢牢地抓住气体分子。
轻质气体更容易达到逃逸速度，从而散逸到太空中。
缺乏强大的全球磁场，使得太阳风能够直接剥离大气层，加剧了气体损失。
早期大气也可能遭受了严重的损失，使得原本可能更厚重的大气层变得稀薄。
所以，“质量太小”并非仅仅是一个简单的陈述，它是一个连锁反应的起点，直接影响了火星的引力，进而决定了它能够保留多少大气，以及大气是否容易流失，最终造就了我们今天看到的这层稀薄得近乎真空的火星大气。
试想一下，如果你手上拿的是一个非常小的气球，里面的空气很容易就会从缝隙中漏掉，你很难让它保持鼓鼓的状态。而一个非常大的、非常坚固的气球，则能容纳更多的空气，并且不易漏气。火星的“质量太小”，就像那个不大的气球，而地球则是那个大而牢固的气球。
网友意见
是的，火星空气稀薄的主要原因，或者说关键原因，就是质量太小。
关于火星空气稀薄的问题，有一个非常流行的认识误区：在许多科普作品中，包括诸如《Discovery》这类严肃科普节目中，他们说是因为火星磁场微弱，不能阻止太阳风的侵蚀，导致了大气流失。
之所以说这是一个认识误区，而不直接说这是一个错误，是因为他们其实没有说错什么。火星上流失的空气分子，确实大部分是被太阳风所激发，获得高能量而从火星逃逸的，而太阳风之所以能大量激发这些空气分子，也确实是因为火星磁场微弱，太阳风中的带电粒子难以被磁场偏转，可以长驱直入大气深处。
虽然他们没有说错，但没有说到重点，因为磁场因素只是火星大气流失的直接原因，而非关键原因。
为了便于理解直接原因和关键原因的区别，我用一个类比来说明。
有两个学生甲和乙，他们各自拿起一瓶液体喝了。
甲的瓶子里装的是可乐，他喝完后就活蹦乱跳地去上课了。
乙的瓶子里装的是百草枯，他于是被送进医院。尽管医生全力抢救，乙仍然出现了多种症状，最后因呼吸衰竭死了。
在解释乙的死因时，医生的说法是，尽管乙出现多种症状，但真正的死因是呼吸衰竭。
学校负责安全教育的老师的说法是，乙因为喝百草枯而死。
医生的说法显然是正确的，严谨而精准，因为呼吸衰竭就是乙死亡的直接原因。
然而对于想要吸取经验教训，避免悲剧再次发生的其他人来说，医生的说法没什么用处。我们并不知道该如何避免呼吸衰竭。
而负责安全教育的老师则说到了问题的关键：之所以甲没死而乙死了，他们命运分野的关键点就是甲喝的是可乐，而乙喝的是百草枯。这个说法也对我们有指导作用，在甲和乙当初面临的情形下该如何做：要避免喝百草枯。
回到原问题：前面我们解释了为什么磁场微弱是火星大气流失的直接原因。那么，为什么又说它不是火星大气稀薄的关键原因呢？
因为有一个对比鲜明的例子：金星。
金星的磁场比火星更加微弱，目前我们的探测器尚无法探测到金星的固有磁场，也就是说，如果金星存在固有磁场的话，也必定弱于探测器灵敏度下限。可是金星大气不但比火星浓密，甚至比地球还要浓密92倍。
太阳风同样可以长驱直入金星大气深处，并且，由于金星离太阳更近，它所遭受的太阳风粒子的轰击比火星要强得多，再加上金星大气温度比火星大气温度高得多，空气分子本身的能量也要高不少，这样看来，金星大气应该更快流失，并导致大气更加稀薄才对呀？
那么是什么造成了金星与火星如此悬殊的差异呢？
一、引力的影响
问题的第一个关键点，是质量的差异。
金星的质量比火星大得多（7.6倍），因此金星引力对空气分子的束缚也要大很多，这导致了金星空气分子平均动能虽然比火星高，却比火星空气分子流失得少。
有人可能会说，太阳风粒子能量那么高，被激发的空气分子获得如此高的能量后，就是10倍100倍金星的引力，也不足以留住它吧？
其实，如果太阳风激发空气的模式真是这样简单的方式，那反倒不足为虑了：太阳风粒子的数量，与大气中空气分子的数量比起来完全是9牛1毛，如果一个太阳风粒子只激发一个空气分子令它逃逸，那么全部太阳风粒子总共也激发不了多少空气分子，不可能造成空气的明显损耗。
