科学家将这艘飞船命名为“卡西尼”。卡西尼是17世纪的一位意大利天文学家，他首先发现了土星环中有缝隙。“卡西尼”飞船由美国宇航局喷气动力实验室建造，飞船上面携带了一系列复杂得惊人的探测设备。
　　“卡西尼”有两只“眼睛”——两部超级复杂的相机，其中一部的焦距很长，分辨率很高，但只能拍摄邮票大小的面积；另一部的视野宽，焦距短，但精度欠缺一些。两者珠联璧合，对探测来说再合适不过了。
　　“卡西尼”装有一台强力雷达，其设计要求是能“看穿”泰坦的模糊大气层。这还不够。在“卡西尼”的7年任务期中，它上面还要搭乘一个小型探测器——由欧洲航天局建造的“惠更斯”。惠更斯是一位荷兰天文学家，他在1655年率先发现了泰坦。按照计划，“惠更斯”将在泰坦表面登陆，它将看、嗅、摸、听这颗神秘的卫星，然后把探测到的图像和数据以无线电波的形式发回到在轨道中绕行的“卡西尼”母船上。
　　探测泰坦可谓困难重重。科学家指出，泰坦的大气可能比他们认为的更浓密，但也可能更稀薄；可能比他们认为的更温暖，但也可能更寒冷。此外，他们不知道泰坦的表面究竟是怎样的状况，因而无法担保探测器在登陆（或者说“坠在”）泰坦表面之后能够正常工作。为此，科学家必须确保“惠更斯”坚韧到足以胜任这项艰巨的任务。
　　“惠更斯”作为一艘超级敏感的登陆探测器，在其设计和建造的方方面面都必须经过严格的测试。当“惠更斯”撞进泰坦的大气层之后，摩擦产生的高温将达到11100摄氏度以上，比太阳的表面温度还高两倍以上。因此，为了经受住如此超热的考验，“惠更斯”必须拥有一副高效的“热盾” ——挡热板。
　　除了隔热，另一个关键问题是，“惠更斯”必须在准确的时间打开3副小型降落伞以实现成功着陆。在前往泰坦的7年行程中，这3副降落伞一直都静静地呆在飞船上，而此刻，它们必须准确无误地依次部署、打开、充气，否则“惠更斯”就将前功尽弃。在150分钟的下落过程中，“惠更斯”携带的特制相机将充当它的“眼睛”，并将有史以来对泰坦表面的“第一瞥”传回地球。所以，科学家还必须确保这些相机万无一失。
　　不过，在“惠更斯”于泰坦的橘红大气层里下落的惊险过程中，最高潮的一幕还是登陆。为此，科学家在实验室中建立了一套装置，专门探查“惠更斯”登陆泰坦表面时会发生什么情况。这套装置叫做“透度计”，它能测量“惠更斯”究竟登陆在了什么性质的物体上：是冰面、岩石还是湖泊之类的液面？根据登陆面性质的不同，透度计会发出不同的信号。
　　1997年，“卡西尼”飞船及“惠更斯”登陆探测器终于建造、安装就绪，美国宇航局使用地球上最强力的火箭“泰坦四号”，将迄今为止人类建造和发射的最大型行星际飞行器、6吨重的庞然大物“卡西尼”飞船发射升空。不过，光靠“泰坦四号”还不够，因为“卡西尼”不但需要挣脱地球引力的束缚，飞越近16亿千米的遥远距离，而且还只能依赖很少量的燃料。
　　
　　为了让“卡西尼”完成这次漫长之旅，唯一的办法就是精心设计它的飞行路线，让它得到行星的引力援助（可参阅本刊2007年第9期文章《引力援助》）。首先，“卡西尼”要飞往离地球最近的金星，借助金星的引力拉动使它的时速增加到15000千米。但这还不够，“卡西尼”还得返回来第二次借助金星引力。接下来，“卡西尼”将接受地球的引力援助，飞往下一个目标——木星。总之，在到达最终目标——土星之前，“卡西尼”的时速必须达到80000千米。这一切在理论上是完全可行的，但在实际中行得通吗？
