火星空氣稀薄的主要原因是質量太小嗎?

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是的，火星空氣稀薄的主要原因，或者說關鍵原因，就是質量太小。

關於火星空氣稀薄的問題，有一個非常流行的認識誤區：在許多科普作品中，包括諸如《Discovery》這類嚴肅科普節目中，他們說是因為火星磁場微弱，不能阻止太陽風的侵蝕，導致了大氣流失。

之所以說這是一個認識誤區，而不直接說這是一個錯誤，是因為他們其實沒有說錯什麼。火星上流失的空氣分子，確實大部分是被太陽風所激發，獲得高能量而從火星逃逸的，而太陽風之所以能大量激發這些空氣分子，也確實是因為火星磁場微弱，太陽風中的帶電粒子難以被磁場偏轉，可以長驅直入大氣深處。

雖然他們沒有說錯，但沒有說到重點，因為磁場因素只是火星大氣流失的直接原因，而非關鍵原因。

為了便於理解直接原因和關鍵原因的區別，我用一個類比來說明。

有兩個學生甲和乙，他們各自拿起一瓶液體喝了。

甲的瓶子里裝的是可樂，他喝完後就活蹦亂跳地去上課了。

乙的瓶子里裝的是百草枯，他於是被送進醫院。儘管醫生全力搶救，乙仍然出現了多種癥狀，最後因呼吸衰竭死了。

在解釋乙的死因時，醫生的說法是，儘管乙出現多種癥狀，但真正的死因是呼吸衰竭。

學校負責安全教育的老師的說法是，乙因為喝百草枯而死。

醫生的說法顯然是正確的，嚴謹而精準，因為呼吸衰竭就是乙死亡的直接原因。

然而對於想要吸取經驗教訓，避免悲劇再次發生的其他人來說，醫生的說法沒什麼卵用。我們並不知道該如何避免呼吸衰竭。

而負責安全教育的老師則說到了問題的關鍵：之所以甲沒死而乙死了，他們命運分野的關鍵點就是甲喝的是可樂，而乙喝的是百草枯。這個說法也對我們有指導作用，在甲和乙當初面臨的情形下該如何做：要避免喝百草枯。

回到原問題：前面我們解釋了為什麼磁場微弱是火星大氣流失的直接原因。那麼，為什麼又說它不是火星大氣稀薄的關鍵原因呢？

因為有一個對比鮮明的例子：金星。

金星的磁場比火星更加微弱，目前我們的探測器尚無法探測到金星的固有磁場，也就是說，如果金星存在固有磁場的話，也必定弱於探測器靈敏度下限。可是金星大氣不但比火星濃密，甚至比地球還要濃密92倍。

太陽風同樣可以長驅直入金星大氣深處，並且，由於金星離太陽更近，它所遭受的太陽風粒子的轟擊比火星要強得多，再加上金星大氣溫度比火星大氣溫度高得多，空氣分子本身的能量也要高不少，這樣看來，金星大氣應該更快流失，並導致大氣更加稀薄才對呀？

那麼是什麼造成了金星與火星如此懸殊的差異呢？

一、引力的影響

問題的第一個關鍵點，是質量的差異。

金星的質量比火星大得多（7.6倍），因此金星引力對空氣分子的束縛也要大很多，這導致了金星空氣分子平均動能雖然比火星高，卻比火星空氣分子流失得少。

有人可能會說，太陽風粒子能量那麼高，被激發的空氣分子獲得如此高的能量後，就是10倍100倍金星的引力，也不足以留住它吧？

其實，如果太陽風激發空氣的模式真是這樣簡單的方式，那反倒不足為慮了：太陽風粒子的數量，與大氣中空氣分子的數量比起來完全是9牛1毛，如果一個太陽風粒子只激發一個空氣分子令它逃逸，那麼全部太陽風粒子總共也激發不了多少空氣分子，不可能造成空氣的明顯損耗。

真實的激發方式是這樣的：一個高能粒子進入大氣後，它首先撞到一個空氣分子，只把一部分能量傳遞出去，然後它繼續前進，撞到第二個、第三個……每次撞擊它都損失一部分能量，直到它自身能量變得很低為止。同時那些被撞過的空氣分子，也會再撞擊其它空氣分子，這樣能量就一級級傳遞出去，最後分散到很多分子上。