真实的激发方式是这样的：一个高能粒子进入大气后，它首先撞到一个空气分子，只把一部分能量传递出去，然后它继续前进，撞到第二个、第三个……每次撞击它都损失一部分能量，直到它自身能量变得很低为止。同时那些被撞过的空气分子，也会再撞击其它空气分子，这样能量就一级级传递出去，最后分散到很多分子上。
这些获得能量的空气分子，能量越高的数量越少，能量越低的数量越多。能量高到足以逃脱引力束缚的只有极少部分，而如果引力稍微强一点，能够逃逸的分子数量就会明显减少。那么，当引力强大很多倍的时候，可逃逸分子数量减少的幅度就非常可观了。
具体看图：
图中横坐标表示空气分子的数量，纵坐标表示分子的速度（对应分子的动能，用速度表示更直观）。红色曲线是火星空气分子速度与数量的分布关系，红色横虚线是火星的逃逸速度，红色竖点划线表示火星上能逃逸的分子数量：左边的分子能够逃逸。黄色的线则是金星的对应参数。
可以看出，虽然金星空气分子的平均速度更高，但由于金星的逃逸速度高得多，所以金星上能逃逸的空气分子更少。
上面都是定性的泛泛而谈，下面我们来定量的计算一下。
金星的逃逸速度Vev：10.36km/s
火星的逃逸速度Vem：5.02km/s
Vev/Vem = 2.064
对应的分子平均动能：
Eev/Eem = （Vev/Vem）^2 = 4.259
或者说，在不考虑其它因素的情况下，要想让金星上的空气流失比例与火星相同，则金星的温度（绝对温标）需要达到火星的4.259倍（注意，这个推论不是很严谨精确，但能大概说明问题，你懂的）。
而实际上，金星的平均温度为737K，而火星的平均温度为210K。
Tv/Tm = 3.51
可见金星的空气流失比例确实不如火星。
但这个差异幅度仍不能完全解释金星与火星大气压一万五千多倍的差距。
二、气体供应量的影响
问题的第二个关键点，还是质量的差异。
类木行星有大量的氢、氦等气体，这是其早期形成时吸积的。但太阳系的类地行星比较靠近太阳，温度较高，质量又不太大，它们都无法吸积这些轻质气体，即使当初形成时有一点，也会在漫长的岁月中丧失殆尽。
那么类地行星的大气是哪里来的呢？
一方面，类地行星形成时可以通过引力吸积一部分较重的气体（例如氮气、氩气等）；更多的，则是在漫长岁月中，通过“除气”作用，将行星内部混在岩石中的挥发成分排除出来，例如二氧化碳、二氧化硫等等。
而除气作用，一个最主要的机制就是火山活动。火山喷发时，不仅仅喷出岩浆和火山灰，还大量喷出各种气体。
火星因为质量小、体积小，所以冷却比较快，因此大规模火山活动可能已经停止很久了，而金星，我们已经观察到了正在喷发中的火山。
前面说过，因为磁场微弱，两颗行星都受太阳风的强烈影响。相对于地球来说，它们的大气流失率都是比较高的，高的流失率如果没有不断的补充，那么大气就会很快流失得差不多了。火星正是因为有着比金星更高的流失率而又缺乏补充，所以大气压才降到今天这个地步的。
同样没有磁场的火星和金星大气的巨大差别，应该主要就是由引力和除气两个因素造成的。
【【【跑一下题：
可能有人会问，金星的大气流失率应该比地球高不少（没有磁场、温度更高、质量还比地球小），为什么大气压却是地球的92倍呢？
这是因为——地球上有水。
我们来看看，金星大气里都有些啥：
CO2：96.5%
N2：3.5%
其它气体微量。
与金星形成反差的是，地球大气中二氧化碳才占0.04%。
地球大气中的二氧化碳，可以溶解到水中，形成碳酸根离子，再与水中的金属离子结合成难溶性盐，沉淀回岩石中：主要是碳酸钙（石灰岩）和碳酸镁（白云岩）。大气中剩余的少量二氧化碳，则几乎都被植物通过光合作用变成有机物和氧气了。
而金星上的二氧化碳一旦被喷出到大气中，就再也回不去了，并且二氧化碳是一种分子量高达44的极重气体，非常不容易流失，于是在漫长的地质年代中越积越多。
那么氮气呢？氮气可不溶于水，那么为什么金星的氮气也有地球的4倍之多呢？
虽然氮气不直接溶于水，但地球上有氧气，那么氮气可以通过多种方式与氧气结合，再与水和金属离子结合，形成硝酸盐，并继而成为生物合成蛋白质的原料。