　　1997年10月15日晚，上述行星呈现出卡西尼-惠更斯任务所需的最佳位置排列。于是，在美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射场，“卡西尼”升空了。这次历时长达7年、全程长达35亿千米的旅程开始了。
　　
　　艰难曲折的长征
　　
　　媒体记者们云集美国宇航局喷气动力实验室，等待“卡西尼”的太阳系7年长征中最关键的消息，它攸关整个工作期长达14年的卡西尼-惠更斯计划是否会功亏一篑。
　　
　　1999年，也即“卡西尼”启程两年后，它按照计划第二次环绕金星并飞返地球。又过了一年，“卡西尼”在太空中飞行24亿千米后，到达了“太阳系中的巨人”——木星。木星的大小比太阳系其余行星加起来还大1倍，在“卡西尼”的相机群面前，木星的雄壮得到了前所未有的揭示，它那旋转的大气层以惊人的分辨率被拍照。
　　到2004年春季，“卡西尼”逼近土星。在它遭遇土星之前，科学家计算出了一个精确的轨道，让它经过了土卫九——菲比，离土星最远的一颗土卫。在此之前，科学家只看过“旅行者”在23年前拍摄的菲比照片。而这一次，“卡西尼”拍摄的图像显示，菲比有着古老的表面，上面分布着数十亿年来留下的陨击坑。菲比的照片令人惊奇，不过，与后面的发现比起来，它只能算是一碟“开胃菜”，真正的“大菜”之一是即将揭开神秘面纱的——土星环。
　　
　　为查明土星环的污染程度，“卡西尼”上面装备有光谱仪，它能将化学成分“翻译”成生动的彩色图像。结果，“卡西尼”传回的土星环图像令人惊讶。在图像上，比较清洁的冰区显示为蓝色，较重的污染区显示为红色。由于图像上的内环呈红色，外环呈蓝色，所以内环看起来比较古老，外环则相对形成于近期。这些图像支持了一种耐人寻味的可能性：或许土星环仍然处于形成过程中。
　　接下来，“卡西尼”之旅的另一伟大篇章就要翻开了：“卡西尼”即将与土星最大也最神秘的卫星——泰坦相遇。
　　
　　解剖土星环
　　
　　假如伟大的伽利略能够在地面控制中心观看“卡西尼”飞船穿越土星环的过程，他一定会大吃一惊。
　　
　　1610年，通过自己的原始望远镜，天文学家伽利略最先发现了土星的存在。当时，他把土星环当成了土星的两颗卫星，一边一颗。而让他目瞪口呆的是，两年之后这两颗“卫星”竟然不见了。事实上，这是由于当时土星与地球之间的相互倾斜度发生了变化，伽利略无法再看到土星环的边缘——他误认为的两颗“卫星”。下面，就让我们来看一看“卡西尼”在探索土星环方面取得的成就。
　　土星环有多大年龄？大约46亿年前，土星和太阳系其他行星从旋转的星际气云中聚合而成。长久以来，科学家一直相信，土星环也应该可以追溯到那个时候。但是，20世纪80年代来自“旅行者”飞船的图像，以及现在“卡西尼”飞船拍摄的图像都显示，土星环并没有科学家们想象的那么古老，甚至一些土星环现在仍处在形成过程中。科学家通过“尘埃污染”这个指标来估算土星冰环的年龄，从而得知主要的土星环只有几亿年的历史。“卡西尼”携带的紫外光谱仪的成果揭示，土星主环有明显的层次，其中较“脏”的环显示为红色，蓝色环则距离土星较远，很可能形成时间也较晚。