這些獲得能量的空氣分子，能量越高的數量越少，能量越低的數量越多。能量高到足以逃脫引力束縛的只有極少部分，而如果引力稍微強一點，能夠逃逸的分子數量就會明顯減少。那麼，當引力強大很多倍的時候，可逃逸分子數量減少的幅度就非常可觀了。

具體看圖：

圖中橫坐標表示空氣分子的數量，縱坐標表示分子的速度（對應分子的動能，用速度表示更直觀）。紅色曲線是火星空氣分子速度與數量的分布關係，紅色橫虛線是火星的逃逸速度，紅色豎點劃線表示火星上能逃逸的分子數量：左邊的分子能夠逃逸。黃色的線則是金星的對應參數。

可以看出，雖然金星空氣分子的平均速度更高，但由於金星的逃逸速度高得多，所以金星上能逃逸的空氣分子更少。

上面都是定性的泛泛而談，下面我們來定量的計算一下。

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

對應的分子平均動能：

Eev/Eem = （Vev/Vem）^2 = 4.259

或者說，在不考慮其它因素的情況下，要想讓金星上的空氣流失比例與火星相同，則金星的溫度（絕對溫標）需要達到火星的4.259倍（注意，這個推論不是很嚴謹精確，但能大概說明問題，你懂的）。

而實際上，金星的平均溫度為737K，而火星的平均溫度為210K。

Tv/Tm = 3.51

可見金星的空氣流失比例確實不如火星。

但這個差異幅度仍不能完全解釋金星與火星大氣壓一萬五千多倍的差距。

二、氣體供應量的影響

問題的第二個關鍵點，還是質量的差異。

類木行星有大量的氫、氦等氣體，這是其早期形成時吸積的。但太陽系的類地行星比較靠近太陽，溫度較高，質量又不太大，它們都無法吸積這些輕質氣體，即使當初形成時有一點，也會在漫長的歲月中喪失殆盡。

那麼類地行星的大氣是哪裡來的呢？

一方面，類地行星形成時可以通過引力吸積一部分較重的氣體（例如氮氣、氬氣等）；更多的，則是在漫長歲月中，通過「除氣」作用，將行星內部混在岩石中的揮發成分排除出來，例如二氧化碳、二氧化硫等等。

而除氣作用，一個最主要的機制就是火山活動。火山噴發時，不僅僅噴出岩漿和火山灰，還大量噴出各種氣體。

火星因為質量小、體積小，所以冷卻比較快，因此大規模火山活動可能已經停止很久了，而金星，我們已經觀察到了正在噴發中的火山。

前面說過，因為磁場微弱，兩顆行星都受太陽風的強烈影響。相對於地球來說，它們的大氣流失率都是比較高的，高的流失率如果沒有不斷的補充，那麼大氣就會很快流失得差不多了。火星正是因為有著比金星更高的流失率而又缺乏補充，所以大氣壓才降到今天這個地步的。

同樣沒有磁場的火星和金星大氣的巨大差別，應該主要就是由引力和除氣兩個因素造成的。

【【【跑一下題：

可能有人會問，金星的大氣流失率應該比地球高不少（沒有磁場、溫度更高、質量還比地球小），為什麼大氣壓卻是地球的92倍呢？

這是因為——地球上有水。

我們來看看，金星大氣里都有些啥：

CO2：96.5%

N2：3.5%

其它氣體微量。

與金星形成反差的是，地球大氣中二氧化碳才佔0.04%。

地球大氣中的二氧化碳，可以溶解到水中，形成碳酸根離子，再與水中的金屬離子結合成難溶性鹽，沉澱回岩石中：主要是碳酸鈣（石灰岩）和碳酸鎂（白雲岩）。大氣中剩餘的少量二氧化碳，則幾乎都被植物通過光合作用變成有機物和氧氣了。

