行星和月球的化学成分

太阳系共有九大行星,它们的基本特征如表13所示。

表13 九大行星有关参数

注:1天文单位=1496×108km,地球质量=5976×1027g。

(据涂光炽等,1984)

1131 行星的化学成分

按行星的成分特点,太阳系的九大行星可以划分为三种类型:

(1)地球和类地行星,包括地球、水星、金星和火星。其特点是质量小、密度大、体积小、卫星少。物质成分是以岩石为主,富含Mg、Si、Fe等,亲气元素含量低。

(2)巨行星,包括木星和土星。它们的体积大、质量大、密度小、卫星多。如果以地球质量和体积为基本单位,则土星分别为9518和745,木星分别为31794和1316。其主要成分为H和He,亲石和亲铁元素含量低。

(3)远日行星,即天王星、海王星、冥王星。其成分是以冰物质为主。H质量分数估计为10%,He、Ne平均为12%。

上述三类行星中岩石物质、冰态物质和气态物质的比值分别为1:10-4:(10-7~10-12);002:007:091和0195:068:012。

以上三类行星主要元素的原子相对丰度如表14所示。

表14 太阳系中某些主要元素的原子相对丰度

(据黎彤等,1990)

根据平衡凝聚模型,距太阳愈远温度愈低,各行星区凝聚物的成分和含量均不相同。随着行星际空间探测的技术发展,目前对各行星及卫星已提出了多种化学组成模式。如:

水星,主要由难熔金属矿物,铁镍合金和少量辉石组成;

金星,除上述成分外,还含有钾(钠)铝硅酸盐,但不含水;

地球,除上述成分外,还含有透闪石等一些含水硅酸盐和三种形式的铁(金属铁,FeO和FeS),金属铁和FeS形成低熔点混合物,在放射性加热下熔化、分异,形成早期地核。

火星,含有更多的含水硅酸盐,金属铁已完全氧化成FeO或与S结合形成FeS,没有金属铁的核。

行星表层温度较低,缺乏原子光谱的激发条件,不可能用光谱测定其成分。早期只能通过间接方法进行对比研究,现代已用各种宇宙探测器对行星大气进行探测,对行星大气成分的了解已有了明显的进展(表15)。

类地行星由于距太阳近,早期太阳风的驱赶作用很强烈,行星表面捕获的气体难以保存,因而地球和类地行星的大气层是次生的,即主要通过行星内部物质的熔融、去气过程形成。计算表明,地球由内部物质的熔融去气作用,大约已排出17433×1024g的挥发分,其中CO约1218×1023g。月球表面的大气主要是He和rA,白天和黑夜大气浓度分别约3×103和6×104原子/cm3,几乎是真空状态。水星的大气层极稀薄(<00003×105Pa),主要含Ar、Kr、Xe、He、H、O、C、Ne等;火星大气层也稀薄,质量只有地球的1/10,体积为地球的1/6,约(0005~0007)×051Pa,主要由CO2(95%)、He(3%)、N2(2%~3%)及Ar、O2等组成。金星和地球有稠密的大气层,金星大气层达100×051Pa,主要为CO2和N2(据中国科学院地球化学研究所,1998)。

表15 行星大气层的特点

(据涂光炽等资料汇编,1984)

类木行星距太阳较远,温度低,早期太阳风的驱赶作用不强烈,大气层物质主要是行星形成时从星云中捕获的气体,它保持了星云气体的成分和同位素比值。木星大气层约(01~05)×105Pa,主要成分为H2,He,NH3和C2H2,土星大气层约(005~05)×105Pa,主要成分为NH、3CH4和H2等,天王星和海王星的大气层的主要成分为CH4、NH3、H2和He。

由表15可见,类地行星与远离太阳的外部行星除在大气层成分上存在明显差别外,行星大气层的厚度和密度与行星质量有关,质量大的行星,容易形成较稠密的大气层。

由于水星和火星表面气压低,液态水在行星表面沸腾成气态,火星和水星质量也小,对气体捕获能力小,因此,火星和水星不可能产生水圈,只能形成极稀薄的大气层。金星比地球表面温度高(约650~700K),因而也没有水圈。

对于行星的内部结构和化学成分,目前只能根据间接方法获得的资料进行理论推测。例如,根据天体力学定律,可以计算出各个行星的质量,同时借助于望远镜观察和宇宙飞船摄像可以知道各个行星直径的大小,用行星质量和直径为基础,可精确计算行星的平均密度(表13)。

