水星上最早的大氣層

水星是一顆最不尋常的行星。太陽系中最小的行星，也是離太陽最近的行星，以3:2的自轉共振，緩慢轉動，經歷高達攝氏430度的高溫，而夜間則寒冷至攝氏零下170度。由於它含鐵的內核比地球大得多，因此它的平均密度在太陽系中排名第二，僅比地球低 1.5%。儘管靠近太陽，但出人意料地發現水星表面含有豐富的鈉和硫等揮發性元素。

值得注意的是，這顆行星分為含有豐富鐵的地核和岩石地幔（地核和地殼之間的地質區域），這顯示水星在它形成早期就有岩漿海洋。像任何液體一樣，這片海洋會蒸發，但在水星的情況下，溫度可能如此之高，以至於蒸汽不是由水組成，而是由岩石組成。在一項新研究中，諾亞·傑吉（Noah Jäggi）團隊模擬岩漿海洋表面的蒸發如何形成大氣，並確定大氣的損失是否會改變水星的成分，解決了一個懸而未決的問題，即為什麼適度揮發元素就像鈉會積累在水星表面一樣。

美國亞利桑那州立大學地球與太空探索學院院長林迪·埃爾金斯-坦頓（Lindy Elkins-Tanton）解釋，早期的行星岩漿海洋並不罕見。我們認為所有的岩石行星在形成時都有一個或多個（可能是幾個）岩漿海洋。在行星形成結束時吸積的影響就是那麼有能量；它們會將行星融化到一定程度。

早期的太陽系是一個崎嶇而活躍的地方，到處都是飛石、大規模的碰撞和猛烈的轟擊。這些事件產生的熱量，加上放射性衰變和水星含鐵的核心，在重力環境產生的熱量，使行星的表面和內部保持熔融狀態。模擬發現，這些過程導致表面溫度上升到大約 2,400 K。蒸發然後大氣損失會改變水星的構成嗎？

傑吉團隊假設水星有兩種初始尺寸，一種比今天的更大，正如一些科學家假設的那樣，以及四種可能的岩漿海洋成分。二氧化碳、一氧化碳、氫氣 (H2) 和水等揮發性物質溶解在岩漿中，當壓力釋放時會以氣體形式逸出。矽、鈉或鐵等相對不易揮發的造岩元素只能存在於早期岩漿海洋中的非常高的溫度下以氣體形式存在，例如一氧化矽 (SiO) 。揮發性和非揮發性氣體物質之間的區別在於，對於特定的溫度，揮發性物質的平衡蒸氣壓比非揮發性物質大得多。這是當兩者共存時大氣在大氣-岩漿表面施加的壓力。

研究小組運行一個耦合的內部大氣模型，以確定從海洋蒸發到大氣中的影響，並在考慮了大氣化學和物理過程後，由此產生的質量從大氣流失到太空或返回地球。與此同時，地球正在冷卻。液態岩漿在 1,700 K 開始結晶，傑吉使用的 1,500 K 成為地表熔體壽命的一個很好的近似值，並為水星岩漿海洋造成的質量損失設定終點。

在揮發性和非揮發性的情況下，岩漿海洋蒸發以供應大氣。分子可以通過以下四種方式之一逃離大氣層，帶電粒子的太陽風產生的等離子體加熱；大氣物質從極高能量的太陽光子（例如來自太陽在高層大氣深處的 X 射線和紫外線光子）光蒸發，產生氣體外流（也稱為流體動力學逃逸）；金斯逃逸（Jeans escape），特別是高海拔、高速、低質量的分子在遇到另一次分子碰撞之前從大氣層頂部拉出；和光電離，其中高能光子產生通過各種方式逃逸的離子。

該團隊的模型發現，在四種潛在的逃逸機制中，金斯逃逸可以忽略不計，其它導致質量損失從每秒一百萬到四十億公斤不等，這取決於水星形成的時間和對加熱效率的假設。傑吉指出，其中較高的範圍來自流體動力學逃逸，從微不足道到佔主導地位，這取決於大氣物種加熱的效率以及早期太陽產生和傳遞的輻射量。

但重要的是，發現測試的兩種截然不同的大氣（揮發性和非揮發性）的總質量損失非常相似。鑑於質量損失，該模型得出的有效內部大氣化學交換的時間尺度不到一萬年，這意味著大氣逃逸過程僅佔水星初始質量的0.3% 左右，或者不到 2.3 公里的地殼。（水星現在的半徑是 2,440 公里）

因此，在岩漿海洋階段，累積質量損失似乎並未顯著改變水星的大塊地幔成分。因此，取決於誘發的溫室效應的冷卻時間決定在岩漿海洋的生命週期中損失了多少物質。

傑吉說，除了流體動力學逃逸之外，水星造成的大氣總質量損失微不足道，這令人驚訝。它告訴我們，水星表面的高鈉測量值必須更多，因為考慮到我們模擬的損失率和岩漿海洋壽命，它們不會大量積累或損失。結果可以擴展到月球，這是一顆系外行星或類地行星，它始於熱岩漿階段，其構建塊提供了不穩定的情況。

【圖：美國太空總署 ；文：節譯自物理學機構網頁】研究全文刊登在2021年11月17日出版的《行星科學》期刊 標題是： Evolution of Mercury ’ s Earliest Atmosphere