　　土星环从哪里来？土星有超过40颗卫星，它们的直径从几千米到几千千米不等。现在看来，当土星诞生时，土星环还未形成。那么，土星环来自哪里呢？有人认为，一颗中等大小的卫星因迷途而太过靠近土星，于是被土星的强大引力撕裂，或者它被一颗大陨星撞得粉身碎骨，其残骸形成了土星环。也有人认为，一颗“冒失的”大陨星或彗星“斗胆”靠近土星，不料却被撕破身子。现在，“卡西尼”的探测可能部分地解释了土星E环（位于主环外面的一个环）的形成机理：恩塞尔阿多斯（土卫二）的喷泉正在“喂养”E环（参阅《相关链接：土卫二上有生命吗？》）。
　　土星环由什么组成？土星环由数不清的粒子构成。其中一些粒子非常细小，就像粉末；另一些则大如谷仓；还有一些大得堪称小卫星。“旅行者”发现土星环粒子几乎全部由水冰组成，另有微量的来自陨星的尘埃和岩石物质。“卡西尼”则对此进行了一点修正：土星主环的粒子可能更像蓬松的雪球，而非直硬的冰棒。
　　土星有多少条环？在地球上，用业余望远镜能看见土星环的主环，但主环只是十分复杂的土星环系统的一部分。整个土星环系统包括七条主环，按照被发现的顺序被分别命名为A～G环。其中，最靠近土星的是暗弱的D环，其次是C环、B环和A环（这后三个是最主要的环）。在A环的外面，是窄窄的F环。F环外面是G环。E环位于最外层，这个环很宽，一直延伸到了泰坦。而在C环、B环和A环这三个最主要的环内部，还有数十条更窄的细环，其中大多数直径仅为几千米。
　　
　　土星环究竟有多大？那要看“大”指的是什么。如果指的是质量，土星环算不上太大：即使把所有的土星环粒子聚在一起，也只能组成一颗中等大小的卫星。不过，土星环占据的空间却很大。主环直径超过27万千米，厚度却不到800米。E环的直径接近96万千米，要是你乘坐高速喷气式客机飞越这个环，那么要花一个多月才能走完。土星环这么宽并不奇怪，要知道，土星本身就比地球大750倍以上哦！
　　土星环为何会位于一个平面上？土星形成于一个旋转气盘，剩下的物质则继续环绕土星的赤道旋转，其中多数物质最终聚合形成土卫。不论土星环是否可以追溯至这一时期，或者土星环是否为一个被撞碎的卫星的残骸，环中的粒子都会保留原来那个旋转气盘的角动量，而土星的引力在自身鼓胀的赤道附近也更强大。于是，土星环粒子很容易地被吸引到了土星赤道附近。任何位于倾斜轨道上的环粒子都会与土星赤道上的无数环粒子相撞，最终被导入赤道平面。
　　土星环中为何有缝？通过自身的引力效应，土卫们在土星环中制造出明显偏暗的缝隙。主环中最大的缝隙宽近5000千米，将A、B两环分隔开，被称为“卡西尼分界线”，这个名字是为纪念在1676年发现这个空隙的天文学家让-多米尼克·卡西尼而起的。实际上，这个“缝隙”并不像从地球上看去那么空空如也，而是包含着许多暗弱的细环，其内部边界由土卫一制造得很分明。其他较小的土卫也在维持土星环缝隙方面各司其职。
　　土星环中的明亮带是什么？土星主环中的明亮带，基本上都拥有更大的粒子密度，因而能够反射更多的太阳光。例如，C环中的一个明亮带差不多有50千米宽，其中的粒子密度是周围区域的5倍多。反之，土星环中的阴暗的带状区域却能有效地阻挡阳光，使之看上去比周围区域阴暗。科学家还不完全清楚是什么因素决定着那些明亮带的位置和边界，但可以肯定的是，其中至少有一些是由土卫们主宰的。
　　
　　在地面控制中心，气氛紧张得要命。“卡西尼”和“惠更斯”都已经开始自动工作了。“惠更斯”的防热盾能否正常工作、特制降落伞能否适时打开……哪怕一个小小的失误，整个任务就可能被终结。
