太陽系最引人注目的特徵之一是行星大氣層的多樣性。地球和金星的大小和質量相當，但金星的表面在 460 攝氏度的高溫下烘烤，承受著相當於一公里深水壓力的二氧化碳海洋。木星和土星的行星大小的衛星——卡利斯托和泰坦——大小几乎相同，但泰坦擁有比我們地球更濃厚的富氮大氣層，而卡利斯托基本上沒有空氣。是什麼導致瞭如此極端的差異？如果我們知道答案，這將有助於解釋為什麼地球充滿生命，而它的行星兄弟姐妹卻顯得死氣沉沉。瞭解大氣層是如何演化的，對於確定太陽系以外哪些行星可能適合居住也至關重要。
行星可以透過多種方式獲得氣體外衣：它可以從內部釋放蒸汽，可以捕獲彗星和小行星撞擊時帶來的揮發性物質，其引力可以將星際空間的氣體拉進來。但行星科學家已經開始意識到，氣體的逸散與氣體的供應起著同樣重要的作用。儘管地球的大氣層可能看起來像岩石一樣永恆，但它正在逐漸洩漏回太空。目前的洩漏率非常小，每秒只有大約三公斤氫氣和 50 克氦氣（兩種最輕的氣體），但即使是這種涓涓細流，隨著地質時間的推移，也可能變得非常重要，而且這個速率可能曾經更高。“小漏洞能沉大船”，本傑明·富蘭克林寫道。我們今天看到的類地行星和外行星衛星的大氣層就像中世紀城堡的廢墟——是遭受掠奪和衰敗歷史的財富殘餘。較小天體的大氣層更像是簡陋的堡壘，防禦薄弱且極其脆弱。
認識到大氣逸散的重要性改變了我們對太陽系的看法。幾十年來，科學家們一直在思考為什麼火星的大氣層如此稀薄，但現在我們想知道：為什麼它還留有大氣層？泰坦和卡利斯托之間的差異是卡利斯托失去大氣層的結果，而不是泰坦誕生於更富含空氣的物質？泰坦的大氣層曾經比今天更濃厚嗎？金星是如何堅定地抓住氮氣和二氧化碳，卻徹底失去水分的？氫氣的逸散是否幫助為地球上覆雜生命的出現奠定了基礎？它會有一天把我們的星球變成另一個金星嗎？
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當熱量來襲時 一艘達到逃逸速度的宇宙飛船，其速度足以擺脫行星的引力。原子和分子也是如此，儘管它們達到逃逸速度通常不那麼有目的性。在熱逸散中，氣體變得太熱而無法 удерживаться。在非熱過程中，化學或帶電粒子反應會將原子和分子丟擲。在第三個過程中，小行星和彗星的撞擊會吹走空氣。
在某些方面，熱逸散是三種中最常見和最直接的一種。太陽系中的所有天體都受到陽光的加熱。它們透過兩種方式擺脫這種熱量：發射紅外輻射和排放物質。在像地球這樣的長壽命天體中，前一種過程占主導地位；對於其他天體，如彗星，後一種過程占主導地位。即使是像地球這樣大小的天體，如果吸收和輻射失衡，也會迅速升溫，而其大氣層——通常與行星的其餘部分相比質量非常小——可以在宇宙瞬間脫落。我們的太陽系散佈著沒有空氣的天體，而熱逸散似乎是常見的罪魁禍首。沒有空氣的天體之所以引人注目，是因為它們的太陽加熱超過了某個閾值，這個閾值取決於天體引力的強度[購買數字版以檢視相關側邊欄]。
熱逸散以兩種方式發生。第一種叫做金斯逸散，以 20 世紀初描述它的英國天文學家詹姆斯·金斯的名字命名，空氣實際上是以原子接原子、分子接分子的方式從大氣層頂部蒸發掉。在較低的高度，碰撞限制了粒子，但在某個高度以上，稱為外逸層底，在地球上大約在地表以上 500 公里處，空氣非常稀薄，以至於氣體粒子幾乎不會發生碰撞。沒有什麼能阻止具有足夠速度的原子或分子飛向太空。
作為最輕的氣體，氫氣是最容易克服行星引力的氣體。但首先它必須到達外逸層底，而在地球上這是一個緩慢的過程。含氫分子往往不會升到大氣層的最低層以上：水蒸氣 (H2O) 會凝結並以降雨的形式落回地面，甲烷 (CH4) 會被氧化形成二氧化碳 (CO2)。一些水和甲烷分子會到達平流層並分解，釋放出氫氣，氫氣緩慢地向上擴散，直到到達外逸層底。顯然，有少量氫氣逸散出來，因為紫外線影像顯示，我們的星球周圍有一個氫原子暈[購買數字版以檢視相關側邊欄]。
