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大気とは、天体を包み込む気体の層であり、天体の重力によってその場に保持されている。その名称は、古代ギリシャ語のἀτμός ( atmós ) 「蒸気、水蒸気」とσφαῖρα ( sphaîra ) 「球体」に由来する。[ 1 ]天体は、物質の集積または揮発性物質の放出によって、その原始時代に大気の大部分を獲得する。大気と固体表面との化学的相互作用は、太陽との光化学的相互作用と同様に、その基本的な組成を変化させる可能性がある。惑星は、重力が高く温度が低いほど、より長い期間大気を保持する。太陽風は惑星の外層大気を剥ぎ取る働きをするが、このプロセスは磁気圏によって遅くなる。天体が太陽から遠ければ遠いほど、大気の剥ぎ取り速度は遅くなる。
水星を除く太陽系の惑星はすべて、準惑星冥王星や衛星タイタンと同様に、相当量の大気を持っています。木星やその他の巨大ガス惑星は、重力が高く温度が低いため、主に水素とヘリウムからなる大量の大気を保持することができます。質量の小さい地球型惑星は太陽に近い軌道を公転しているため、主に炭素、窒素、酸素からなる高モル質量の大気を保持し、微量の不活性ガスを含んでいます。HD 209458 bやKepler-7bなどの系外惑星の周囲にも大気が検出されています。
恒星大気は星の外側の領域であり、不透明な光球の上にある層を含みます。低温の星は、複合分子を含む外層大気を持つ可能性があります。[ 2 ]大気を持つ他の天体には、褐色矮星や活動的な彗星があります。
星雲説では、星は星間分子雲内のガスと塵の塊が重力によって崩壊する際に形成される。この物質は、中心に質量が集中したパンケーキ状の回転円盤を形成する。原始星は中心の質量集中部で形成され、惑星と衛星は降着の過程を経て円盤内で形成される。塵は円盤の中央面に沈み込み、衝突して集積して微惑星を形成する物質となる。星の近くでは、これらの天体が成長して集積し、揮発性物質が少なく主に難揮発性物質からなる原始惑星を形成する。星からさらに離れると、地球の質量の約10倍以上までの揮発性物質の集積によって惑星胚が形成される。その後、周囲の円盤星雲からガスが取り込まれ、胚の周りに巨大ガス惑星が形成される。惑星の衛星は、惑星の周りの物質の円盤から同様の方法で形成される。[ 3 ]
惑星の一次大気は、重力が降着したガスを脱出過程から守るのに十分である場合に生成されます。後者には、ガスが脱出するのに十分なエネルギーを与える他の天体との衝突が含まれます。地球型惑星の場合、初期の衝突によって生成された高温により揮発性物質が放出され、二次大気が生成されます。したがって、大気の元の組成と厚さは恒星星雲の化学組成と温度によって決定されますが、天体内部のプロセスによって異なる大気成分が放出されることで変化する可能性があります。[ 3 ]周星円盤は最終的に約10⁷年の時間スケールで消散し、恒星は収縮を完了し、質量によって決まる時間枠で中心部で水素核融合を開始します。（たとえば、太陽の質量を持つ恒星は3 × 10 7年間の契約。）[ 4 ]
金星と火星の大気は主に二酸化炭素、窒素、アルゴンで構成されています。[ 5 ]金星には二酸化炭素を溶かす海や雨がないため、この温室効果ガスが大量に大気中に残っています。その結果、地球の大気の約80倍の圧力を持つ濃密な大気が形成されています。[ 6 ]金星には磁場がなく、太陽に近いため、20億年後には水素（水の形で）が失われました。[ 7 ]