　　终于，科学家们得到了一个惊喜——信号来了！可是，他们很快发现，这信号不是来自母船“卡西尼”，而是直接来自“惠更斯”。按照计划，一切数据（信号）都必须由“卡西尼”中转。这是怎么一回事？尽管这样，科学家们还是非常高兴，因为它明白无误地指示——“惠更斯”还活着。
　　此刻，在美国西弗吉尼亚州的格伦·班克，直径100多米的罗伯特·C·比尔德射电望远镜正直接对着泰坦，倾听它发出的哪怕最微弱的信号。那里的科学家实际上是在“偷听”“惠更斯”和“卡西尼”之间的对话，不过，它们之间对话的“声音”（信号）实在太弱，仅相当于一部手机的声音，而且这部手机还在距离地球10亿千米的泰坦上。试想：探察这样的信号该有多难？
　　收到来自“惠更斯”的无线电信号，表明一切都在按计划进行，但这信号太微弱，无法中转任何科学数据。地面控制中心的科学家必须等待来自“卡西尼”的声音。
　　按照计划，“卡西尼”的信号应该在欧洲中部时间当天15时24分到达。可是，当时针指向15时24分时，信号却并未如期而至。科学家们再度绷紧了神经：为什么收不到“卡西尼”的信号？是不是母船“卡西尼”没能收到“惠更斯”发出的信号？
　　时间一分一秒地过去，地面控制中心的安静让人越发感到不安。科学家们面面相觑，都有些不知所措了。4分钟过去了，5分钟过去了，还是没有任何信号。有科学家开始摇头叹息，现场的观众和记者更是灰心丧气。
　　
　　可是，就在人们认为不会再有信号传来时，也就是15时30分刚过一点点，原先一片空白的屏幕上突然出现了一整条绿柱——信号出现了！“卡西尼”终于开始源源不断地向地球发回“惠更斯”的探测数据。尽管“惠更斯”早在几小时之前就已经登陆泰坦，但科学家们直到现在才开始“降落”至这颗疑云笼罩的神秘土卫。
　　
　　神秘诱人的泰坦
　　
　　在“旅行者”拍下泰坦的“朦胧”照片近25年之后，“惠更斯”的近距离和实地图像终于初步揭开了泰坦的真实面目。
　　
　　“卡西尼”发回的首批图像模糊不清。科学家们感到担忧：要是橘红色大气层浓密得一直延伸到泰坦的表面，那么“惠更斯”将无法获取关键的图像数据。幸好，到距离泰坦表面仅30千米的空中后，图像变得清晰了，科学家们得以首次观察美丽的泰坦表面情景。
　　从图像观察，泰坦表面具有不少跟地球很相似的地貌，比如河岸、湖底和峡谷。当然，最让人印象深刻的是“惠更斯”登陆泰坦的地点。“惠更斯”携带的透度计揭示了登陆地点的地面情况——它登陆在一堆冰粒中，这些冰粒就像地球上的河岸或已干涸湖底的沙粒。
　　“惠更斯”刚刚落脚泰坦表面时，它与泰坦大气层摩擦生热的余温仍炽，登陆点的冰面被融化。“惠更斯”携带的探测仪器立即嗅出甲烷气味，而且甲烷量上升很快，就好像在登陆点的冰面之下有一大汪液态甲烷。
　　至此，在“旅行者”拍下泰坦的“朦胧”照片近25年之后，“惠更斯”的近距离和实地图像终于初步揭开了泰坦的真面目，也证实了科学家们此前的怀疑：不仅在泰坦大气层中有甲烷，在泰坦表面也有这种有机化合物。
　　“惠更斯”拍摄的图像显示，在橘红色的天空下面，“惠更斯”的登陆地点就像是已经干涸的河床，那里还有由冰组成的卵石。令人惊喜的是，“惠更斯”拍摄的多幅图像显示，泰坦表面有多条河流，还有大小群山。泰坦表面总体来说是由潮湿的“沙石”构成，这些“沙石”其实是冰卵石和液态甲烷的混合物。
