火星空气稀薄的主要原因是质量太小吗?

源济

火星空气稀薄的主要原因是质量太小吗? 

作者 / 昙花再现

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，医生的说法没什么卵用。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。

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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。