地球外逸層底的溫度會振盪，但通常約為 1,000 開爾文，這意味著氫原子的平均速度為每秒 5 公里。這小於該高度的地球逃逸速度 10.8 公里/秒，但平均速度掩蓋了很大的範圍，因此仍然有一些氫原子設法擺脫了我們星球的引力。這種從速度分佈的能量尾部損失粒子的現象解釋了當今地球氫氣損失的約 10% 到 40%。金斯逸散也部分解釋了為什麼我們的月球沒有空氣。從月球表面釋放出的氣體很容易蒸發到太空中。
第二種型別的熱逸散更為引人注目。金斯逸散發生在氣體以分子接分子的方式蒸發時，而受熱的空氣也可以成團流動。高層大氣可以吸收紫外線陽光，升溫並膨脹，將空氣向上推。隨著空氣上升，它平穩地加速透過聲速，然後達到逃逸速度。這種形式的熱逸散稱為流體動力學逸散，或者更形象地說，稱為行星風——後者是類比於太陽風，即從太陽吹入星際空間的帶電粒子流。
風中之塵 富含氫氣的大氣層最容易受到流體動力學逸散的影響。當氫氣向外流動時，它可以拾起並拖動較重的分子和原子。就像沙漠風將灰塵吹過海洋，將沙粒從一個沙丘吹到另一個沙丘，而留下鵝卵石和巨石一樣，氫氣風帶走分子和原子的速率隨著其重量的增加而減小。因此，大氣層目前的成分可以揭示是否曾經發生過這個過程。
事實上，天文學家已經在太陽系外，在類木行星 HD 209458b 上看到了流體動力學逸散的明顯跡象。巴黎天體物理研究所的阿爾弗雷德·維達爾-馬德賈爾和他的同事於 2003 年利用哈勃太空望遠鏡報告說，這顆行星有一個膨脹的氫氣大氣層。隨後的測量發現了這個膨脹大氣層中的碳和氧。這些原子太重了，無法自行逸散，因此它們一定是氫氣拖拽到那裡的。流體動力學損失還可以解釋為什麼天文學家沒有發現比 HD 209458b 更靠近恆星的大行星。對於軌道半徑在距恆星約 300 萬公里（約為 HD 209458b 軌道半徑的一半）範圍內的行星，流體動力學逸散會在幾十億年內剝離整個大氣層，只留下焦土般的殘餘物。
行星風的證據為 20 世紀 80 年代提出的關於古代金星、地球和火星流體動力學逸散的觀點提供了佐證。三個線索表明這個過程曾經在這些世界上發生過。第一個線索涉及惰性氣體。如果不是因為逸散，像氖或氬這樣的化學惰性氣體將無限期地留在大氣層中。它們不同同位素的丰度將與它們的原始值相似，而考慮到它們在太陽星雲中的共同起源，原始值又與太陽的相似。然而，丰度卻有所不同。
其次，年輕的恆星是紫外線的強大來源，我們的太陽可能也不例外。這種輻射可能驅動了流體動力學逸散。
第三，早期的類地行星可能擁有富氫大氣層。氫可能來自水與鐵的化學反應、星雲氣體或被太陽紫外線輻射分解的水分子。在那些原始時期，小行星和彗星撞擊更加頻繁，每當它們撞擊海洋時，都會向大氣層注入蒸汽。經過數千年，蒸汽凝結並以降雨的形式落回地表，但金星離太陽足夠近，水蒸氣可能在大氣層中持續存在，太陽輻射可能會將其分解。
在這種條件下，流體動力學逸散很容易發生。20 世紀 80 年代，現在在賓夕法尼亞州立大學的詹姆斯·F·卡斯廷表明，金星上的流體動力學逸散可能會在幾千萬年內帶走相當於一個海洋的氫氣[參見詹姆斯·F·卡斯廷、歐文·B·圖恩和詹姆斯·B·波拉克合著的《類地行星氣候是如何演化的》；《大眾科學》，1988 年 2 月]。卡斯廷和我們中的一位（扎恩勒）隨後表明，逸散的氫氣會拖走大部分氧氣，但留下二氧化碳。由於沒有水來調節將二氧化碳轉化為碳酸鹽礦物（如石灰石）的化學反應，二氧化碳在大氣層中積聚，形成了我們今天看到的如同地獄般的金星。