　　“惠更斯”是迄今为止地球人建造的太阳系中最远的前哨站。登陆泰坦之后，它持续传送数据和图像达3个小时，然后就死去了。不过，母船“卡西尼”至今健在。在环绕土星的轨道上，每当经过泰坦时，“卡西尼”都会朝下瞧一瞧这颗神秘的土卫，以便进一步揭示它的真实面貌。
　　需要说明的是，“卡西尼”的任务并不仅仅是把“惠更斯”带到泰坦就完了，这艘飞船其实一直都在以自己很独特的方式来揭示泰坦之谜。通过遥感、红外及雷达成像，“卡西尼”“刺穿”泰坦的“面纱”，将泰坦的表面展示在我们面前。
　　现在我们已经知道，泰坦表面有许多地貌和我们熟悉的地球地貌很相似，比如两者都有经过冲蚀的河道。不过，组成地球地貌的是岩石和水，而组成泰坦地貌的却是冰和液态甲烷。
　　泰坦是一个充斥着甲烷的世界。甲烷雨从天而降，冲蚀着冰岩，凿刻出群山和峡谷。除了甲烷河流的冲刷，熔岩流也在重新塑造着泰坦表面。不过，泰坦上的熔岩跟地球上的熔岩完全是两码事。从图像上看，泰坦表面有一些怪异的结构——有点像地球上的火山，但和地球火山很不一样——被称为“冰火山”。地球火山喷出的是熔岩——熔融状的岩石，而泰坦上的冰火山由水（不是普通的水，而是水和氨的混合物）所驱动，因此结冰温度低至零下100摄氏度。如果你有机会爬上泰坦的火山口观察，你就会看到很黏的液体从地下冒出，沿着冰火山侧面流下，很像是流动的冰川。
　　既然泰坦的河流中有甲烷，大气层中有氮，表面还有古怪的“水”，那么科学家们自然会推测：泰坦上面或许真的拥有打造“生命砖石”所需的重要成分。可是，迄今为止，在泰坦上却未能发现生命。这是为什么呢？科学家推测，泰坦上面的温度太低了，就算起初有过生命的进化过程，这一进程也被迫减速以至最终停滞。
　　不过，科学家至今也不能断言泰坦上面就一定没有任何形式的生命存在。在冰火山中，有机分子或许因为太严寒而无法结合成生命所需的复杂分子。但是，在泰坦的表面之下应该是比较温暖的。那么，谁又能断定那里没有微生物正在享受着有机分子大餐呢？说不定，泰坦大气层中的一部分甲烷正是这些微生物贡献的嘞！
　　至今，“卡西尼”还在环绕泰坦进行探测，这颗既像地球、又是标准外星的天体仍然有太多诱人的未解之谜。“卡西尼”还将探测土星的其他卫星。2006年，“卡西尼”发现了从土星的第四大卫星——土卫二上喷吐出的冰晶烟云，这暗示土卫二表面下可能存在液态水。也就是说，土卫二是太阳系中又一颗适合生命存在的潜在天体。
　　（本文图片由美国宇航局、欧洲空间局提供）
　　
　　相关链接
　　
　　“卡西尼”为土卫九拍“写真集”
　　2004年6月，“卡西尼”在逼近土星的途中拍下了一系列令人惊叹的高分辨率土卫九照片，展现了这个小“月亮”伤痕累累的表面特征。大量的证据表明，这个小天体主要由冰组成，表面覆盖了一层厚仅300～500米的暗色物质。
　　科学家上一次拍摄土卫九是在1981年，那次使用的是安装在“旅行者”号探测器上的照相机。这次由“卡西尼”号拍摄的土卫九照片比23年前“旅行者”号拍摄的照片质量提高了一倍多。这些新照片第一次让科学家们看清了土卫九的地貌状况，通过这些照片科学家们几乎可以分辨出土卫九表面的火山口和山峰。
　　
　　土卫二上发现水蒸气和有机物
　　2006年，“卡西尼”飞越土卫二时，在其南极上方拍摄到了某种类似喷泉的照片。科学家当时发现，土卫二南极地区有一系列大大小小的裂缝和喷口，有大量的冰屑、水蒸气和尘粒从中喷出，就像喷泉一样，它们形成了围绕卫星南极表面的环形羽毛状冰尘。
