摘要
類地行星有水星、金星、地球及火星。其中的水星太小，重力不足以留住大氣，加上距太陽近，表面溫度高，氣體動能也就更大，更容易逃逸到星際空間中，所以水星的「大氣」成份和太陽風幾乎相同（氫、氦），而多了一點被太陽風打擊表面而成的鈉、鉀。金星和地球的大小和密度都十分相近，卻因較接近太陽而留不住液態水而蒸發，水氣造成溫室效應，又使金星更留不住液態水，接著光分解水失去氫（易逃離），剩下的氧可和一氧化碳化合成二氧化碳，更增加了二氧化碳含量，加上沒有水和生物吸收分解二氧化碳，溫室效應更加劇烈，造成現今如煉獄熾熱、濃密而流動慢的地表大氣；又，因為金星自轉慢且逆轉，故金星的環流為單胞且和地球反向，存在於５０ｋｍ以上的大氣中，那裡的大氣才稀薄流得動。在５０ｋｍ處有一強勁的西向噴流，速度１００ｍ／ｓｅｃ，每四天就能繞金星一圈，也因有這樣的大氣循環，金星的紫外光照片才會出現Ｖ型的結構，這結構其實是金星的雲層，主為硫酸雲。
火星的大氣十分稀薄，我們採用目前的同位素存量比去換算火星的原始大氣（尚未逸散掉時）的量，發現其也只有7.5bar左右，比起地球的70bar要小得多，加上火星又小又輕，自然留不住大氣，造成大氣稀薄的現況。另外火星上的水可說很少也可說很多，主因火星的溫度低，故大氣的比濕雖低但相對濕度卻接近飽和，因此在火山口附近及清晨之時的低空會有雲出現。火星的大氣稀薄，又沒有水可供調節溫度變化，溫差和氣壓梯度都大，地面風速一般約10到5公尺每秒，天氣較為劇烈，晚上吹南風，日間風向順時鐘轉；夏半球會出現較大規模的塵暴，風速可達每小時150公里，起因是當如沙漠般的地表進入夏季而變熱，和極冠間溫差陡增所引起，揚起的塵土能遮敝陽光，以致表面溫度降低，但塵暴仍會繼續，尤以南半球的夏季為最，塵雲可覆蓋全球，經歷四分之一個火星年才完全回復平靜，主要是因火星公轉軌道的偏心率較大，故南半球的夏季氣候較北半球之劇烈許多，甚至可影響自轉速率。火星上的大氣環流以地區性的擾動為主，因此全球性的環流並不明顯，有人藉火星的沙丘型態分析得到一些火星的恆常風向資料。火星自轉軸傾角較大，所以亦會有季節變化。因為水少，所以二氧化碳在大氣和極冠間的相變就扮演主要的角色，因此火星上因季節引起的氣壓的變化量可達20%。
壹、序言
目前大氣科學中海氣交互作用可說是最熱門的題目，它牽涉到科際整合並考驗我們的基礎科學解決問題的能力。但是並不只海洋和大氣兩學門間的整合值得重視，在人類勢力已逐漸拓展到別的行星的今天，我們發現天文學需要大氣科學的知識解釋現象，大氣科學也經天文上的觀測結果拓展了視野；要了解地球為何會像現在這樣生意盎然，為何會有水，看看太陽系中和地球相似的行星就能得到暗示；要知道地球未來可能會變成什麼樣子，人類對地球的干擾有沒有可能將地球變成煉獄，附近的行星也替我們作好了實驗。類地行星大氣的研究除了開拓人類在太空中的領域，也幫助我們透視地球的過去、現在與未來，因此除了對行星大氣本身的描述，下文中將強調一顆星球的基本天文參數和大氣情況的關係，希望能對了解地球的氣候有所助益。
貳、水星
一 水星為何保不住大氣
水星是太陽系中最接近太陽的一顆行星，從地球上的觀測就可以發現水星的照片的邊緣很清晰，就像月球一樣（從前就是用這辦法推論金星有大氣的見圖一A），因此預測水星上沒有大氣或非常稀薄。從水星的一些參數來看也可以推得這樣的結論，理由如下：
逃離速度
每一個星體都具有重力而能吸引物質，因此一物質若欲離開一星體而不會再被吸回來需要一最小速度，此速度即為逃離速度。水星的質量較小，因而水星的逃離速度就較小，這是水星無法留住氣體的一個原因。逃離速度的計算
公式如下：（１,p352-353）
Vc=(2GM/R)^(1/2)
其中Vc為逃離速度，G為重力常數6.7*10^11 nt-m2/kg，M為行星質量，R為行星半徑。
分子動能
