这些星体处于不同的演化阶段，其大气成分、物理状态及大气结构都不同，和各行星在太阳系中的位置、大小以及密度等有关。研究行星大气有助于深刻了解地球大气，也有助于探索太阳系的演化。

表 行星大气概况*

*不同资料提供的数据有些差异。**1atm=1013.25hPa。***以日地距离为1.0。

按物理性质和化学组成的不同，太阳系的八大行星可分成类地行星和类木行星两类，每类各四颗。类地行星指水星、金星、地球和火星，与类木行星相比，其质量小、体积小、密度大、自转慢，有固体岩石表面，卫星少甚至没有，化学组成以重物质为主；而类木行星的质量大、体积大、密度小、自转快，有光环，卫星多，化学组成以轻物质为主。

另一种分类法以小行星带为界，分成离太阳较近的内行星（类地行星）和远离太阳的外行星（类木行星）。外行星又称巨行星，木星和土星称为气态巨行星，天王星和海王星称为冰巨行星。它们的主要差异是：气态巨行星质量的90%以上都是氢和氦，有大体积的气态壳层包围在行星核幔周围；而冰巨行星主要由冷凝成“冰”的氨、水和甲烷等物质组成，只有20%是氢和氦，有相对比较薄的气态壳层。探测与研究差异如此大的这两类行星很有科学价值，有助于了解太阳系行星形成过程。

20世纪60年代以前，人们只能用天文望远镜和雷达等在地球上观测其他行星。现在，人类已经向太阳系的其他7大行星都发射了探测器。这些探测器，有的在离行星几千千米到一百多万千米处发回照片，有的在行星上软着陆后，向地球发回照片和资料。随着探测手段的不断发展，新的资料不断出现，对这些行星和行星大气的认识也不断地更新和深入。

水星离太阳最近，获得的太阳辐射能量大，地表温度平均452开（179℃），阳面中午可达700开（427℃）。水星是八大行星中质量最小的，气体分子热运动又剧烈，很容易逃出它的引力场。水星磁场的强度只有地球磁场强度的1%左右，也无法有效地阻止强劲的太阳风将大气层“吹走”。所以水星上只有极为稀薄的大气层，主要为太阳风成分，由原子或离子状态的氢、氦、氧及惰性气体组成。没有发现任何曾经被水浸蚀过的痕迹，表明它不存在水。水星的自转周期约为59个地球日，没有了大气和水的调节作用，水星的日夜温差高达600开。

金星的大小、质量和密度都和地球接近，却有完全不同于地球的浓密大气圈。大气中二氧化碳达97%，低层可能更多；约有3%的氮和少量水汽、一氧化碳等。金星大气层分布在距地面100千米高度以下。在45～60千米的高空还密布着浓硫酸滴和硫酸气溶胶组成的浓云雾，呈黄色。浓密的大气和云雾能反射80%左右的太阳光，所以金星十分明亮。

金星和天王星是太阳系中逆向自转的两大行星，从金星上看太阳，是西升东落的。金星的逆向自转速度极慢，自转周期为243个地球日，公转周期约为224.7个地球日。

由于距太阳近，太阳辐射强，而二氧化碳和水汽有强烈的温室效应，再加上浓密云层不能散热，所以金星表面的温度越来越高，最后平衡在740开（467℃）左右，并且没有季节、昼夜和纬度的区别，成了一个等温星球。金星表面极高的温度以及90多个大气压的高压环境，使大气主要成分的二氧化碳变成了兼具气体和液体性质的所谓超临界流体。从某种意义上讲，金星表面是被二氧化碳的“海洋”所覆盖，这种“海洋”的传热率极高，又有对流，即使金星的昼夜分别长达58.3个地球日，其昼夜温差也极小。金星大气的温度和气压随高度下降，在52.5千米到54千米高度处的温度在20～37℃，高度49.5千米处的气压则与地球海平面大气压相等。

金星有巨大而强烈的大气环流，只需要4～5个地球日就可以环绕一周，推断其高空风速可达360千米/小时。风速随高度下降而降低，金星表面风速大约是每小时10千米。金星大气有剧烈运动，且闪电和雷暴现象频繁。两极有极地涡旋。

火星的质量只有地球的1/9，体积只有地球的15%，地心引力仅为地球的38%，因此它的大气很稀薄，只有地球大气的1%，主要是二氧化碳（95.3%），还有少量氮（2.7%）、氩（1.6%）、氧和水汽。火星比地球远离太阳，单位面积上受到的太阳辐射仅为地球的43%，表面温度低。自转周期约为24小时37分钟（地球时），几乎和地球一样。火星上也有四季变化，由于它的公转周期约687天（地球日），故每季的长度约为地球上的两倍。由于大气稀薄，保温能力差，火星表面的昼夜温差和季节温差都远比地球上的大。火星的两极和赤道的温差很大，两极覆盖着随季节变化的冰盖。