在較小的程度上，火星和地球似乎也遭受了流體動力學損失。明顯的特徵是較輕同位素的缺乏，這些同位素更容易丟失。在地球和火星的大氣層中，氖 20 與氖 22 的比率比太陽的比率小 25%。在火星上，氬 36 相對於氬 38 也同樣貧乏。即使是地球大氣層中最重的氣體氙的同位素——除了汙染物——也顯示出流體動力學逸散的印記。如果流體動力學逸散足夠劇烈，可以席捲氙，為什麼它沒有將大氣層中的其他所有物質都席捲走呢？為了解決這個難題，我們可能需要為氙構建一個與現在大氣層中其他氣體不同的歷史。
流體動力學逸散可能也剝奪了泰坦的大部分空氣。當歐洲航天局的惠更斯探測器於 2005 年穿過泰坦大氣層時，發現氮 14 與氮 15 的比率為地球上的 70%。考慮到這兩種同位素的逸散傾向僅略有不同，這是一個巨大的差異。如果泰坦的大氣層最初具有與地球相同的氮同位素組成，那麼它一定損失了大量的氮——是它目前擁有的大量的幾倍——才能將比率降至目前的水平。簡而言之，泰坦的大氣層可能曾經比今天更濃厚，這隻會加劇它的神秘感。
透過化學反應更好地逸散 在某些行星上，包括現代地球，熱逸散不如非熱逸散重要。在非熱逸散中，化學反應或粒子-粒子碰撞會將原子彈射到逃逸速度。非熱逸散機制的共同之處在於，原子或分子在一個事件中達到非常高的速度，這個事件發生在外逸層底之上，因此撞到東西不會阻礙逃逸者。許多型別的非熱逸散都涉及離子。通常，這些帶電粒子透過行星的磁場束縛在行星上，磁場可以是全球（內部產生）磁場——如果有的話——也可以是由太陽風穿過而產生的區域性磁場。但它們會找到溜出去的方法。
在一種稱為電荷交換的事件中，一個快速的氫離子與一箇中性氫原子碰撞並捕獲其電子。結果是一個快速的中性原子，它對磁場免疫。這個過程解釋了目前地球氫氣損失的 60% 到 90%，以及金星大部分氫氣損失的原因。
另一種逸散途徑利用了行星磁阱中的一個薄弱點——我們敢說是漏洞。大多數磁場線從一個磁極環繞到另一個磁極，但最寬的磁場線被太陽風向外拖拽，並且不會環繞回來；它們對星際空間保持開放。透過這個開口，離子可以逸散。可以肯定的是，離子仍然必須克服引力，只有像氫和氦這樣的最輕的離子才能做到。由此產生的帶電粒子流，稱為極地風（不要與行星風混淆），解釋了地球氫氣損失的 10% 到 15% 和幾乎所有的氦氣洩漏。
在某些情況下，這些輕離子可以將較重的離子一起捲走。這個過程可能解釋了氙謎：如果極地風在過去更加劇烈，它可能已經拖出了氙離子。一個證據是，氪的同位素模式與氙的同位素模式不同，即使氪是一種更輕的氣體，並且在所有條件相同的情況下，應該更容易逸散。不同之處在於，氪與氙不同，它能抵抗電離，因此即使是強烈的極地風也不會對其產生影響。
第三種非熱過程稱為光化學逸散，它發生在火星上，也可能發生在泰坦上。氧氣、氮氣和一氧化碳分子漂移到高層大氣，在那裡太陽輻射使它們電離。當電離的分子與電子複合或彼此碰撞時，釋放出的能量會將分子分裂成具有足夠速度的原子以逸散。
火星、泰坦和金星缺乏全球磁場，因此它們也容易受到第四種非熱過程的影響，稱為濺射。如果沒有行星磁場來遮蔽它，這些世界的高層大氣層就會完全暴露在太陽風的衝擊之下。太陽風拾起離子，然後離子進行電荷交換並逸散。火星的大氣層富含重氮和碳同位素，這表明它已經失去了早期大氣層的 90%。濺射和光化學逸散是最可能的罪魁禍首。2013 年，美國宇航局計劃發射火星大氣與揮發演化探測器 (MAVEN) 任務，以測量逸散的離子和中性原子，並重建這顆行星的大氣歷史。