任何一分子的動能正比於其溫度，換句話說，溫度越高，分子就跑得越快。水星因為距離太陽非常地近，所以向陽面的表面溫度很高，可達七百度（絕對溫度，以下同），以最輕的氫原子來算，它的速度是，超過水星的逃離速度。分子的速度公式如下：（１,p352-353）
Vt=(3R*T/m)^1/2
其中Vt為分子速度，R*為氣體常數8.314J/K-mole，T為絕對溫度，m為分子量(原子量)。
簡單的說，水星太輕又太熱，所以留不住氣體，也就沒有穩定的大氣。
二 水星「大氣」的特性
雖然說水星幾乎沒有大氣，但是水星上還是可以偵測到氣體的，這是太陽風吹拂所造成的「大氣」，十分地稀薄也不穩定，因此水星大氣可以想像成流體在阻礙物附近的情形，但是因為水星有磁場，強度為地球的百分之一，因此實際情形可能還要更複雜些。其次，因為太陽風不斷的吹拂，可以預測會有些水星地表的物質被打成游離態而成為「大氣」，可以藉此了解水星的岩石組成，可惜現今仍未有任何觀察出爐。
航海家十號曾到水星附近探測，無線電波資訊顯示水星有「極冠」。因為南極的「極冠」位置和水星上最大的卡曼夫隕石坑重疊，因為極區的隕石坑可以存在太陽永遠照不到的陰影區，地表溫度推測為６０度左右，所以冰的存在應為可能，可是這些冰哪裡來的？是不是真的有冰？尚待更多的證據及資料求證（１．p207、５．p35）。
參、金星
一 金星為何那麼熱
由表一我們看到金星的表面溫度740度，金星的壓力則有90大氣壓，高溫而濃密的大氣覆蓋著地表，光線微弱且被地表顏色染得有點暈紅，景象就像－地獄。無怪乎Venera系列降落後只能傳張照片回來就沒信息了，金星地表的高溫足以融化鉛、錫等耐熱的金屬，我們對金星的了解很多都來自於地球上及送去金星的探測船的遙測資料（以紫外光為主）。
金星的尺寸和質量都和地球差不多，為何會有這麼大的差異？目前的推測結論主要是因為金星距太陽為0.723個天文單位，因此金星所受到的日照能量約為地球的兩倍，就因比地球近一些，金星的大氣演化就走上和地球相左的道路。茲將過程描述如下。
溫室效應
首先假想金星的原始大氣像地球一樣，主要組成為水和二氧化碳，但是因為金星較接近太陽，因此水多以氣態存在於大氣中；我們知道H2O也是溫室效應氣體，因此大氣中水越h，整個星球也就變得越熱，好似一種「惡性循環」，最後，金星上連一滴液態的水也找不到，連雲層也主為硫酸雲。此種過程稱之為Runaway Green House Effect（１．p337）。
水的逸散
如果上述的假說是正確的，那麼揮發到金星大氣中的水到哪去了呢？我們認為這些水被太陽光中的紫外光分解成氫和氧，由於金星的大氣溫度高，於是氫很輕易地逸散到外太空去了，留下來的氧可和一氧化碳化合成二氧化碳，更增加金星的溫室效應，也許和地表含量可能很多的硫化物形成硫酸。測量金星大氣目前所含的水氣的氚／氫比，比值相對於地球來說大了許多，最合適的理由就是光分解後，氚原子比氫原子不易逃離，所以存量越來越大，這是金星曾經有水、並且經由光分解的途徑失去氫的事件的證據（１．p337)。現在的金星雖然幾乎沒有水氣，但在在大量的二氧化碳及少許的水和硫酸包覆之下，地表輻射熱難以傳出，所以仍舊是一個大溫室，即使火山暴發噴出的水氣，不可能為液態形式，也會慢慢地被光分解而逸失。
我們的地球也過去曾有一段時間以這種方式失去水，但是由於地球離太陽比較遠，所以在關鍵時刻地球降雨了，雨水冷卻了地表，形成了海洋，在海洋中造出了生命，演化出行光合作用的植物，將大氣中的二氧化碳轉成氧氣，才有後來以呼吸作用維生的多樣生物出現；液態的水更調節著地球的溫度，維持了這個生生不息的地球。要是地球再接近太陽一些，也許就會變成另一個煉獄。
二 金星的大氣垂直結構
一般對金星的大氣以雲霧層為界分為上層大氣和下層大氣。溫度結構上，0～90km溫度不斷下降，值得注意的是其遞減率比地球大得多（地表比地球熱，隨高度卻又冷得比地球快），其中50～90km處的氣溫遞減率又比0～50km要大，90公里以上溫度又漸回升，對流層頂位於65km高，之上為平流層，135km以上界定為外氣層。
