关于比较行星学介绍

[拼音]：bijiao xingxingxue

[外文]：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。

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。

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。

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?史忠觳怀浞帧Ｓ捎谡饫嘈行翘寤。攘可⑹Э欤袒欤滩钠宀槐恍行遣痘瘢虼瞬荒苄纬纱笃恪Ｔ诰斯惴旱男溲遗绶⒔锥沃螅ㄔ?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。