| 词条 | 比较行星学 |
| 释义 | 比较行星学 § 比较行星学的发展 地球是太阳系的一员，把地球置身于太阳系的时空尺度里，作为一个整体进行研究，可以加深对地球和太阳系其他星球的认识，把握行星的演化规律，比较行星学（comparative planetology）就是这样一门新兴学科，它是天文学、地球科学、空间科学和空间探测交叉渗透的边缘学科，随着太阳系探测的快速进展，比较行星学得到了长足的发展，深化人类对太阳系各行星形成与演化共性与特性的认识，而且将地球置于更大的时空尺度内研究，把握地球整体的形成与演化历史，将有力推动和深化地球科学的发展。 比较行星学的主要研究内容包括：对比研究太阳系各类天体（重点为类地行星) 的物质组成、大气层成分与结构、空间与表面环境、地貌与地质构造、内部结构与物理场等共性与特性，综合分析研究地球、各行星和整个太阳系的形成演化特点与规律。 研究表明，太阳系行星的火山活动、构造运动及陨石撞击作用的频度随时间迁移而急剧衰减，强烈的火山活动和持续的撞击作用，是太阳系行星早期历史的共同特征。月球、水星等星球保存着远古地貌，为研究早期地球表层特征提供了信息。月球形成后，在距今44-41 亿年前，表面可能形成岩浆洋，熔融分异月壳，形成斜长岩高地；31-41 亿年前，产生大面积玄武岩喷发；自31 亿年以来，月球几乎没有明显的构造与火山活动。金星地表则比月球年轻，最古老的地质单元的年龄大约为8 亿年，新近发现金星还有火山活动，但热点不多，大部分地区在过去的几百万年里，地质活动已相当宁静。金星很可能有很厚的地壳，如果均衡补偿深度与金星地壳厚度相协调，那么金星地壳可能是地球平均地壳厚度的6 倍。金星上巨大断裂系统与地球上的拉张裂谷相似，重力和地形之间密切相关（与地球相似），结合部分年轻撞击坑的发现，暗示金星地貌与水星、火星和月球相比，可能很年轻。火星则介于水星（或月球）和金星之间，具过渡性质，早期构造和岩浆活动剧烈，内部物质分异调整尚不充分，表面有明显的风和冰的剥蚀与沉积作用，使火星表面受到一定程度的改造。火星地形分布明显不对称，约三分之二表面是古老的，南半球撞击坑非常密集，而且地形一般比北半球高。火星外力地质作用有点像地球，风的地质作用显著，近表面有水和冰；在历史上，火星表面流淌过水，但河流侵蚀作用不强，河道一般在撞击坑之间蜿蜒分布，撞击坑很少遭受侵蚀；火星缺乏明显的搬运和沉积作用，意味着风化产物不能再循环。火星内力地质作用与地球相差很大，火星较地球小，但地形起伏相当大，火山高度几乎是珠穆朗玛峰的三倍，几km 深的峡谷已经存在了几十亿年，说明火星地壳岩石的刚度很高；火星地壳是固定的，岩石圈并不与下伏的软流圈发生物质循环，缺乏类似于地球的板块运动。 月球岩石类型主要是超基性、基性岩浆岩及其火山岩，没有发现沉积岩和变质岩；火星上的岩石类型主要是超基性、基性和中性岩浆岩及其火山岩；地球上岩浆岩、沉积岩和变质岩等三大岩类齐全，岩浆岩类型有超基性、基性、中性、酸性和碱性岩浆岩及其火山岩系列。根据鲍文反应系列推测，月球内部岩浆的经历了超基性与基性岩浆阶段后终止，火星内部岩浆的演化经历了超基性、基性与中性岩浆阶段后终止，而地球内部岩浆的演化持续而完整。 类地行星都具有核、幔和壳的层圈结构。水星、金星、火星和月球等行星为硅镁壳，地球则硅镁地壳和硅铝地球兼而有之。随着行星质量的增大，似乎幔的厚度增加而壳的厚度减薄，这些特征隐含着行星内部熔融、分异和热历史的重要信息。类地行星热历史研究表明，行星质量大小与行星内部活动的“寿命”正相关，与行星冷却固化的时间反相关。太阳系探测成果表明，地球具有典型的偶极子磁场，内部有带电流体的运动；火星则是多极子磁场，内部具有多区域性的带电流体运动；而月球已经基本上丧失了原有的全球性偶极子磁场，是一个内部固化的、僵死的天体。看来，类地行星磁场的演化必然遵循由偶极子磁场向多极子磁场进一步向消失磁场的方向演化。 综上所述，行星质量、与太阳距离以及两者的耦合是影响行星演化的重要因素。行星质量大小是决定行星内部能量产生、积累与传导等最重要的制约因素，控制了行星内部圈层结构，主导了行星的岩浆活动与演化能力，影响了行星大气层和水体的发育；行星与太阳的距离，决定了行星整体的初始成分，制约了行星的空间环境、大气层和水体的发育、以及表生地质作用过程与表面环境。