火星大气中存在云层。在15～30千米高度有由水冰组成的云，在45千米左右高度有由二氧化碳（干冰）组成的白色云。在北半球春、夏季时，在巨大火山迎风侧亦有水冰云。由于火星温度分布不均匀，大气运动非常剧烈，平均风速达4.3米/秒，风向变幻不定。火星上最壮观的气象现象是尘暴，像地球上的台风一样，裹着尘土和碎石在火星表面肆虐。它经常可以发展到行星尺度，有时几乎遮蔽整个火星表面。

火星一直是人类感兴趣的星球之一。1962年开始，苏联发射了“火星”系列探测器，其中的“火星3”号登陆舱实现了软着陆。之后美国也发射了一系列太空探测器。1999年3月，美国国家航空航天局的火星探测器，看到了干枯的河床和两大片曾经是海的平坦低地，从而推测火星上曾经有过大量的水。2004年美国的“勇气”号进一步确认，火星北极白色的极冠大部分是由水冰组成，极冠区的范围随季节有变化。2013年12月9日，美国“好奇”号火星探测器又有重大发现，科学家认为火星上存在古湖泊，这个湖泊可能已有数千年，甚至数百万年历史。据推测，40亿年以前火星的气候可能与地球相似，也有河流、湖泊，甚至可能还有广阔的海洋，未知的原因使得火星变成今天这样的沙漠行星。因此，探索导致火星气候变化的原因，对保护地球的气候条件具有重大意义。

主要大气成分中，氢占89.8%±2%，氦占10.2%±2%，其他为少量的甲烷（0.3%）、氨（2.6×10^-4）、水汽（4×10^-5）等及多种微量成分，与太阳的元素丰度基本一样，但还存在氘（氢的同位素之一）。木星是太阳系行星中体积最大、自转速度最快的行星（赤道区自转周期9小时50分30秒）。其质量是太阳的千分之一，是地球的317.8倍。截至2013年，已发现的木星卫星多达67颗。

木星被称为气态巨行星，因其主要由最轻的两种元素组成（氢71%，氦24%），具有超低的平均密度1.3克/厘米³，与太阳的密度1.4克/厘米³相近，只有地球的24%左右。在木星自身引力的压缩下，大气的密度和温度都是外层低、核心高。木星没有固态表面，大气是逐渐过渡到内部液体的，故通常以气压表示高度。若以大气压为1000百帕（相当于地球上0.987个大气压）作为高度为零的木星“表面”，则在木星“表面”以下约1000千米处，巨大的压强和高温将使氢渐渐由气态转为液态。在深度约10000千米处，木星物质的温度达到了接近太阳表面温度的6000℃左右，压强高达约100万个大气压。在那样的高温、高压条件下构成木星物质主体的氢将变成所谓的液态金属氢，即电子不再受原子核束缚而自由流动，如同金属。液态金属氢是一种导电流体，巨大的电流可在其中回旋，估计这也是木星具有强磁场的原因。

按木星大气温度随高度（气压）的变化趋势，和地球大气层类似，可分为对流层、平流层、热层和逃逸层（图1）。由于无法确定大气层的底层界限，一般将对流层底定在气压为10000百帕处，在木星“表面”以下约90千米处，温度大约是340开。随着高度增加，对流层的温度逐渐降低，平流层温度缓慢上升，热层的温度继续上升，大约在1000千米高处温度趋于1000开。木星的引力场很强，气体难以逃逸，高层保留了富氢大气。大约在木星表面上5000千米的高度，大气逐渐过渡到星际空间。

图1　木星大气温度随压强的变化

木星大气对流层内有稠密活跃的云系：最外层为氨晶体云，温度120～150开；往下是硫化氢铵（NH₄SH）晶体云，呈黄褐色，温度约为200开。预计再往下可能有水冰晶云层。

木星向空间辐射的能量为它从太阳所吸收的热量的1.67倍，这表明木星内部存在热源。较强的内部热源使其赤道与两极的温差不超过3℃。木星的南北半球各有五六对纬向气流，长久保持相对位置不变，平均风速为50米/秒，最大130米/秒。木星大气的运动非常激烈，并有闪电和雷暴。在木星大气中能观测到与赤道平行的、亮暗交替的由云层形成的带纹。据红外探测资料分析，亮带主要是上升气流所形成的低温高云，呈现为白色或灰黄色；而暗纹是温度较高的低云，由下沉气流构成，呈不同深度的红棕色。亮带和暗纹的亮度、位置随时间而变。这种大范围的带状结构，被认为是由星体内部热量产生的对流以及快速的自转造成的。纬向气流和云带纹有一定的对应关系，但云带纹有短期变化。

南半球的大红斑是木星显著的特点之一，呈蛋形，有2～3个地球那么大，体积和颜色随着时间变化。这是氨和甲烷气体云构成的风暴气旋，其内暖空气强烈上升，能量巨大，逆时针旋转，其边缘风速达每小时几百千米。大红斑的云顶比周围云顶约高出几千米，可能气流中含有红磷化合物，因此呈红橙色。木星大气中还有许多小的涡旋。