而金星上的二氧化碳一旦被噴出到大氣中，就再也回不去了，並且二氧化碳是一種分子量高達44的極重氣體，非常不容易流失，於是在漫長的地質年代中越積越多。

那麼氮氣呢？氮氣可不溶於水，那麼為什麼金星的氮氣也有地球的4倍之多呢？

雖然氮氣不直接溶於水，但地球上有氧氣，那麼氮氣可以通過多種方式與氧氣結合，再與水和金屬離子結合，形成硝酸鹽，並繼而成為生物合成蛋白質的原料。

另一方面，在行星形成時，氮主要來源於氨氣NH3。地球上的水可以把大部分氨氣轉化為銨鹽保留在岩石和水中，而缺水的金星，在早期大氣中應該會有氨氣存在，氨氣又會通過太陽光解作用分裂為氮氣和氫氣，氫氣逃逸，留下氮氣。（地球的氮氣，相信主要也是通過氨的光解得到的，但因為被水溶解了許多，所以被光解的部分就比金星少了。）

還有一個因素也不能忽視：前面說金星大氣流失率比地球高，那是指理論上，在兩者大氣成分相同下得到的結論。但實際上，因為金星大氣中CO2比例高，平均分子量也比較高，而地球大氣主要是相對較輕的氮和氧，所以兩個星球的實際大氣流失率還真不好說，我沒有看到相關資料，先不下定論。

跑回來】】】

三、再回頭討論一下磁場的因素

前面說過，磁場微弱並非造成火星與金星大氣差異的因素，但仍是火星大氣流失的直接原因，而對於火星來說，造成磁場微弱這一局面的關鍵因素，依然是質量小。

根據目前關於天體磁場形成機制的假說（發電機機制），天體要形成磁場，需要兩個前提條件：

1、要有導電的流體；

2、足夠快的旋轉。

金星沒有磁場的原因應該就是自轉太慢，而火星自轉足夠快，它的磁場微弱的原因，很可能是因為沒有液態的鐵核。

因為火星質量小，冷卻快，內核的鐵可能已經凝固了。

如果火星內核沒有凝固，它的磁場還在的話，想必火星大氣會比現在濃密不少，雖然可能依然不能和地球相比。

四、展開討論一下：影響行星大氣的其它因素

溫度和太陽風流量：

從前面對引力影響的討論中，可以得出一個結論：溫度和太陽風流量也是影響大氣層的一個極重要因素，如果引力不夠大，但溫度和太陽風流量足夠低，也是可以保留大氣的，典型的例子就是冥王星，雖然逃逸速度低至1.212km/s，但因為平均溫度只有44K，所以仍能保留一層稀薄的大氣。

分子量：

大氣成分的影響因素主要就是分子量。引力越大的天體，越能留住輕質氣體，比如木星和土星，氫和氦的比例都在90%以上，而天王星和海王星則有大約20%的氫氦。

地球和金星能留住的氣體，分子量應該大於20-28之間的某個數——它們都保留了分子量28的氮氣，卻幾乎不含在宇宙中更多的、分子量20的氖，而原始來源比氖低一個數量級以上的氬，卻在它們以及火星的大氣中有顯著的含量。

液體：

正如前面說過的，地球上液體水的存在，可以通過溶解某些物質來影響大氣，相信類似的機制在所有表面有液體的星球上都可能發揮作用。

處於凝結溫度附近的成分：

雖然分子量大小基本決定了一種氣體能否在一個較小行星上保存，但地球上卻有分子量18的水蒸氣，這是因為，地球大氣的溫度正好略低於水的沸點，那些蒸發到大氣中的水蒸氣，會在大氣某個較冷的高度幾乎全部凝結，以下雨的方式降回去，而不能上升到大氣層頂逃逸（逃逸只會在頂部發生）。土衛六的甲烷應該也是靠這種機制保留的。

奇葩的因素：

地球是已觀測到的宇宙中有生命的唯一奇葩，植物的光合作用導致地球也是唯一已知含有高濃度氧氣的星球。

雖然通過水的光解也可以形成氧氣，例如木衛二的大氣就幾乎完全由氧氣組成，但這種機制要麼無法形成足夠高濃度的大氣，要麼無法持續太長的時間。具體分析可以看：曇花再現：如果把地球那麼大的一團水放在太空會發生什麼？