火星は小さく、寒冷で、磁場がないため、薄い大気しか残っていない。火星の気圧0.6kPa は、地球の気圧のわずか0.6%に過ぎない。101.3 kPa。[ 8 ]この惑星は、おそらく元の水の供給量の少なくとも80～85%を宇宙に失ったと考えられます。[ 9 ]しかし、この惑星は大量の凍結水と二酸化炭素を保持しています。凍結したCO2がすべて昇華すると、気圧は101.3 kPaまで上昇する可能性があります。30 kPa 。これはエベレスト山頂の気圧に匹敵する。[ 8 ]
地球の大気の組成は、地球が維持する生命の副産物によって決まります。地球の大気の乾燥空気（ガスの混合物）は、窒素78.08%、酸素20.95%、アルゴン0.93%、二酸化炭素0.04%、水素、ヘリウム、その他の「希ガス」の痕跡（体積比）を含みますが、一般的に変動する量の水蒸気も存在し、平均して海面では約1%です。[ 10 ]地球の持続的な磁気圏は、太陽風による大気の除去に対するシールドとして機能し、地球半径の約10倍の距離で入射プラズマをはじきます。[ 11 ]
太陽系の巨大惑星である木星、土星、天王星、海王星は、低温で脱出速度も高いため、低分子量のガスをより容易に保持することができます。これらの惑星は、水素とヘリウムを主成分とする還元性大気を持ち、微量の他の元素やより複雑な化合物が含まれています。地球型惑星とは異なり、ガス惑星には明確な表面がありません。代わりに、大気は天体内部の強い圧力によって静水圧平衡に保たれています。これらの天体におけるダイナミックな気象現象は、比較的薄い表面層でのみ発生します。[ 12 ]
外惑星の衛星のうち2つは、かなりの大気を持っています。土星の衛星タイタンと海王星の衛星トリトンは、主に窒素の大気を持っています。[ 13 ] [ 14 ]冥王星は、軌道上で太陽に最も近い部分にあるときは、トリトンに似た窒素とメタンの大気を持っていますが、太陽から遠ざかるとこれらのガスは凍結します。
太陽系内の他の天体には、平衡状態にない極めて薄い大気を持つものがある。これらには、月（ナトリウムガス、希ガス、水素）、水星（ナトリウムガス）、カリスト（二酸化炭素と酸素）、エウロパ（酸素）、イオ（二酸化硫黄）、エンケラドゥス（水蒸気）などが含まれる。
遠方の恒星の周りを公転する惑星状天体、いわゆる系外惑星は、太陽系に見られるものよりもはるかに多様な物理的特性を示します。これらの天体は、幅広い天体や環境の周囲の大気を研究する機会を提供します。しかし、これらの天体の観測には、はるかに高感度な観測機器が必要です。これらの遠方の大気を分析するために使用される方法は、トランジット分光法、高分解能ドップラー分光法、および直接撮像法です。[ 15 ]
トランジット分光法は、系外惑星が主星を横切る際にその大気を検出する手法です。異なる波長での半径を比較することで、特定の成分の存在を検出できます。このような検出が初めて行われたのは2002年で、ペガスス座の恒星の周りを近距離で公転する巨大ガス惑星HD 209458bの大気中にナトリウムが検出されました。[ 16 ]その大気は1,000 Kを超える温度に加熱され、宇宙空間に徐々に流出しています。ハッブル宇宙望遠鏡の観測により、この惑星の膨張した大気中に水素、酸素、炭素が検出されています。[ 17 ] 2002年以降、 XO-2Nbの大気中にカリウムが検出され、HD 189733 bの大気中にナトリウムとカリウムの両方が検出されています。[ 16 ]
発見されたスーパーアースの多くは、主星に十分近い軌道を周回しているため、その表面はマグマの海であると予想されている。これらの溶岩惑星の二次大気は、ナトリウム、カリウム、酸素、酸化ケイ素など、マグマから蒸発した物質で構成されている可能性が高い。[ 18 ]
静水圧平衡状態にある大気は、分子の運動によって生じる気圧と、分子が逃げ出すのを防ぐ重力の拘束力とのバランスによって成り立っています。気圧は高度とともに低下し、気圧勾配力が生じます。[ 41 ]大気圧は、大気ガスの垂直柱の重量によって決定される、惑星表面の単位面積に垂直な力（単位面積あたり）です。この大気モデルでは、気圧、つまりガスの質量の重量は、気圧測定点より上のガスの質量が減少するため、高高度で低下します。気圧は、気象条件や大気波動によって場所や時間によって変化します。[ 42 ]