　　2008年3月12日，“卡西尼”再次飞越土卫二南极上空时，对土卫二南极的巨大羽状冰尘进行了拍摄。科学家在对这些照片进行仔细分析后发现，在土卫二南极一个虎纹状的缝隙中喷出了浓密的水蒸气和一氧化碳、二氧化碳以及甲烷、丙烷等各种有机化合物。
　　科学家介绍说，土卫二南极表面的温度达零下39摄氏度，但就是在这样寒冷的环境下却出现了一条很长的热气带，它从一个虎纹状缝隙中冒出，这表明在土卫二的内部存在一个温度很高并且十分稳定的热源，只有它才能使水以水蒸气的形式喷发出来。
　　科学家指出，一个星体要诞生生命必须具备三大条件：持续的热源、有机物和液态水。土卫二已经具备了前两个条件。如果土卫二上存在液态水，那么在这颗星体上就有可能存在生命。至于土卫二是否存在液态水，还要等待“卡西尼”传回更多数据之后才能给出答案。“卡西尼”将在2008年8月和10月再次拜访土卫二。
　　那么，土卫二的间歇泉现象是怎样形成的呢？许多研究人员认为，间歇泉可能来自接近地表的地下水库。水的表面覆盖着一层薄冰，在气体的作用下喷出，最终形成“喷泉”。但不久前，美国科学家提出了另一种解释，认为土卫二间歇泉是由地表之下的巨大冰盘摩擦作用产生的。
　　
　　土卫二上有生命吗？
　　液态水是地球上一切生命的必要条件。随着“卡西尼”成像小组的科学家宣布“恩塞尔阿多斯”（土卫二）这颗小小土卫的南极地下可能存在大量液态水，土卫二一下子就成为地球人找寻地外生命的又一个潜在去处。下面是美国记者与“卡西尼”成像小组组长卡罗琳·博科女士之间关于土卫二的对话。
　　问：既然土卫二的表面温度低至零下200摄氏度，其南极怎么可能喷出水呢？
　　答：很明显，有某种东西在加热土卫二的南极地区，使得来自土卫二南极每平方米的热流量比地球上的平均热流量至少高一倍半。可以推测，土卫二上面一定存在某种机制来提供如此惊人的能量。
　　问：假如土卫二地下真的有液态水，那么其中会有生命吗？
　　答：找到地外生命是当代行星探索的“圣杯”，或者说“终极目标”。我们的主要目的，就是在太阳系中发现其他可能产生生命的地方。这里所说的生命，是指我们在地球上已知的生命——以碳为基础，发育和生长都离不开水。或许还存在其他形式的生命，但眼下我们根本不知道怎样去寻找它们。因此，我们正在寻找的是和地球生命一样的生命，这就意味着首先要找到水。当然，水并不是生命的唯一成分，还需要有机物，需要碳、氢、氧、氮、磷等多种元素，而且还需要热量。最后，一段能够允许生命演变的稳定时期也必不可少。在地球上，这个时期长约3亿年。从地质学上讲，3亿年好似眨眼之间那么短暂。因此，如果说土卫二上发生的一切已经持续了很长时间，推测它上面存在生命就并非那么不着边际。
　　问：如果土卫二的确具备生命所需的一切条件，那么那里的生命会是什么样子？
　　答：也许可以跟地球上的热液喷泉类比。在海底的热液喷泉口附近，生物无需阳光，而是靠化学能量来生存，这些化学能量正是来自热液喷泉。假如土卫二的地下水中存在生命，可以想象它们大约只是一些微生物，也无需阳光，而是依靠溶解在水中的硫化氢之类的东西生存。当然，如果不作实地考察，我们不能断言土卫二上存在生命，甚至就连断言土卫二上存在水也不行。不过，“卡西尼”将为我们提供更多的线索。
　　问：既然土卫二南极有烟柱喷出，那么能不能让飞行器穿越烟柱并提取水样，以检测其中是否存在生命？
