关于太阳系化学介绍

[拼音]：taiyangxi huaxue

[外文]：chemistry of the solar system

研究太阳系的物质来源，元素和同位素的丰度、分布及其化学演化规律的学科，是空间化学的一个分支。

1889年，克拉克(F.W.clarke)发表了地壳的元素丰度数据。1937年，戈尔德施米特(V.M.Goldschmidt)首次制作了元素宇宙丰度表。1956年，修斯（H.E.Suess）和H.C.尤里总结球粒陨石和太阳光谱分析数据，提出了一个更详细、更准确的太阳系元素丰度表（亦称宇宙丰度表），为研究太阳系的物质来源和化学演化过程奠定了基础。20世纪60年代以来，伴随陨石、月球和地球的化学与同位素组成的深入研究，以及行星和行星际空间的直接探测，进一步深化了对太阳系物质来源和化学演化过程的认识。太阳系由一个不均匀的星际气体尘埃云演化而成；太阳系各天体处在不同的化学演化阶段，其中Ⅰ型碳质球粒陨石是太阳系的一种最原始物质。

太阳系的非挥发性元素丰度与Ⅰ型碳质球粒陨石相近，而H、He、C、N、O和Ne等挥发性元素丰度与太阳光球相当（见元素宇宙丰度）。太阳系各天体由不同比例的气体（H2、He和Ne等）、 冰（H2O、NH3和CH4）和岩石〔Fe、FeS、(Fe、Mg)2SiO4和(Fe、Mg)SiO3等〕物质组成。水星、金星、地球和火星等类地行星，月球、火卫一、火卫二、木卫一、木卫二、木卫三和木卫四(木卫一至木卫四称木星的规则卫星或伽里略卫星)，主要由岩石物质组成;木星和土星的组成与太阳相似，主要由氢和氦组成。而木星核和土星核可能由岩石和冰物质组成;土星和木星的非规则卫星主要由冰物质组成，而土卫六由岩石－冰物质组成；天王星、海王星和冥王星主要由H、He组成，但与木星相比，它们比较富含H2O、NH3和CH4；木星环主要由微米大小的岩石物质组成;土星环主要由厘米到米级大小表面成分为水冰的物质组成；天王星环由反照率很低的物质组成；位于火星与木星之间的小行星和陨石母体，主要由岩石质物质组成；远离太阳的彗星由含有尘埃粒子的冰物质组成；流星体由彗星型、碳质球粒陨石型和普通球粒陨石型物质组成；行星际宇宙尘的化学组成与碳质球粒陨石类似，但结构和矿物组成与已知陨石不同。

太阳系天体的化学组成有如下一些特点：金星、地球、火星和木卫一等类地族天体具有氧化型大气（CO2、O2、H2O等），类木行星和木卫六具有还原型（H2、CH4和NH3）大气。类地行星和小行星的表面为硅酸盐表面，类木行星的表面为气体表面;靠近木星的4个规则卫星的表面为含冰的硅酸盐表面，远离木星的卫星为冰质表面。

传统观点认为，太阳系由一个同位素组成均匀的太阳星云演化而成。由于化学过程对同位素组成一般不产生明显分馏效应，除H、He、Ne、Xe和40Ar外，通常以地球物质的平均同位素组成代表太阳系的平均组成。由于太阳系内发生的同位素分馏、放射性同位素的衰变、宇宙线核反应、太阳风的注入和一些天体局部区域的天然链式核反应等过程引起的某些同位素组成的异常，一般称为惯常同位素异常。

太阳系物质除了存在惯常同位素异常外，还存在一类化学、物理和核作用过程不能解释的同位素异常，这种异常称为原始同位素异常或非惯常同位素异常。在C3型球粒陨石中已发现O、Mg、Si、Ca、Ti、Sr、Sm、 Nd、Ne和Xe等多种元素的原始同位素组成异常，异常的量级一般为千分之几或更小，但在一些矿物中16O的最大异常量高达 5％（见陨石中原始同位素组成异常）。在阿连德陨石包裹体中，存在由灭绝核素26Al(半衰期为72万年)衰变产生的26Mg异常；ⅢB、 ⅣB群等铁陨石中存在由灭绝核素107Pd（半衰期为 650万年）衰变产生的107Ag异常；表明原始同位素异常可能是在太阳系形成前数百万年邻近的超新星爆炸产物注入太阳星云而产生的。这个事件也起了触发太阳星云凝聚而形成太阳系的作用。

目前流行的一种看法认为：太阳系物质起源于星际气体尘埃云和太阳系形成前数百万年间注入的超新星气体和尘埃。

太阳星云的主要组成物质是氢和氦，约占99％，其余80多种元素的含量约占 1％。太阳系早期阶段存在已灭绝的短寿命元素和超铀元素，据推测，还存在超重元素。太阳系形成后，银河宇宙线和太阳宇宙线产生的核反应，放射性元素的衰变，铀和超铀元素的自发和诱发裂变，对太阳系元素和核素的生成、转化和丰度变异有明显影响。