如果陨石为小行星碎块,并设想行星是由类似铁陨石和石陨石的镍-铁相和硅酸盐相组成,那就可以据行星体积和平均密度来估计行星中镍-铁相与硅酸盐相的比例。一般在行星的大小相近时,“平均密度较大的行星较密度较小的行星具有更大的镍铁相比例,即行星的镍铁核愈大”(表13)。列诺利兹(РРейноисл)和萨麦尔斯(АСаммерс)曾按这一原则计算了各内行星和月球的金属内核半径与整个星体半径的比值,它们分别是:水星08,金星053,地球055和火星04(图12)。

图12 内行星中硅酸盐相与金属相的比例(示意)(据赵伦山等,1988)

对比表13和图12可以看出:①内行星成分与其和太阳的距离之间存在着某种联系,即行星愈靠近太阳,它的金属铁含量愈高,这是有待理论上阐明的一条宇宙化学规律;②地球和金星的化学成分可能十分相近,因为它们有很相似的直径和平均密度;③由火星和月球的平均密度来看,它们在化学成分上应该属于同一类天体。

外行星的平均密度(07~247)要比内行星小得多,人们推测在这些巨大行星中气体占较大比例,氢及其化合物是其中的主要成分。

1132月球的化学成分

20世纪60~70年代美国的登月“阿波罗-11、12、14、15、16和17”行动和前苏联的宇宙自动站“月球-16、20和24”飞行,已成功地采集回380多公斤的月球表面物质样品。其中包括结晶岩石、未胶结的微粒物质(月壤)以及角砾岩和显微角砾岩。通过对月球物质的精确测定以及宇宙飞行获取的大量其他资料,目前对月球的认识已比较深入。

月球整体是硅酸盐固态球体,没有大气圈。月球总体平均密度为333/gcm3,表面岩石的密度为31~32g/cm3,两者的差异不大,说明月球物质的分异是相当弱的。“月海”区大多是玄武岩或显微辉长岩,主要由钙质斜长石、单斜辉石和钛铁矿组成,还常含有少量橄榄石(特别在较细粒的岩石中)。月球高原的岩石比“月海”岩石斜长石含量高得多,一般是斜长岩、橄长岩、苏长岩或富斜长石的辉长岩。除上述两大岩类外,月球表面还存在一种特殊岩石——克里普(Kreep)岩,它是一种富含钾、稀土元素和磷的岩石。

根据现有资料,已经大致估计了月岩中元素丰度的级次(表16)。

表16 月岩中元素丰度的级次

(转引自赵伦山,1988)

将上述数据与地球和陨石的相应资料对比,发现月岩中碱金属和许多挥发性元素(Bi、Hg、Zn、Cd、Tl、Pb、Ge、C和Br)较贫,相对富含耐熔元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Sc、Zr、Nb、Mo、Y及稀土元素。反映月岩形成于高温条件,并且与地球在化学成分上不属于同一类行星物质。这一事实动摇了月球是由地球抛出的物质形成的假说,支持月球原是太阳系中的一个小行星或其他物体,后来被地球捕获的观点。

月球表面岩石的年龄研究表明,月球形成于45Ga以前,于39Ga前开始发生角砾岩化和后来的强烈变质作用。月球高原岩石常常具有39~4Ga的年龄,月球表面广布的大陨石坑,其历史可追溯到39Ga以前。“月海”玄武岩常较高原岩石年青,它们均形成于39~31Ga间,也就是说,月壳由十分古老的岩石组成。

月球无大气圈和水圈,所以月球表面无风化作用。月球表层岩石的破碎和角砾岩化,主要是陨石撞击和较大的昼夜温差(150℃)所致。由于月球表层很少受到后期地质作用的干扰,基本保留了其古老的面貌,因此对月球表层的研究能为了解地球早期的历史提供有意义的线索。

对月球的起源，大致有四大派，但仍未定论。

1、分裂说

这是最早解释月球起源的一种假设。早在1898年，著名生物学家达尔文的儿子乔治·达尔文就在《太阳系中的潮汐和类似效应》一文中指出，月球本来是地球的一部分，后来由于地球转速太快，把地球上一部分物质抛了出去，这些物质脱离地球后形成了月球，而遗留在地球上的大坑，就是现在的太平洋。这一观点很快就收到了一些人的反对。他们认为，以地球的自转速度是无法将那样大的一块东西抛出去的。再说，如果月球是地球抛出去的，那么二者的物质成分就应该是一致的。可是通过对“阿波罗12号”飞船从月球上带回来的岩石样本进行化验分析，发现二者相差非常远。