気圧の単位は標準大気圧(atm) に基づいており、これは 101,325 Pa (760 Torrまたは 14.696 psiに相当) です。理想気体大気の場合、大気圧がe (自然対数の底)倍に低下する高さはスケールハイト( H )と呼ばれます。均一な温度の大気の場合、スケールハイトは大気温度に比例し、乾燥空気の平均分子量と気圧測定点における局所的な重力加速度の積に反比例します。[ 43 ]
大気の温度は、入射する太陽エネルギーによる加熱と宇宙空間に放射される熱のバランスをとるエネルギー収支によって決定されます。入射エネルギーは太陽からの距離によって決まり、反射されるエネルギーは惑星のアルベドによって決まります。[ 41 ]惑星が放射平衡状態にあるとき、惑星平衡温度を持ちます。[ 41 ]これは、大気の温室効果により平衡温度よりも高くなる可能性のある地球全体の平均温度とは異なります。例えば、金星の表面温度はほぼ460 ℃と平衡温度を比較すると−40 ℃。[ 44 ]
惑星の大気は、特定のガス組成、温度勾配、圧力など、異なる特性を持つ層から構成されている。
地球、火星、金星では、大気の最下層は対流圏であり、惑星の雲や気象現象のほとんどがそこに存在します。これは、 金星では地表から65km、 火星では40km、 地球では17kmまで広がっています。[ 45 ]対流圏には大気の大部分が含まれており、大気全体の質量の80%～98% 。 [ 46 ]気温は、地表からの熱エネルギーが対流によって上方に運ばれるため、気温減率に応じて高度によって変化します。赤外線は、ガスや水蒸気の分子によって捕捉されます。[ 41 ]地球の場合、次の層は成層圏で、高度とともに温度が上昇し、逆転層を形成する領域です。この領域には、高度 15 km から 35 km の間に紫外線を吸収するオゾン層があり、これが温度上昇の原因となっています。[ 45 ]この領域でのエネルギー輸送は、放射過程によって行われます。[ 41 ]酸素を含む大気がないため、火星と金星には成層圏がありません。
対流圏・成層圏の上にある次の大気層は中間圏と呼ばれます。この領域では、水蒸気と二酸化炭素が熱シンクとして働き、赤外線でエネルギーを放射します。その結果、中間圏の温度は高度とともに低下し、最上部で大気の最も冷たい層に達します。[ 47 ] 金星と火星の両方には、中間圏の温度がほぼ等温となる高度範囲があります。火星の場合は120 km以上、金星の場合は63～75 kmの高度です。[ 45 ]
大気の下層では、乱流混合によって大気成分が均一に分布します。ホモポーズと呼ばれる遷移層より上では、分子拡散が支配的になります。これにより、原子量による成分の拡散分離が起こります。つまり、質量の小さい成分は上方に拡散し、質量の大きい分子は下層付近に残ります。ホモポーズの高度は 地球の場合100〜110km 、 火星では115～130km 、 金星の場合は135～150km 。[ 48 ]
中間圏の外側には、太陽からのX線や極端紫外線を吸収し、高度とともに温度が上昇する熱圏と呼ばれる大気領域があります。この層の熱特性は、日ごと、および太陽活動周期によって変化します。 [ 47 ]地表から熱圏までの大気領域は、気圧の法則が全体に適用されるため、気圧圏と呼ばれます。[ 49 ]