另一方面，在行星形成时，氮主要来源于氨气NH3。地球上的水可以把大部分氨气转化为铵盐保留在岩石和水中，而缺水的金星，在早期大气中应该会有氨气存在，氨气又会通过太阳光解作用分裂为氮气和氢气，氢气逃逸，留下氮气。（地球的氮气，相信主要也是通过氨的光解得到的，但因为被水溶解了许多，所以被光解的部分就比金星少了。）
还有一个因素也不能忽视：前面说金星大气流失率比地球高，那是指理论上，在两者大气成分相同下得到的结论。但实际上，因为金星大气中CO2比例高，平均分子量也比较高，而地球大气主要是相对较轻的氮和氧，所以两个星球的实际大气流失率还真不好说，我没有看到相关资料，先不下定论。
跑回来】】】
三、再回头讨论一下磁场的因素
前面说过，磁场微弱并非造成火星与金星大气差异的因素，但仍是火星大气流失的直接原因，而对于火星来说，造成磁场微弱这一局面的关键因素，依然是质量小。
根据目前关于天体磁场形成机制的假说（发电机机制），天体要形成磁场，需要两个前提条件：
1、要有导电的流体；
2、足够快的旋转。
金星没有磁场的原因应该就是自转太慢，而火星自转足够快，它的磁场微弱的原因，很可能是因为没有液态的铁核。
因为火星质量小，冷却快，内核的铁可能已经凝固了。
如果火星内核没有凝固，它的磁场还在的话，想必火星大气会比现在浓密不少，虽然可能依然不能和地球相比。
四、展开讨论一下：影响行星大气的其它因素
温度和太阳风流量：
从前面对引力影响的讨论中，可以得出一个结论：温度和太阳风流量也是影响大气层的一个极重要因素，如果引力不够大，但温度和太阳风流量足够低，也是可以保留大气的，典型的例子就是冥王星，虽然逃逸速度低至1.212km/s，但因为平均温度只有44K，所以仍能保留一层稀薄的大气。
分子量：
大气成分的影响因素主要就是分子量。引力越大的天体，越能留住轻质气体，比如木星和土星，氢和氦的比例都在90%以上，而天王星和海王星则有大约20%的氢氦。
地球和金星能留住的气体，分子量应该大于20-28之间的某个数——它们都保留了分子量28的氮气，却几乎不含在宇宙中更多的、分子量20的氖，而原始来源比氖低一个数量级以上的氩，却在它们以及火星的大气中有显著的含量。
液体：
正如前面说过的，地球上液体水的存在，可以通过溶解某些物质来影响大气，相信类似的机制在所有表面有液体的星球上都可能发挥作用。
处于凝结温度附近的成分：
虽然分子量大小基本决定了一种气体能否在一个较小行星上保存，但地球上却有分子量18的水蒸气，这是因为，地球大气的温度正好略低于水的沸点，那些蒸发到大气中的水蒸气，会在大气某个较冷的高度几乎全部凝结，以下雨的方式降回去，而不能上升到大气层顶逃逸（逃逸只会在顶部发生）。土卫六的甲烷应该也是靠这种机制保留的。
奇葩的因素：
地球是已观测到的宇宙中有生命的唯一奇葩，植物的光合作用导致地球也是唯一已知含有高浓度氧气的星球。
虽然通过水的光解也可以形成氧气，例如木卫二的大气就几乎完全由氧气组成，但这种机制要么无法形成足够高浓度的大气，要么无法持续太长的时间。具体分析可以看：昙花再现：如果把地球那么大的一团水放在太空会发生什么？
我在微信群里和 @刘博洋 以及几位研究系外行星的朋友经过较充分的讨论，结论是，除了光合作用以外，可能不存在其它机制，能够在类似地球大小的行星上持续形成富氧大气。
也就是说，如果未来我们在太阳系外发现一颗类似地球（质量、温度）的行星，且年龄超过数亿年，而其大气层中含有较多（例如不低于3%）氧气，那么我们有99.9%以上的把握断定，我们发现了宇宙中另一朵有生命的奇葩。
未解之谜：
通过前面影响大气的各项因素的分析，我们仍无法很好地理解土卫六何以有高达1.45倍大气压的浓厚大气层，土卫六大气成因仍是一个未解之谜。