雲層是金星大氣中最顯著的構造，它遮蔽了大部份的日光，並阻礙可見光區對地表的觀察，延伸於30～80km，其中 只有50～60km為濃雲，其它只能算是霧層。近地面的大氣因為濃密，所以流動性較弱，推測流速為1～2km/sec，可以把它想像成在水裡的情形；地表的氣體雖然流動緩慢，在50km的濃雲層卻存在很強的氣流，流速達100m/sec，四天就可以繞金星一圈，這一區的大氣壓力和地球表面差不多。雲層的主成份為硫酸微滴，目前推測，是因金星地表所含的黃鐵礦和大氣反應，形成亞硫酸，在平流層附近起光化學作用形成硫酸微粒子，造成這種顏色偏黃的雲霧(５．p34-35），這層全球性的厚雲使得金星的反照率高達0.59，成就這顆在地球上看來亮度僅次於太陽和月亮的的星體，中國人詩中的太白和長庚。
三 金星的環流和季節
地球上有三胞環流，那麼在和地球相彷的金星上有沒有類似的環流？地球上的環流有季節性的變化移動，金星上是不是也是這樣呢？我們先來看一看和環流有關的一些天文參數。
自轉軸傾角及軌道參數
金星自轉一圈為243個地球日，公轉一圈要224.7個地球日；地球的自轉軸傾角是23.4度，然而金星的自轉軸傾角卻是178度，這表示金星是順時鐘轉的，因之，金星上的太陽西升東落，並且一天長於一年。由於赤道面和公轉軌道面夾角只有2度，軌道偏心率只有0.007，造成在金星上，同一緯度所受的日照在一金星年中幾乎沒變化，換句話說，金星的季節性變化比起地球來說非常地小。
科氏力、環流高度、強度和證據
金星的自轉很慢很慢，所以金星的科氏力也就很小。回顧一下地球大氣環流學說的發展史，哈德里氏的單胞循環模型因為科氏力太大的緣故被三胞環流取代，但是在科氏力甚小的金星上，單胞環流成為最佳的模式。根據Pioneer Venus(provided by Schubert et al. 1980)的觀測結論，在距地50～70km處有自赤道向極區的單胞循環存在，並因為摩擦力的關係帶動著下層(30～0km)的大氣運動（可以想像成地球海洋的風生環流，主為艾克曼流），整個金星的環流就像圖四所示。這樣的假說可以由紫外光的雲頂照片中，明顯的雲帶得到證實，這雲帶以一個半球作為單位，自赤道往兩極，北半球向左偏，南半球向右偏（別忘了金星自轉是逆轉的），故形成Ｖ型；在南極的雲頂照片也顯露出逆時鐘旋轉的雲系，表示此處為沉降氣流區。但是為何有的雲層會形成暗帶，目前還不清楚。
另外，根據Pioneer Venus的觀測，在45km和60km附近有薄層的強烈擾動(４．p140）。
我們可以得到的結論是，由於自轉速度緩慢，故金星的大氣環流屬於單胞循環
；由於金星的自轉軸和公轉軌道面夾角很小，所以沒有明顯的大氣季節變化。
肆、火星
一 往火星找生物的理由
火星是一顆紅色的行星，表面多為含氧化鐵的岩石，它的天空是紫紅色的（參考Science1997Dec(5)的封面）。常久以來，不論科幻作家或是科學家，總是存著關於「火星人」的期待，原因之一是火星不像金星那樣酷熱酸毒，大氣主要組成為二氧化碳，可以供光合作用的生物生存之用，日夜溫差雖大，但仍在這些生物能夠忍耐的範圍之內，如果地球上的光合作用細菌搬到火星，存活的可能性非常大。再加上，從前的觀測照片中可以看出火星南半球的綠色斑點有季節性變化，加深了人們對火星生命存在的信心，更誇張的，有人認為火星上一些相當整齊地形構造為「運河」，於是乎火星人之說乍起，但是後來更清晰的照片卻顯示那可能是河流的遺跡，火星可能有水，卻無法證明有過高度文明生物存在，所派往火星的探測機器如海盜號和探路者號，也沒有發現和地球生物相近的任何生命跡像，前陣子那塊來自火星，含有「化石」的隕石也還沒有經過嚴格考驗其真假，要說火星上有沒有生命？支持有生命論者會告訴你探測船可能降落錯地方了，掉到如地球的沙漠之處，才會無所獲，甚至會告訴你，探路者號的斷訊很可能是火星人把它關掉的，但是，誰知道呢?