行星的质量太小（水星、月球) ，形成后受到急剧加热，早期构造火山活动剧烈，并分异成壳、幔和核，但内部物质分异调整不充分，星体散热快，过早固化；去气过程产生的气体未被行星捕获，不能形成大气层，缺水体，行星表面保存古老火山地形和撞击坑。质量大的类地行星（地球、金星) 形成后受到急剧加热，产生强烈的构造岩浆作用与火山活动。行星内部物质持续分异，壳、幔和核仍在形成演化中，行星仍保持明显的构造岩浆与火山活动；行星捕获去气过程的产物，形成了稠密大气层。地球与太阳的距离适度，能形成全球性的水圈，并演化出复杂的生物圈。目前除地球外没有发现其他行星与卫星具有板块构造。火星介于两者之间，具有过渡性特征。早期的构造岩浆活动剧烈，内部物质的分异调整尚充分。火星是距太阳最远的类地行星，吸积区内的铁族元素相对匮乏，难以构成铁镍核，可能是铁-硫化铁核。火星内部热量的积累与失散介于水星与地球之间，当前已没有明显的构造岩浆活动与火山喷发。火星能捕获微量去气过程产生的气体，构成稀薄的大气层，表面有显著的风蚀、冰水和早期水流的侵蚀堆积作用痕迹，使火星地形得到一定程度的改造。 与类目行星相比，类地行星质量小，距太阳近，均为次生大气层；而类木行星质量大，距太阳远，早期太阳风的驱赶作用不强烈，大气层的来源主要是形成行星时捕获的该区段的太阳星云气体，并保持着星云气体的成分与同位素比值，为原生大气层。 近期内将侧重研究：(1) 行星早期演化历史的比较究及地球早期无地质历史记录期间的地质环境；(2）行星全球性的地质构造体系的对比及地球大型构造体系的成因，地球板块运动的特征与起因；(3)行星大气层的组成、演化与成因的比较及地球大气层与水圈的相互作用、演化过程与成因，以及对沉积矿产的分布与生物演化的控制；(4)行星内部壳、幔与核的物质组成、结构与演化历史的对比究及地球壳、幔与核的形成与演化特征；(5)不均一堆积形成行星的过程与演化的一般规律及不均一堆积形成的地球及对全球构造体系、地幔不均一性和全球成矿区域的控制；(6)太阳活动对行星际空间和各行星影响的对比研究，日地关系及对地球气候、环境的影响。 § 正文 比较行星学 comparative planetology 以地球为基础，对比研究各行星的物质组成、表面特征、物理场、内部构造和演化历史的学科。 1959年,伽莫夫(G.Gamow)首次应用“比较行星学”这个术语。20多年来，随着行星际探测技术的发展和探测范围的扩大，以及天文学、地球科学和空间科学的相互渗透，比较行星学获得了迅速的发展。 比较行星学主要奠基于：①大气外观测和一系列宇宙探测器获得的月球地质、构造、磁场以及自月球取回样品的分析资料；②“水手”号、“金星”号、“火星”号、“海盗”号、“旅行者”号等行星际飞船获得的大量科学资料；③地球的研究成果；④各种类型陨石的研究结果。 比较行星学的主要研究内容包括以下几个方面。 星球的内部 化学组成及内部构造 行星体的组成和内部构造难于直接测定，但可由行星密度、地震波速及其传播特征，太阳系的元素丰度和太阳系的化学演化理论进行估算。 类地行星的密度近似地随与太阳距离增大而下降，这说明行星中的铁／硅酸盐比值随与太阳距离增大而减小。按计算密度，类地行星可分为两种类型：月球和火星型,密度约为3～4克／厘米3;水星、金星、地球型,密度约为5～5.5克／厘米3。类木行星,它的密度反映行星中（铁＋硅酸盐）／（气体＋冰）的比值。由木星至天王星，密度随与太阳距离增大而增大，这说明行星中的气体量随与太阳距离的增大而减少。 所有的类地行星和月球均是分异的天体，它们由壳、幔和核3个部分组成(见表)。但壳、幔和核的相对厚度不同，行星核的相对大小一般随与太阳距离的增加而减小。 木星可能由液态氢和液态氦组成的外层以及硅酸盐和铁组成的核构成。外层厚约 55000公里，内核半径为15000公里。 土星的组成和内部构造与木星类似。 天王星、海王星可能主要由H2、He和NH3组成。内部构造可分为3层：中心是硅酸盐组成的核，中间层是H2O、CH4和NH3组成的冰，外层是分子氢。 