　　答：我们已经在进行这样的探索。“卡西尼”上面携带的仪器能够在一定程度上测量蒸气的成分，甚至微粒的成分。不过，测量微粒成分难度很大，而且精确度很差。我们正在尽可能延长“卡西尼”的任务期，土卫二将是它探测的主要目标之一。“卡西尼”将多次飞越土卫二，届时我们会让它在飞经土卫二南极时的高度尽量低，从而能穿越烟柱，尽可能多做一些测量。
　　问：是否可能专门向土卫二发射一艘飞船？
　　答：既然“惠更斯”已经登陆泰坦，那么让探测器登陆土卫二又有什么不可以呢？但是，登陆是一回事，钻地探测则是另一回事。要是土卫二的地下水位于地下数千米，钻探就更加困难，也许今后几十年中都不可能完成这样的探测。不过，总体而言，探测土卫二的难度比探索太阳系中其他天体可能存在的地外生命要小一些。因此，可以预计土卫二将在未来的地外生命探索中唱主角。
　　
　　太阳系的“精英”们
　　
　　太阳系有一个“精英集团”，其成员包括金星、火星、地球和泰坦。为什么说它们是“精英”呢？因为它们都是“地球型”天体——固态且拥有大气层。在天体物理学中，行星大气是一个很复杂的问题。不过，如果你只想了解一个大概的答案，那么读下面的文字就够了。
　　
　　原始大气
　　行星大气的故事得从太阳系的形成时期说起。那时，太阳被巨大的气体和尘埃云——太阳星云所包围，而行星们正在形成之中。太阳系的4颗内行星——水星、金星、地球和火星因为拥有足够的引力，像磁铁一样从太阳星云中吸取气体元素并拥有了自己的原始大气，其主要成分是氢和氦，这两种元素如今占据了太阳和木星之类的气态巨行星的98%。当时的太阳不像今天这么炽热，这就使得4颗内行星能够保有自己的原始大气。
　　随着太阳变得越来越热，大气开始从行星逃逸。决定气体逃逸能力的因素有三个：温度、分子质量和逃逸速度（分子逃进太空所需的速度）。总的来说，热、轻、快的微粒比冷、重、慢的微粒更容易逃逸。氢和氦的分子质量最轻，随着太阳变得越来越热、越来越亮，4颗内行星所保有的氢分子和氦分子变得越来越热、速度越来越快，最终达到逃逸速度。或许就在这些内行星形成后几亿年里，它们原有的氢分子和氦分子都逃进了太空，这4颗行星变成了四大块岩石。
　　而此时，太阳系的4颗外行星——木星、土星、天王星和海王星，却因其庞大的体积保有了自己的氢分子和氦分子。此外，太阳距离它们太远，太阳的热量奈何不了它们。于是，这4颗气态巨行星得以保存自己的原始大气至今。
　　
　　次级大气
　　后来，地球又有了次级大气，这对人类来说是一件幸事，不然的话就不会有我们了。次级大气是在原始大气消失后很久才出现的。并非所有的岩质行星都能保有次级大气，比如水星就因距离太阳太近而无法保有任何类型的气体。那么，次级大气是怎样形成的呢？
　　尽管金星、地球和火星最终都没能保有氢和氦，但它们却以足够的引力和足够低的表面温度保有了分子质量较大的气体，如二氧化碳和水蒸气，并把它们以这样或那样的方式保存在自己的岩石身体内。这些二氧化碳和水蒸气有两个来源：构建这些行星的原始“砖瓦”，以及在这些行星的早期历史上频繁撞击行星的彗星。
　　对人类来说，幸运之神又一次眷顾了我们——这些非常重要的二氧化碳、水以及氮（占今天地球大气组成的78%）没有被死死地锁闭在岩石中，这是因为有一个催化剂——热量在帮助它们获得自由。在每一颗行星内部，都有一个形成于行星成形时期的熔融内核。这个内核释放热量，行星表面下深处的放射性元素衰变也释放热量，这些热量导致经常性的火山爆发，从而将上述气体从行星内部喷发出来。