惑星大気の最外層は外気圏と呼ばれます。この高度では気圧が非常に低いため、分子衝突間の移動距離である平均自由行程は、大気スケールハイトよりも大きくなります。この領域では、熱速度が脱出速度を超える低質量成分は宇宙空間に脱出することができます。地球の場合、外気圏は高度500 kmにあり、金星と火星では約210 kmです。[ 50 ]地球では、外気圏は約10,000 kmまで広がり、そこで地球の磁気圏と相互作用します。
3つの惑星すべてに電離層があり、これは上層大気の電離領域です。火星と金星の電離層は地球よりも地表に近く、密度が低くなっています。 [ 51 ] 地球の電離層の密度は、昼間は惑星表面から近い距離で高く、夜間は電離層が上昇するにつれて低下するため、より広い範囲の無線周波数がより遠くまで伝わります。
ガス惑星は主に水素とヘリウムで構成され、他の元素が微量に含まれているため、惑星の体積密度は低い。外層大気で観測される分子の多くは水素化物であり、これらのほとんど（ H₂OとH₂Sを除く）は、木星と土星の成層圏で太陽紫外線によって光化学的に破壊される。これらの化合物は、大気のより高温の下層領域で熱化学反応によって再生される。 [ 52 ]複雑な有機化合物は、還元性の高い大気によってメタンにリサイクルされる。[ 53 ]これらの惑星の重力が強く、太陽から遠いため、外気圏からの質量損失は無視できるほど小さく、閉鎖系を形成する。[ 54 ]
ガス惑星の共通の特徴は、特定の揮発性物質の凝縮に適した温度と圧力の組み合わせで形成される雲層です。木星と土星の場合、最外層の雲はアンモニア（NH 3）の氷粒子で構成され、その下に硫化水素アンモニウム（NH 4 SH）の層があり、さらにその下に水雲（H 2 O）の深い層があります。天王星と海王星の場合、最上層はメタン（CH 4）の氷粒子の層で、その下に木星と土星と同じ雲層があります。天王星と海王星の1つの違いは、硫化水素（H 2 S）が凝縮したアンモニアと同じレベルで混ざっていることです。[ 55 ]これらの雲層は光学的に厚く、すべての波長の光を吸収します。その結果、外層大気のスケールハイトは浅くなります。[ 43 ] 4つのガス惑星すべてで水雲内で雷活動が見られ、これは一般的に地球の雷よりもはるかに強力です。木星では雷が観測されているが、土星、天王星、海王星ではおそらく深度が深いため光学的に検出されていない。[ 55 ]
すべてのガス惑星は内部に熱源を持ち、太陽から受け取る熱よりも多くの熱を放射している。[ 56 ] [ 57 ]木星と土星の内部モデルでは、ある深さで水素が相変化を起こし、氷と混ざった金属水素流体になると考えられている。より質量の大きい元素からなる拡散または固体の核が存在する可能性がある。天王星と海王星には金属水素はなく、代わりに内部に氷の層があり、これらの惑星は氷惑星のサブカテゴリーに分類される。十分な深さでは、氷は超臨界流体に変化する可能性がある。[ 53 ]
太陽系内では、ガス巨大惑星は霜線より外側で形成されました。霜線では、若い太陽の温度が揮発性物質が凝縮して固体粒子になるのに十分低かったのです。一部の恒星系では、原始惑星系円盤の動的なプロセスにより、ガス巨大惑星が中心星に非常に接近し、ホットジュピターが形成されることがあります。その典型的な例が51ペガシbです。重力相互作用により、惑星の軌道は円形になり、潮汐ロックによって同期回転し、片面が常に恒星に面するようになります。加熱された面は膨張し、高速の風が熱エネルギーを惑星全体に分配します。最終的には恒星の重力によって大気が剥ぎ取られ、スーパーアースが残る可能性があります。[ 58 ]
ガス惑星の質量の上限に位置する天体は、褐色矮星と呼ばれる。褐色矮星とガス惑星を区別する方法については普遍的な合意はないが、一般的に用いられる基準は、木星の約13倍の質量で重水素を核融合できる能力である。[ 59 ]褐色矮星の初期の重水素燃焼段階が終了すると、内部に蓄積された熱は徐々に表面へと移動し、時間とともに放射される。中心核の周囲、そして褐色矮星が近くの恒星からエネルギーを受け取っている場合は表面でも対流が発生する。褐色矮星の残りの部分では放射エネルギー伝達が起こる。大気全体で化学反応が起こり、化学種によっては放射エネルギー伝達に対する不透明度が変化する。ガス惑星と同様に、褐色矮星の低温の外縁部では、一部の分子が凝縮して雲を形成することがある。[ 60 ]