我在微信群里和 @劉博洋以及幾位研究系外行星的朋友經過較充分的討論，結論是，除了光合作用以外，可能不存在其它機制，能夠在類似地球大小的行星上持續形成富氧大氣。

也就是說，如果未來我們在太陽系外發現一顆類似地球（質量、溫度）的行星，且年齡超過數億年，而其大氣層中含有較多（例如不低於3%）氧氣，那麼我們有99.9%以上的把握斷定，我們發現了宇宙中另一朵有生命的奇葩。

未解之謎：

通過前面影響大氣的各項因素的分析，我們仍無法很好地理解土衛六何以有高達1.45倍大氣壓的濃厚大氣層，土衛六大氣成因仍是一個未解之謎。

雖然較低的溫度、較低的太陽風流量、以及得到土星磁場保護等可以對土衛六大氣有一定貢獻，但遠遠不能說明其如此之高的大氣壓。現在一般認為氣體供應量可能是一個主要的因素：土衛六的「岩石」中硅酸鹽比較少，而由水、氨組成的冰有較高含量，通過氨光解釋放氮氣可能是土衛六大氣的主要來源；另外，其溫度範圍可以使諸如甲烷這類物質同時存在固液氣三相（類似地球上的水），這可能也是一個重要的因素。

當然，也可能還有其它未知的因素。這些有賴於將來的進一步研究。

最後總結

總的來說，影響一個星球大氣濃度的各種因素中，星球的質量是最關鍵的因素。一個木星那麼大的星球，即使放到水星軌道也能擁有濃密大氣，而把月球放到冥王星的位置，其大氣濃度也不會比冥王星多多少。

而火星空氣稀薄，顯然也是主要由質量這個因素導致的。

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3月25日更新：

應評論區要求，補充一點關於改造火星/殖民火星的個人看法：

一般人可能認為，火星不適合人類居住的最大問題是沒有氧氣，其實這不是關鍵。

火星環境對人類最大的挑戰是氣壓。

火星大氣壓只有636Pa，作為對比的是地球大氣是101325Pa，是火星的159倍。

而水的固-液-氣三相點正好在636Pa附近，也就是說，在636Pa壓力下，水的沸點在0℃附近。

這意味著，體溫37℃的人體，如果突然暴露在火星大氣中，血液、體液會立即沸騰，然後就會「砰」的一聲：

——玉米粒變成了爆米花。

因此，即使將來經過改造，火星大氣中有了氧氣，人類在火星上也無法像在地球上那樣無防護地在荒野上漫步。

未來移民火星的人類，將不得不生活在經過加壓的密封建築物內，或者穿著太空服去郊遊。

不過，雖然人類無法在636Pa的大氣壓環境生存，但並不代表所有生物都不能在這麼低的氣壓下生存。

眾所周知的「網紅」動物——水熊蟲，據說在真空里呆上很長時間也不死，當然，它只是不死，在那樣環境下它會處於休眠狀態，要讓它在如此低壓環境活蹦亂跳地生活，它也只好表示辦不到。

水熊蟲身體結構還是太複雜，也許一些更簡單的單細胞生物，在火星大氣壓下可以茁壯成長。

沒有氧氣倒不是難題，地球上有那麼一大群生物就是厭氧的，它們表示氧氣越少活得越滋潤。

但是人和高等生物需要氧氣呀！——這也不難，我們可以弄一批厭氧的藍菌上去製造氧氣。

我不清楚目前地球上有沒有能夠耐受如此低壓的厭氧藍菌，但是即使沒有，鑒於單細胞生物具備的快速繁殖、快速進化能力，我們可以人工培育一批這樣的生物。

有人可能會對此提出質疑：在三相點附近氣壓下，水不能以液態存在，在0℃以下是固態的冰，0℃以上則直接升華為水蒸氣……而細胞要能生活，要能進行生化反應，就必須要有液態水的存在。