　　尽管太阳变得越来越热，这些较重的分子却因上述原因而无法逃离，于是它们纷纷堆积在行星的表面，结果就形成了次级大气——我们大多数人称之为“空气”。
　　最终，地球变成了生命天堂，火星被冻“死”，金星则被热死。这又是为什么呢？
　　
　　从天堂到地狱
　　至此，行星距离太阳的远近就关系重大了。在地球上，火山吐出的所有水蒸气都在年轻的大气中凝结成水滴，化成雨落到地面。经过漫长岁月，海洋形成了。与此同时，大多数二氧化碳也进入海洋，最终进入沉积岩中。不过，仍有部分二氧化碳保留在大气中，它们的温室作用使得地球表面保持着宜人的温度，支持着生命的出现和演化。在地球上，一切都轻而易举地达到了绝妙的平衡——而这一切，都源于地球与太阳的距离实在是太合适不过了。
　　至于火星，其次级大气则遭到了两次致命打击：在最初的5亿年中，这颗红色行星跟地球一样有过温暖的大气和液态水的海洋，但因个头太小，其内部的“热引擎”很快就“停机”了；后来，又因为离太阳太远，火星上一度活跃的火山所喷出的水蒸气最终都被“冻”出大气层，变成冰锁闭在火星地表下面。最终，火星就变得像月球一样寒冷，而且毫无生机（至少看起来是这样）。如今的火星仍然拥有大气，但其密度仅为地球大气的1%，而且其成分几乎全是二氧化碳。
　　金星的二氧化碳浓度跟火星差不多，但金星大气层却走到了另一个极端。在这里，行星的个头无关紧要，因为金星的质量和地球相仿，内部同样很炽热。但是，金星距离太阳过于近，一切就乱了套。由于金星与太阳走得太近，金星火山喷出的水蒸气很早以前就被烧干了；没有了水，金星就不可能有海洋来吸收二氧化碳。其结果是，温室效应被无限放大。同样的温室效应，如果能将火星表面温度提高5华氏度，对地球来说就能提高35华氏度，而对金星来说则能提高500华氏度！难怪金星的大气层比地球上的火炉还烤人，而且密度高得惊人。站在金星表面，就像站在地球的800米深的海底。
　　
　　泰坦的大气
　　泰坦的大气又该怎样解释呢？要知道，木星的大卫星们距离太阳比泰坦近得多，却都没有大气。在这个问题上，与太阳的距离并不重要，外行星的卫星距离太阳都非常遥远，重要的是卫星跟自己的巨型母行星之间的距离。
　　事实上，泰坦因为距离自己的母行星土星足够近，它被土星强大的潮汐力狠狠挤压，其内部被加热。因此，在所有相似大小的卫星上的火山活动都早已停止时，火山活动还在泰坦上继续。火山活动释放二氧化碳和水蒸气，由于泰坦表面的平均温度低至零下201摄氏度，这两种气体迅速变成冰落到泰坦表面，这样大气中就只留下了氮和甲烷——氮在如此低温下仍能保持气态，而甲烷则是阳光与二氧化碳冰（干冰）相互作用的产物。其结果就是，泰坦大气中差不多90%是氮，7%是甲烷。
　　泰坦的大个头，保证了一些气体能“粘”在它周围形成大气层。木星的卫星伊娥（木卫一）距离其巨型母行星——木星也很近，伊娥上也有大量的火山活动，无奈伊娥的质量太小，产生的引力根本不足以保留住自己内部喷涌出来的气体，也就无法形成大气。
　　很明显，大气层是可以发生巨变的，只要看看火星就不难明白这一点。所以，有专家警告说：通过燃烧化石能源，人类正在将越来越多的二氧化碳释放进大气层，这就有可能打破长久以来大气中的碳以及岩石和海洋中的碳的平衡，其潜在的后果是十分可怕的。