虽然较低的温度、较低的太阳风流量、以及得到土星磁场保护等可以对土卫六大气有一定贡献，但远远不能说明其如此之高的大气压。现在一般认为气体供应量可能是一个主要的因素：土卫六的“岩石”中硅酸盐比较少，而由水、氨组成的冰有较高含量，通过氨光解释放氮气可能是土卫六大气的主要来源；另外，其温度范围可以使诸如甲烷这类物质同时存在固液气三相（类似地球上的水），这可能也是一个重要的因素。
当然，也可能还有其它未知的因素。这些有赖于将来的进一步研究。
最后总结
总的来说，影响一个星球大气浓度的各种因素中，星球的质量是最关键的因素。一个木星那么大的星球，即使放到水星轨道也能拥有浓密大气，而把月球放到冥王星的位置，其大气浓度也不会比冥王星多多少。
而火星空气稀薄，显然也是主要由质量这个因素导致的。
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3月25日更新：
应评论区要求，补充一点关于改造火星/殖民火星的个人看法：
一般人可能认为，火星不适合人类居住的最大问题是没有氧气，其实这不是关键。
火星环境对人类最大的挑战是气压。
火星大气压只有636Pa，作为对比的是地球大气是101325Pa，是火星的159倍。
而水的固-液-气三相点正好在636Pa附近，也就是说，在636Pa压力下，水的沸点在0℃附近。
这意味着，体温37℃的人体，如果突然暴露在火星大气中，血液、体液会立即沸腾，然后就会“砰”的一声：
——玉米粒变成了爆米花。
因此，即使将来经过改造，火星大气中有了氧气，人类在火星上也无法像在地球上那样无防护地在荒野上漫步。
未来移民火星的人类，将不得不生活在经过加压的密封建筑物内，或者穿着太空服去郊游。
不过，虽然人类无法在636Pa的大气压环境生存，但并不代表所有生物都不能在这么低的气压下生存。
众所周知的“网红”动物——水熊虫，据说在真空里呆上很长时间也不死，当然，它只是不死，在那样环境下它会处于休眠状态，要让它在如此低压环境活蹦乱跳地生活，它也只好表示办不到。
水熊虫身体结构还是太复杂，也许一些更简单的单细胞生物，在火星大气压下可以茁壮成长。
没有氧气倒不是难题，地球上有那么一大群生物就是厌氧的，它们表示氧气越少活得越滋润。
但是人和高等生物需要氧气呀！——这也不难，我们可以弄一批厌氧的蓝菌上去制造氧气。
我不清楚目前地球上有没有能够耐受如此低压的厌氧蓝菌，但是即使没有，鉴于单细胞生物具备的快速繁殖、快速进化能力，我们可以人工培育一批这样的生物。
有人可能会对此提出质疑：在三相点附近气压下，水不能以液态存在，在0℃以下是固态的冰，0℃以上则直接升华为水蒸气……而细胞要能生活，要能进行生化反应，就必须要有液态水的存在。
你想多了好吧？你说的那是纯水，如果往水里加点氯化钠或别的杂质，熔点就会降低，答主本人就亲测过零下十几度的盐水。
好了，地球人来到火星，找到一个温度适宜的区域，播种了一批经过培育，适合火星环境的蓝菌，开始制造氧气……
取决于播种的规模，改造火星的速度可快可慢，不过即使最快的方案也是极慢的，如果我们今天就开干，估计到你孙子的孙子的孙子去世的时候，也没有什么明显的改变。
也许几千年后，火星大气有了一点点氧气，虽然还不适合高等动物生存，但一些复杂一点的、非厌氧的植物，也许能够适应。这些植物的代谢速度、制造氧气的速度都比厌氧生物快，一旦它们在火星上播种成功，火星氧气增加的步伐就可以大大加快。
再过几千年，火星大气中或许有了百分之几的氧气，这时候就可以往火星移民了：反正我们都是住在密封房子里或穿着太空服，氧气浓度和气压低点都不是问题，我们的房子和太空服都有加压兼浓缩氧气的功能。
至于幻想把火星大气改造成地球那么高的气压，这不可能，目前人类可以想象的技术都无法实现。
短期的，可以通过加热火星表面的干冰、在地下搞核爆炸（模拟火山）等方式快速增加气体供应量，但效果有限且不可持续。增加的气体不久之后又会流失。
让火星能够长期保有浓密大气的唯一方法就是给火星增加几倍的质量，这……意淫一下就好，别当真。
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