你想多了好吧？你說的那是純水，如果往水裡加點氯化鈉或別的雜質，熔點就會降低，答主本人就親測過零下十幾度的鹽水。

好了，地球人來到火星，找到一個溫度適宜的區域，播種了一批經過培育，適合火星環境的藍菌，開始製造氧氣……

取決於播種的規模，改造火星的速度可快可慢，不過即使最快的方案也是極慢的，如果我們今天就開干，估計到你孫子的孫子的孫子去世的時候，也沒有什麼明顯的改變。

也許幾千年後，火星大氣有了一點點氧氣，雖然還不適合高等動物生存，但一些複雜一點的、非厭氧的植物，也許能夠適應。這些植物的代謝速度、製造氧氣的速度都比厭氧生物快，一旦它們在火星上播種成功，火星氧氣增加的步伐就可以大大加快。

再過幾千年，火星大氣中或許有了百分之幾的氧氣，這時候就可以往火星移民了：反正我們都是住在密封房子里或穿著太空服，氧氣濃度和氣壓低點都不是問題，我們的房子和太空服都有加壓兼濃縮氧氣的功能。

至於幻想把火星大氣改造成地球那麼高的氣壓，這不可能，目前人類可以想像的技術都無法實現。

短期的，可以通過加熱火星表面的乾冰、在地下搞核爆炸（模擬火山）等方式快速增加氣體供應量，但效果有限且不可持續。增加的氣體不久之後又會流失。

讓火星能夠長期保有濃密大氣的唯一方法就是給火星增加幾倍的質量，這……意淫一下就好，別當真。

以下純屬個人看法

先看太陽系裡部分其他天體大氣層的例子（排除氣體巨行星、冰巨行星）——土衛六比火星小，然而大氣密度是地球海平面5倍。海衛一、冥王星也有大氣不過比火星稀薄多，而金星有特別稠密的大氣，地球本身也就不說了。

那這些說明了什麼呢？火星大氣稀薄的問題不是一個因素造成的，而是三方面共同造成的，分別是是：

1.火星缺乏足夠強大全球性磁場保護，導致大氣持續被太陽風粒子流吹走，火星只有局部、微弱的磁場。主要是紫外線電離高層大氣形成的感應磁場，這微弱的磁場不足以有效偏轉太陽風帶電粒子流的侵襲，這也導致火星地表輻射水平比地球高不少，因為那些高速質子、alpha粒子、電子都有電離能力，是電離輻射。

2.離太陽相對近，出於內太陽系區域（主小行星帶內），離太陽越近意味著來自太陽的電磁波輻射和太陽風粒子流越強。前者決定溫度，後者能吹走大氣。眾所周知物質越熱其分子運動越快，密度也越低越容易被吹走逃逸到太空。火星缺乏磁場保護的情況下離太陽相對近也是大氣稀薄的原因，當然離太陽也不宜太遠，如果離太陽太遠那大部分大氣會凍結，也使得大氣非常稀薄例如開頭提到的海衛一、冥王星。

3.質量小、引力低，這個也不用解釋，引力低自然意味著更低的逃逸速度，被太陽風吹走更容易。看金星，也沒地球那樣強大的全球性磁場，然而大氣卻很濃密，顯而易見跟其引力比火星大的多有關。當然如果你離太陽遠或者有磁場保護，那個引力比火星小也能保有比地球更稠密的大氣——土衛六就是。

質量是一個主要方面。火星質量和體積太小，散熱較快，內部對流很早就消失，沒有發電機效應導致全球性內稟磁場消失，所以太陽風可以很快剝蝕電離大氣，使之逃逸。同時，火星質量小而重力加速度小，氣體逃逸速度也比較低，大氣也更容易逃逸。所以可以說火星大氣稀薄是主要因為質量。

不邀自來。

根據以前的印象瞎答，具體尚未考證。

火星已經失去了磁場，不像地球一樣有地磁場保護，因此長年的太陽風將火星的大氣漸漸剝離了

瀉藥

其實還有一個原因哦

火星是沒有磁場的

高能粒子會不斷剝離頂層大氣的

是啊。金星和地球其實更接近

沒磁場，被太陽風吹走了。

高中物理選修3-3

非專業回答，僅供參考。

質量應該不是主要問題。沒有活躍的地質運動和生物活動造成的大量氣體生成應該是主要原因