大気の循環は、対流が熱放射よりも効率的な熱輸送手段となる温度差によって発生します。太陽放射が主な熱源である惑星では、熱帯の余剰熱は高緯度へと輸送されます。[ 61 ]木星のように惑星が内部で大量の熱を発生させる場合、大気中の対流によって高温の内部から表面へと熱エネルギーが輸送されます。[ 62 ]
地球、火星、金星の熱駆動による南北循環はハドレー循環によって支配されています。これは、惑星の最も暖かい領域で上昇する空気と、より冷たい領域で下降する空気によって生成されます。しかし、3つの惑星の循環パターンには大きな違いがあります。金星の場合、金星の下層大気には、赤道から極付近にかけて対称的な2つの循環セルがあり、さらに高度の高い太陽直下から太陽反太陽にかけての循環セルがあります。地球では、赤道の両側にハドレー循環が存在しますが、惑星の自転軸の傾きによって季節によって変化します。火星はこの点では地球と似ていますが、大気が薄いため季節性がより顕著です。火星は春分と秋分には2つのハドレー循環を持ちますが、夏至と冬至には1つの循環しか持ちません。[ 63 ] [ 64 ]
地球には、赤道の両側にハドレー循環、中緯度にフェレル循環、両極に極循環という、互いに逆方向に回転する複数の対流セルが存在する。地球の自転は、南北方向の対流の流れに曲率を生み出すコリオリ力を誘発する。空気が極に向かって移動すると、緯度方向の流れは一定のままだが、地球を一周するのに必要な距離が短くなり、地表に沿って曲がった経路が形成される。これらの流れが、地球の地表に沿って卓越風を生み出す。赤道付近では、気流が東から西へ流れる貿易風を生み出す。中緯度では、偏西風が米国とヨーロッパに西から気流をもたらす。最後に、極東風が極の空気を東から西へ運ぶ。[ 61 ]
木星と土星の両方に帯状の雲が見られます。これらは緯度線に沿って交互に流れる帯状流と呼ばれるジェット気流と関連しています。帯の方向は交互に変化し、赤道ジェット気流は東向きに流れています。 木星では150 km/s 、土星では300 km/sの速度で流れている。これらの流れが雲の周りの浅い層で発生しているのか、それとも大気のさらに深いところまで広がっているのかは不明である。[ 65 ]海王星の観測では同様の帯状の流れ構造が見られる。この惑星は太陽系で最大の差動回転範囲を示している。 [ 66 ]
惑星によって表面重力は大きく異なります。例えば、巨大惑星木星の大きな重力は、重力の低い天体から逃げ出す水素やヘリウムなどの軽いガスを保持します。第二に、太陽からの距離は、大気ガスを加熱して分子の熱運動の一部が惑星の脱出速度を超えるまで加熱するために利用できるエネルギーを決定し、それによって分子が惑星の重力から逃れることができます。したがって、遠く離れた低温のタイタン、トリトン、冥王星は、比較的重力が低いにもかかわらず、元の大気の成分を保持することができます。[ 67 ]
ガス分子の集合体はさまざまな速度で移動する可能性があるため、常にガスが宇宙空間にゆっくりと漏れ出すのに十分な速さの分子が存在する。同じ熱運動エネルギーを持つ場合、軽い分子は重い分子よりも速く移動するため、低分子量のガスは高分子量のガスよりも速く失われる。金星と火星は、太陽紫外線によって水素と酸素に光解離された後、水素が逃げ出したときに、水の大部分を失ったと考えられている。地球の磁場はこれを防ぐのに役立っている。通常、太陽風は水素の脱出を大幅に促進するからである。しかし、過去30億年の間に、地球はオーロラ活動により磁気極域を通じてガスを失っており、その中には大気中の酸素の正味2%が含まれる。[ 68 ]最も重要な脱出プロセスを考慮すると、正味の効果は、固有の磁場が惑星を大気の脱出から保護するわけではなく、一部の磁化では磁場の存在が脱出率を増加させる働きをするということである。[ 69 ]