冥王星直径2700公里，密度为1.5～2克／厘米3,因此它的组成和内部构造应与天王星和海王星类似。 行星大气 行星的大气特征与行星的质量、大小和与太阳距离密切相关。 ①类地行星大气 地球和金星的质量大，它们的气体较难逃逸，可由星体内部释出的气体形成浓密和复杂的大气。火星由于质量较小，表面温度较低，因此大气密度较小，但成分和金星相似,是以CO2为主的复杂混合物。早期地球大气主要成分预计也是CO2,只是由于后来地球水圈和生物圈的发育，碳酸盐的沉积和植物光合作用的结果,才形成了今天的低CO2的大气。水星和月球由于质量小，气体易于逃逸。类地行星距离太阳近，早期太阳风的驱赶作用强烈，行星形成时表面所捕获的太阳星云气体已被驱赶殆尽，现今的大气是行星内部物质通过熔融、除气过程释放和被行星捕获保留下来的次生气体。金星、地球、火星的13C／12C、18O/16O的比值相一致，36Ar/38Ar比值大致为5。 ②类木行星大气 以木星、土星为代表，它们的质量大，距太阳远，温度低，太阳风的驱赶作用较弱，行星大气主要为星体形成时捕获的星云气体。木星大气含H2约89％,He约11％，H2O、NH3和CH4等气体均为微量成分。土星、天王星的大气组成与木星相似，但由于温度更低，不少NH3结晶而脱离气态，大气中甲烷相对含量增高。各行星大气层特征，参见行星大气。 地球磁场示 磁场 由残留铁磁和行星内部电流产生的电磁场组成的磁场是行星的最基本特性之一。 地球的磁场为偶极场,场强30000～70000纳特,赤道磁场平均值为30800纳特,偶极子与行星自转轴间的夹角为11.5°。未发现月球的全球性磁场，局部月壳的剩磁强度范围约为6～300纳特。水星磁场强度约为350～700纳特。金星有一个微弱的磁场,磁矩约为地球的0.00005。火星磁场强度约为60纳特。木星表面的磁场强度，北半极为1.4×106纳特，南半极为1.1×106纳特,磁场大致为偶磁场，但比地球更不规则。土星的磁矩介于木星和地球之间，比地球大550倍，而约为木星的1/35。 太阳、水星、地球、木星和土星，它们的磁矩随角动量增大而增大，但金星、火星和月球的磁矩，与它们的角动量相比是十分小的。这表明除了角动量之外，还有其他因素对行星的磁矩起重要作用。目前流行的行星磁场成因学说是发电机假说。但也有人认为行星的磁场是行星壳的剩磁，而不是活动的内部发电机磁场，行星壳剩磁可能是原始的内场或外场产生的。实际上，行星磁场可能由内部电流产生的电磁和行星早期历史残留的铁磁两部分组成，但两者的比例随行星而异。 行星 行星表面特征 行星表面特征反映行星的内部成因和外部成因的地质活动，以及行星的地质演化历史。按表面地形特征，类地行星（包括月球和木卫一）的主要地质活动可分为两组：内成过程，包括火山和构造作用；外成过程，包含大气和水的侵蚀及星子（或陨石）的撞击成坑作用。 撞击坑是行星表面的共同特征，其大小从微米级的微陨石坑（由宇宙尘撞击产生）至直径大于2000公里的盆地（由大星子撞击产生）。环形撞击坑是无大气的比较小的行星（如月球和水星）最显著的表面特征。火星的撞击特征也比较突出。地球上已证认出约91个环形撞击坑，其中大部分位于古老的前寒武纪地盾区。地球上撞击坑稀少是由于后来强烈的地质作用改造地表的结果。一般的情况是，行星体越小，高密坑表面区的百分比越高。 火山活动是类地天体的主要内部成因的地质过程。其重要表现是玄武岩浆喷出和玄武岩广泛覆盖天体的表面。月海玄武岩覆盖约17％的月面。广阔的水星平原是玄武岩平原。火星表面有广阔的玄武岩平原和巨大的火山地质。地球上广泛分布的火山与海底扩张和俯冲带相联系，大洋玄武岩覆盖地表的面积约达60％。 类地行星各有其不同的构造特征。月球有一个东北-西南向的网格状构造体系，可能代表古月壳中的早期构造应力分布。水星上存在许多舌状悬岩，一般认为这种构造由水星铁核收缩形成。火星的主要构造特征是火星大裂谷和与塔西斯高原相连接的地堑。地球的构造特征则与海底扩张和板块构造活动密切相关。 类地行星的表面高度显示双峰分布特征，这种分布与两半球的撞击坑高地和火山平原的比例相关。月球高地平均比月海表面约高 1公里。