不可避免的後果 與彗星或小行星撞擊行星時產生的巨大飛濺相比，熱逸散和非熱逸散都像涓涓細流。如果投射物足夠大且速度足夠快，它們會汽化自身以及質量相近的地表物質。隨之而來的熱氣體羽流可以比逃逸速度更快地膨脹，並將上覆的空氣驅散。撞擊能量越大，噴射出的大氣錐體就越寬。對於 6500 萬年前導致恐龍滅絕的小行星，錐體從垂直方向大約有 80 度寬，並且包含了大氣層的十萬分之一。更具能量的撞擊可以帶走切線與行星相切的平面之上的整個大氣層。
另一個決定錐體寬度的因素是大氣密度。空氣越稀薄，損失的大氣層比例就越大。這意味著一個令人沮喪的結果：一旦脆弱的大氣層開始磨損，撞擊侵蝕就會變得越來越容易，直到大氣層完全消失。不幸的是，火星在它的青年時期生活在一個糟糕的鄰域，靠近小行星帶，而且由於體積小，特別容易受到影響。考慮到太陽系早期撞擊體的預期尺寸分佈，這顆行星應該在不到 1 億年的時間內被剝離掉整個大氣層。
木星的大衛星也生活在一個危險的鄰域——即，深入到這顆巨行星的引力場中，這會加速來襲的小行星和彗星。撞擊本應剝奪了這些衛星曾經擁有的任何大氣層。相比之下，泰坦的軌道離土星比較遠，那裡的撞擊速度較慢，大氣層可以倖存下來。
透過所有這些方式，逸散解釋了大氣層的多樣性，從卡利斯托和蓋尼米德上沒有空氣，到金星上沒有水。一個更微妙的後果是，逸散傾向於氧化行星，因為氫比氧更容易丟失。氫逸散是火星、金星甚至地球變紅的根本原因。大多數人不會認為地球是紅色星球，但大陸地殼的大部分是紅色的。土壤和植被掩蓋了這種原生色調。這三個世界最初都是火山岩的灰黑色，並且隨著原始礦物氧化成氧化鐵（類似於鐵鏽）而變紅。為了解釋它的顏色，火星一定損失了一個相當於全球深度為幾米到幾十米的海洋的水。
在地球上，大多數研究人員將 24 億年前氧氣的積累歸因於光合作用生物，但在 2001 年，我們提出氫氣的逸散也發揮了重要作用。微生物在光合作用中分解水分子，氫氣可以像接力棒一樣從有機物傳遞到甲烷，最終到達太空。預期的氫氣損失量與今天地球上氧化的物質淨過剩量相符。
逸散有助於解開火星大氣層如此稀薄的謎團。科學家們長期以來一直假設，水、二氧化碳和岩石之間的化學反應將最初濃厚的大氣層變成了碳酸鹽礦物。碳酸鹽從未被回收回二氧化碳氣體，因為火星體積太小，冷卻得很快，火山停止噴發。這個理論的問題是，到目前為止，航天器只在火星上發現了一個小區域有碳酸鹽巖，而且這個露頭可能是在溫暖的地下水中形成的。此外，碳酸鹽理論無法解釋為什麼火星的氮氣或惰性氣體如此之少。逸散提供了一個更好的答案。大氣層沒有被封鎖在岩石中；它消散到了太空中。
一個令人困擾的問題是，撞擊侵蝕本應完全清除了火星的大氣層。是什麼阻止了它？一個答案是簡單的機會。大型撞擊本質上是罕見的，並且它們發生的頻率在大約 38 億年前迅速下降，因此火星可能倖免於最後的毀滅性打擊。一次大型的冰質小行星或彗星撞擊可能沉積了比後續撞擊能夠清除的更多的揮發物。或者，火星大氣層的殘餘物可能在地下倖存下來，並在轟炸平息後洩漏出來。
儘管地球看起來相對沒有受到逸散的影響，但這將會改變。今天，氫逸散被限制在涓涓細流，因為主要的含氫氣體水蒸氣在低層大氣中凝結並以降雨的形式落回地表。但我們的太陽正在緩慢地變亮，大約每十億年變亮 10%。這在人類的時間尺度上是難以察覺的緩慢，但隨著地質時間的推移，將是毀滅性的。隨著太陽變亮，我們的大氣層變暖，大氣層將變得更加潮溼，氫逸散的涓涓細流將變成滔天洪流。
預計這個過程將在太陽亮度增加 10% 時變得重要——也就是在十億年後——並且還需要大約十億年的時間才能使我們星球的海洋乾涸。地球將變成一個沙漠星球，最多隻有一個萎縮的極地冰蓋，並且只有微量的珍貴液體。再過二十億年後，太陽將無情地照射我們的星球，即使是極地綠洲也會消失，最後一滴液態水將蒸發，溫室效應將變得足夠強大，足以融化岩石。地球將步金星的後塵，走向貧瘠的死寂。
這篇文章最初以“行星空氣洩漏”為標題印刷。