小型のM型主系列星の周りの惑星は、特に大気の喪失を受けやすい可能性がある。恒星は長期間にわたって超高輝度の前主系列星として存在し、その後、高い活動レベルを経験する。強い恒星磁場は惑星の磁気圏のサイズを縮小する傾向があり、恒星風による侵食が大きくなる。古いM型星の周りの惑星は潮汐固定されて同期軌道になり、暗い面に大気が永久に凍結される可能性がある。[ 70 ]
大気の減少を引き起こす他のメカニズムとしては、太陽風によるスパッタリング、衝突侵食、風化[ 71 ]、レゴリスや極冠への隔離（「凍結」と呼ばれることもある）[ 72 ] [ 73 ]などがある。後者の極端な例は彗星で、これは原始惑星系円盤の霜線より外側で形成される小さな天体である。これらの天体には、水、二酸化炭素、アンモニア、メタン、ホルムアルデヒドなど、多くの種類の凍結した揮発性物質が含まれている。これらの天体が太陽に近づくと、熱放射によって揮発性物質が昇華し、彗星の周囲に拡散した塵の大気、すなわちコマが形成される。しかし、彗星の重力ポテンシャルはこの大気を保持するには不十分である[ 74 ] 。
太陽系には、水星や月のように、現在では実質的に大気のない天体が多数存在します。これらの天体は、粒子が実質的に衝突しない外気圏層のみを持っています。このような環境では、粒子のスパッタリングや微小隕石の衝突など、さまざまな方法で原子や分子が表面から放出されます。これらの粒子の放出速度が脱出速度を超えると、宇宙空間に失われます。質量の大きい粒子ほど表面に戻ってくる可能性が高く、時間の経過とともに表面の化学的変化を引き起こします。[ 18 ]
地球型惑星では、地表と直接相互作用する大気の部分は惑星境界層として知られています。大気は岩石天体の表面に劇的な影響を与えます。風による侵食は、大気を持つ岩石惑星の地形を形成する上で重要な要素であり、[ 75 ]時間の経過とともにクレーターと火山の両方の影響を消し去ることができます。さらに、液体は圧力なしでは存在できないため、大気によって表面に液体が存在することが可能になり、湖、川、海が形成されます。[ 70 ]地球とタイタンの表面には液体が存在することが知られており、火星の地形は、過去に表面に液体が存在していたことを示唆しています。
大気を持たない、あるいは外気圏しか持たない天体は、クレーターで覆われた地形を持つ。大気がないため、惑星は流星体から保護されず、すべての流星体が隕石として表面に衝突し、クレーターを形成する。大気が豊富な惑星の場合、ほとんどの流星体は惑星の表面に衝突する前に流星として燃え尽きる。流星体が衝突した場合でも、その影響は風の作用によってしばしば消し去られる。[ 76 ]
惑星地質学者の視点から見ると、大気は惑星の表面を形作る働きをする。風は塵やその他の粒子を巻き上げ、それらが地形に衝突すると、地形を侵食し、堆積物を残す（風成作用）。大気の組成に依存する霜や降水も地形に影響を与える。気候変動は惑星の地質史に影響を与える可能性がある。逆に、地球の表面を研究することで、他の惑星の大気や気候の理解につながる。[ 77 ]
気象学者にとって、地球の大気の組成は気候とその変動に影響を与える要因である。[ 78 ]
生物学者や古生物学者にとって、地球の大気組成は生命の出現とその進化に密接に関係している。宇宙生物学では、系外惑星の大気組成は地球外生命の可能性と密接に結びついている。[ 79 ]