太阳系的化学演化大致经历了如下阶段：

（1）太阳星云的形成 星际气体尘埃云进入银河旋臂区时发生减速和被压缩，由于邻近超新星爆炸，触发星际气体尘埃云塌缩和碎裂并形成太阳星云。超新星气体和尘埃的注入，使太阳星云受到“污染”。此阶段确定了太阳星云的初始化学状态和同位素丰度分布的总体特征。

（2）太阳星云的化学演化 星云收缩形成盘状，在其中心区形成太阳，同时各星云区域的物质被加热，发生对流混合，同位素组成均匀化和元素的分馏凝聚。因星云收缩升温和太阳辐射热对各星云区域物质的改造程度以及太阳对其引力的差异，星云盘中的尘粒和气体的比例及其组成，将随着同太阳的径向距离和云层高度的不同而发生变化，由此产生太阳系成员间化学和同位素组成的不均匀性。靠近太阳的区域温度高，难熔元素含量相对增高，前太阳尘粒完全变成气体，同位素组成完全均匀化；离太阳较远的区域为中温区或对流区，前太阳尘粒仅部分变成气体，气体与难熔的前太阳尘粒共存，挥发性元素含量增高；远离太阳的区域为低温区，可保持原星云的组成和性质，但由于太阳对其引力较小，H和He逃逸较多，引起C、N、O及其化合物含量增高。在远离太阳的区域，由于前太阳尘粒残存或完全保留，结果导致太阳系成员（如碳质球粒陨石）中不同矿物间同位素组成的差异。伴随星云的冷却，各星云区域的气态物质通过平衡或非平衡凝聚过程，依次形成相应的无机或有机凝聚物：高温区通过超冷作用产生晶核，随后气体在新生成的晶核上凝聚，生成富含难熔元素的较大尘粒；中温区和低温区的气体则以残存的前太阳粒子为晶核凝聚，生成富含挥发物质的较小尘粒。由于湍流作用，这两种粒子间可以发生混合作用。凝聚粒子向太阳赤道面沉降形成尘环，随后由于重力不稳定性引起尘环瓦解，在不同区域分别塌缩为组成不同的各种岩石质和冰质的星子。其中内行星区域的一些大星子，通过碰撞结合和吸积邻近的星子形成密度较高，由不同比例的Fe、Mg、 Si、O、S等元素组成的水星、金星、地球、 月球和火星等类地天体。星云演化期间，由于太阳潮汐力的扰动，星云盘产生动力学不稳定性，外面部分分离成环，这些环通过引力作用转变为原行星，随后演变为主要由不同比例的H、He和冰物质组成的木星、土星、 天王星等类木天体。在类地与类木天体之间的小行星带，以形成类地行星的类似方式，随着与太阳距离的增加顺次形成光谱特性和化学组成不同的E、R、S、M、F、C、P和D等类型的小行星（见小行星化学组成）。木星系与土星系的形成与太阳系的形成具有类似性。在远离太阳的区域，由冰物质和尘埃结合成彗星。这个阶段约发生在46亿年前。

（3）天体的化学演化 类地行星在放射能、引力收缩能和潮汐力的作用下发生化学分异，形成核、幔、壳和大气层。行星和卫星形成初期，星子的撞击对它们的化学分异（特别是表面的分异）作用有重要影响，并在它们的表面留下一系列大小不等的撞击坑。由于各行星与太阳（或卫星与行星）的距离不同，化学组成、大小和质量不同，因此其化学分异特征，壳、幔和核的大小与组成，大气性质以及它们所处的地质活动阶段也明显不同。

太阳系化学组成和同位素组成不均匀的原因，还没有一致看法，比较有代表性的看法是：

（1）太阳星云是银河系历次超新星爆炸和早期恒星核素合成的产物，由于这些来源的尘粒混合不均匀，便产生“原始”的不均匀性。

（2）太阳星云由单个恒星（质量等于10～20个太阳质量）不同演化阶段的产物混合而成，恒星外层凝聚粒子与它爆炸期间形成的超新星各层凝聚粒子混合不均匀。

（3）太阳系形成时，各星云区域的物质所受的宇宙线辐射作用不同，辐射产物的混合不均匀。

（4）太阳系由一个等离子体气体尘埃云凝聚而成，电离气体元素与太阳的距离由元素的电离电位所确定，结果在离太阳的不同距离形成化学组成彼此不同的云。

参考书目

1. J.K.Beatty，B.O'Leary and A.Chaikin ed.，The NewSolar System，Cambridge Univ.Press，Cambridge，1981.