火星南半球的环形坑高地比北半球平原高1～2公里。地球的大陆比洋底约高4～5公里。一般情况是低高度表面区（火山平原）占行星表面积的百分数，以及低地与高地的高度差，随行星增大而增大。 地球是惟一的具有浓密大气、水圈和生物圈的类地行星，地表受到流水、 冰川、 波浪、风和生物的改造。火星表面经受风积作用和永久冻土活动的改造，火星上存在大量古代的流水侵蚀作用的证据。水星和月球无大气和水圈作用的表面特征。 行星（地质）演化 星云说一致认为，行星是在太阳星云盘内形成的(见太阳系化学、太阳星云凝聚模型)。行星的演化和现今的特征主要受行星的质量、组成及其与太阳的距离所制约。一般认为，类地行星具有共同的演化途径。按洛曼(P.D.Lowman)的意见，类地行星的演化可分为5个阶段:①行星形成和行星核的分离（约47亿年前）；②初始行星壳的形成和随后发生的高密度星子轰击阶段，预计在第一阶段后数亿年里发生；③第二次分异阶段，伴随广泛的玄武岩浆喷出；④连续的构造活动阶段；⑤板块构造活动和物质再分异阶段，约在25亿年前，地球开始进入这个阶段。 行星的演化与其热历史密切相关。行星热历史主要是研究行星热能的现状、演化历史及其起源等问题。行星的分异、火山活动、构造活动和岩浆活动是行星热历史的反映。行星热历史是太阳星云聚集时的重力能、早期太阳产生的能量、潮汐作用产生的能量、星子（或陨石）撞击行星表面产生的能量，以及短半衰期和长半衰期放射性核素衰变产生的能量等多种来源的能量储聚和释放的综合平衡的反映（见行星演化能源）。 行星的质量是制约行星演化阶段和行星热历史的主要因素。类地行星按质量可分为大（金星、地球）、中(火星)、小（水星、月球）3类。它们的演化特征如下： 质量小的类地行星，形成后急剧加热，发生熔融和分异成壳、幔和核，但内部物质分异不充分。由于这类行星体积小，热量散失快，固化快，除气过程产生的气体不被行星捕获，因此不能形成大气层。在经历了广泛的玄武岩喷发阶段之后（约30亿年前），便开始走向地质上的宁静期，没有行星演化后期的构造岩浆活动。这类行星的演化程度低，表面能较好保持古老的火山地形以及星子撞击形成的盆地和环形坑。 质量大的类地行星，形成后也受到急剧加热、熔融和分异,从而形成壳、幔和核,内部物质分异程度高。由于行星质量大,内部的热量积累多而失散慢,至今仍保持明显的构造岩浆活动。这类天体的演化程度高，经历的演化阶段长，如地球进入到了板块构造活动阶段。行星内部物质除气过程产生的气体被行星捕获，形成浓密的大气层。地球由于和太阳的距离适宜，形成了水圈、生物圈和富氧的大气。各种内、外营力使行星的地形重新改造，表面保持的古老地形少，岩石圈厚度薄，核心较大，大部分的表面被年轻的岩石所覆盖,如地球的3/4表面积被5亿年或更年轻的岩石所覆盖。 火星介于上述两者之间，具有过渡型的特征。早期急剧加热熔融，分异形成壳、幔和核，内部物质的分异程度高于水星，低于地球。热量的积累和失散以及演化程度也介于水星和地球之间,火星形成后的20亿年,构造岩浆活动最激烈，通过连续的构造、岩浆活动和火山喷发，逐渐形成火星上的各种火山地形、断岩和峡谷。火星现今没有明显的构造岩浆活动和火山喷发，接近于地质上的宁静期。内部物质除气过程产生的气体仅部分被火星捕获，构成稀薄的大气层。火星表面有明显的风蚀和堆积作用，火星地形受到一定程度的改造，古老地形和环形坑地形的保存程度比地球好。 § 配图 § 相关连接 太阳系探测的进展与比较行星学的主要科学问题 回顾了太阳系的探测历程,综合分析了太阳系探测的发展趋势。未来的太阳系探测将以月球与火星探测为主线,适度开展太阳系其他行星及其卫星、小行星和彗星的考察性探测。21世纪将是全面探测太阳系并为人类社会长期可持续发展服务的新时代。随着太阳系探测的进展,通过系统比较地球与类地行星的大气层与水体的形成演化过程、地形地貌与地质构造特征、岩石类型、热历史与内部结构等方面的共性与特性研究,表明行星的质量大小和行星与太阳的距离的相互耦合,制约了行星的形成和演化的复杂过程。比较行星学已成为指导太阳系探测的科学理论体系 |
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