美国国家航空航天局（NASA）发射的“朱诺”号木星探测器，于2016年7月成功进入木星轨道，2017年2月任务结束。“朱诺”号拍摄的照片显示，木星的南北两极都覆盖着地球大小的风暴气旋。其中一些庞大气旋达到1400千米宽，比地球最大的气旋大10倍。

土星外围的大气层包括96.3%的氢和3.25%的氦，可以侦测到的气体还有氨、乙炔、乙烷、磷化氢和甲烷等。大气层厚度约1000千米。土星也是气态巨行星，体积约为地球的745倍，质量约为地球的95.18倍，平均密度只有0.70克/厘米³，在八大行星中密度最小。和木星类似，在土星“表面”以下约1000千米处，土星物质由气态转为以液态氢为主的液态；在深度约15000千米处，液态氢进一步变成了液态金属氢。土星的自转速度很快，赤道上自转周期为10小时14分，在纬度60°处为10小时40分。土星有光环，还有62颗卫星。

由于土星比木星离太阳更远，温度更低，土星上层几乎被稠密的氨晶体云全覆盖。较低层的云则由硫化氢铵（NH₄SH）或水组成。这些云也像木星的云一样形成相互平行的条纹，但不那样鲜艳，而且比木星云带规则得多。土星云带以金黄色为主，其余是橘黄、淡黄等。

土星辐射发出的能量是从太阳吸收到的2.5倍，这表明土星也有内在能（热）源，能产生对流。土星的自转角速度很快，而且赤道和高纬处有差异，导致气流产生高速的相对运动。上述两个因素使土星大气运动的激烈程度甚至超过了木星。土星的风速是太阳系中最高的，赤道附近的气流与自转方向相同时的速度最高可达500米/秒，是木星赤道风带速度的3～4倍。此赤道风带的宽度也比木星大得多，范围延伸到南北纬各40°。

天王星和海王星被称为冰巨行星。两颗星的结构类似，都有岩核，核心温度可达2000～3000开；岩核外面为质量较大的冰层，这种“冰”是由氨、水和甲烷等冷凝而成。冰层之外，有着稠密的大气。天王星大气主要成分有83%的氢气、15%的氦气、2%的甲烷，海王星大气主要成分有85%的氢气、13%的氦气、2%的甲烷及少量氨气。这两颗冰巨星的大气中还包含了由重元素C、N、O和S等组成的物质。

大气中有很厚的云层，主要为甲烷云和氨云。这些行星距地球都很遥远，很多特征无法用望远镜观测。1977年8月20日美国发射的“旅行者2号”探测器于1986年经过天王星，1989年8月25日飞越海王星，有了很多新发现。第一次精确地测得天王星的公转1周大约相当于84个地球年，自转周期是16.82小时。发现海王星南极周围有两条宽约4345千米的巨大黑色风云带和一块面积有如地球那么大的风暴区。海王星有太阳系最强烈的风，曾测量到时速高达2100千米/小时。

通过“旅行者2号”的无线电掩星试验，得到了0.1百帕以下两个冰巨星大气层温度随压强变化的示意图（图2）。可以明显看出，天王星和海王星的大气温度垂直结构十分接近。为方便比较，图中也显示了土星和木星大气中温度垂直结构。在压强1000百帕处，木星和土星的大气温度分别为165±5开和134±4开，天王星和海王星的大气温度分别为76±2开和72±2开，可见冰巨行星的大气温度远远低于气态巨行星。

图2　类木行星大气温度相对于压强的变化

天王星和海王星大气在不同的深度（压强）处存在着不同成分的云层。例如天王星，在压强高于900百帕的区域存在一个甲烷的冷凝云层，在压强小于100百帕的对流层上层到平流层低层之间存在着低阶的碳氢化合物，在大气层的更深处存在着可能由硫化氢冰颗粒及氨组成的云层。

综上所述，除水星外的几大行星都被一层大气所包围，但类地行星和类木行星的大气表现出两种不同的类型。在宇宙空间里，物质世界的化学元素丰度随元素原子量的增加而减少。因此，太阳系各行星大气在形成初期都应以轻元素如氢、氦和碳等为主，由于行星距太阳距离的远近不同，星球尺度的大小不同，以及公转、自转周期和轨道的差异，经过几十亿年的演化，形成了现在各不相同的行星大气。在小行星带以内距太阳近的内行星，因太阳辐射强烈，星球表面的高温及太阳风的作用使原始大气很快散失，由行星内部火山喷发及其他化学过程产生的第二代大气——次生大气，以二氧化碳为主；而距太阳远的各个外行星上温度极低，行星大气仍以氢、氦和甲烷等原始大气成分为主。特殊的是地球，它由次生大气进一步演化成现代大气，其中生命的出现和生物圈的形成在这个演化中起了重要作用。而生命能够在地球上出现，是和适宜的日地距离有关的。生命需要水，适宜的日地距离使地球表面有了合适的温度条件，能在地球上完成水汽、水和冰的循环，这在太阳系的其他行星上是不可能的。