三 火星的季節變化
火星的公轉軌道離心率為冥王星以外最高的，這告訴我們火星的北半球季節較緩和，而南半球的季節變化劇烈，換句話說，南半球的冬天要比北半球的冬天更像是冬天，這能解釋為何上述南半球的晨暴較強烈。跟地球比起來，火星的自轉軸傾斜大，加上軌道偏心率大，火星的四季比地球還要明顯的多，表現得最顯著的就是火星的極冠。
極冠、氣候、自轉
極冠的主要組成為乾冰及冰，冰比較集中在極點附近，夏天降臨時，乾冰會全部昇華為二氧化碳，而留下小小的冰帽（圖十三），融冰期間極區和附近的沙漠間很容易引起渦流塵暴（圖十四），我們可以想像另一個半球的極冠正擴張它的領域，最大可占領70度以上的高緯區（１．p326），所以我們很早就從地球上的觀測發現火星有極冠。因為南北半球季節差異之故，二氧化碳的昇華和凝結並不是等量的，又不存在液相可供緩衝，因此造成火星氣壓隨季節能有20%的變化（１．p
326），在地球上要造成這麼大的氣壓差，恐怕得要有超級龍捲風才勉強作得到。這種南北極冠不平衡地消長甚至使得火星的自轉速度有季節變化，為了維持角動量守恆，南半球夏天時的火星會轉得快一點，這是由探路者號和海盜號的資料比對研究後所得的結論(6)。
總之，火星是有四季的星球，且南半球較北半球更顯四季分明，季節轉換之時很容易引起塵暴。
四 火星的大氣結構
垂直結構
因為火星的大氣稀薄，在垂直結構上也就不易有明顯且穩定的分層存在，除了前述的雲層之外，從海盜號和探路者號所得到的資料顯示火星大氣的密度是隨高度穩定地遞減的，溫度結構上的變異較大，可能是由於探路者是凌晨進入火星大氣，而海盜號是在午後的時分登陸之故，顯示火星的大氣垂直結構也存在著日變化。總的來說，地面的大氣稍暖一些，氣溫穩定地遞減至50km左右，以
上的大氣氣溫變化較大，一直到100km以上，溫度回升，但此處的回升的幅度隨日出後受熱而增加。
全球環流
火星不像地球和金星，有較穩定的全球大氣環流，而以日變化所生的風和擾流為主。曾有人藉火星的沙丘型式和風痕來研究全球風場，顯示全球大塵暴時全球均吹東向風，在南緯30～40度較強，南北半球的風略有向赤道符合的趨勢。沒有大塵暴時的風比較弱也比較紊亂，大致上還是有自兩極向赤道的風在赤道輻合。但觀測的範圍有限（有沙丘地形之處）次數也少，，目前也沒有足夠的觀察資料來作佐證。
因為可能有生物的關係，火星是地球上人類星際探險的熱門目標，加上火星比金星易於探測且較近，可以送儀器直接去測量，因此探討的文章篇幅數量都較多，我個人認為這也無可厚非，但是把重點擺在尋找生物上面是不是過於浪漫，不太經濟，就是個人觀點的問題了，我是覺得木星和土星、海王星的衛星中說不定有更好的條件讓生物生存，且外星生物的型態也許非我們能想像的，致
力於發展技術，伸長知識領域，似乎比瘋火星要有效率點。
伍、結論－天文與氣候
寂靜的水星、煉獄般的金星、活生生的地球和殷紅多風的火星，寫了這麼多，一路念下來的許多問題有的還是成謎，但大多數的大問題都可從該行星的大小、在太陽系的位置、自轉和公轉的速度、自轉軸傾角等行星的「先天條件」看出端倪。就像我在序言中提到的，天文和氣候也到了該作科際整合的時後，火星的自轉速度和極冠的關係可為一例。
另外，看到如煉獄般的金星，不禁想到，要是人類在和地球相處時，不小心跨越了地球所能忍受的界線，會不會像金星的溫室效應一樣變得不可挽回？這樣的例子還有多少？臨近的這顆姐妹星，是不是能給人類什麼啟示？
陸、參考文獻
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２．Robbins & Jefferys & Shawl,Discovering Astronomy 3rd Edtion,
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Earth,Mars,Venus and Titan, p232-249
４．John S. Lewis & Ronald G. Prinn ,Planets and Their Atomosphere ,p132
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５．牛頓雜誌150期 P34-39 48-51
６．W.M.Folkner&C.F.Yoder&D.N.Yuan&E.M.Standish,
Interior Struture and Seasonal Mass Redistribution of Mars from Radio
Tracking of Mars Pathfinder, Science DEC(5) 1997 p1749-1751
７．J.T.Schofiels&J.R.Barnes&D.Crisp&R.M.Haberle&S.Larsen&
J.A.Magalhaes& J.R.Murphy&A.Sheiff&G.Wilson,The Mars Pathfinder
Atomospheric Structure Investigation/Meteorology(ASI/MET),
Science DEC(5) 1997 p1752-1757
(Wed Jun 3 22:48:52 1998發表於精靈之城，個人著作，轉載需註明出處)
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