2、俘获说

这种假设认为，月球本来只是太阳系中的一颗小行星，有一次，因为运行到地球附近，被地球的引力所俘获，从此再也没有离开过地球。还有一种接近俘获说的观点认为，地球不断把进入自己轨道的物质吸积到一起，久而久之，吸积的东西越来越多，最终形成了月球。但也有人指出，像月球这样大的星球，地球恐怕没有那么大的力量能将它俘获。

3、同源说

这一假设认为，地球和月球都是太阳系中浮动的星云，经过旋转和吸积，同时形成星体。在吸积过程中，地球比月球相应要快一点，成为“哥哥”。这一假设也受到了客观存在的挑战。通过对“阿波罗12号”飞船从月球上带回来的岩石样本进行化验分析，人们发现月球要比地球古老得多。有人认为，月球年龄至少应在53亿年左右。

4、碰撞说

这一假设认为，太阳系演化早期，在星际空间曾形成大量的“星子”，先形成了一个相当于地球质量014倍的天体星子，星子通过互相碰撞、吸积而长合并形成一个原始地球。这两个天体在各自演化过程中，分别形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐构成的幔和壳。由于这两个天体相距不远，因此相遇的机会就很大。一次偶然的机会，那个小的天体以每秒5千米左右的速度撞向地球。剧烈的碰撞不仅改变了地球的运动状态，使地轴倾斜，而且还使那个小的天体被撞击破裂，硅酸盐壳和幔受热蒸发，膨胀的气体以极大的速度携带大量粉碎了的尘埃飞离地球。这些飞离地球的物质，主要有碰撞体的幔组成，也有少部分地球上的物质，比例大致为085：015。在撞击体破裂时与幔分离的金属核，因受膨胀飞离的气体所阻而减速，大约在4小时内被吸积到地球上。飞离地球的气体和尘埃，并没有完全脱离地球的引力控制，通过相互吸积而结合起来，形成全部熔融的月球，或者是先形成几个分离的小月球，在逐渐吸积形成一个部分熔融的大月球。

月球体态娇小，引力柔弱(为地球的1／6)，根本不具备缚住大气的能力在向阳面的高温下，任何气体分子都会轻而易举地达到脱离速度而逃之夭夭。但对月球的实测表明，月球表面并不是没有任何大气的不速之国，只是大气层太稀薄，表面大气压仅为2X10“巴，而且大气成份比较复杂，随时空多变，通常在黑夜时的大气成份主要由40%的氩、40%的氖和20%的氦组成，到日出时还会加入极少量的甲烷和氨等，有些地区的大气中还会发现极微量的氢、氡、钠、钋和钾原子等。美国科学家日前宣称，月球上有冰存在，这就可能为探索月球奥秘的人们提供饮用水，也可将冰分解为氢和氧，从而为火箭提供燃料。

地球的月亮与地球相似，因为它有地壳、地幔和地核。这两个天体的组成是相似的，这也是为什么科学家们认为月球可能是由一颗大流星撞击地球形成的，当时地球还在形成。科学家们已经从月球表面或地壳中提取了样本，但是内层的组成是一个谜。根据我们对行星和卫星形成的了解，月球的核心被认为至少是部分熔融的，可能主要由铁、硫磺和镍。

核心可能很小，只占月球质量的1-2%。

地壳、地幔和地核

地球月亮的最大部分是地幔。这是地壳(我们看到的部分)和内核之间的一层。月球地幔被认为由橄榄石、斜方辉石和单斜辉石组成。地幔的成分与地球相似，但月球可能含有更高比例的铁。

科学家有月球外壳的样本，并测量月球表面的特性。地壳由43%的氧、20%的硅和19%的碳组成镁、10%的铁、3%的钙、3%的铝以及微量的其他元素，包括铬(042%)、钛(018%)、锰(012%)以及少量的铀、钍、钾、氢和其他元素。这些元素形成了一种类似混凝土的涂层，叫做风化层。从风化层中收集到两种类型的月岩:镁铁质深成玄武岩和玛丽亚玄武岩。这两种都是火成岩，由冷却的熔岩形成。

月球的大气层

尽管月球很薄，但它确实有大气层。其成分尚不清楚，但估计由氦、氖、氢(氢2)、氩、氖、甲烷、氨和二氧化碳含有微量的氧、铝、硅、磷、钠和镁离子。因为环境会因时间的不同而形成鲜明的对比，所以白天的成分可能与晚上的气氛有些不同。尽管月球有大气层，但它太薄，无法呼吸，而且含有你肺部不想要的化合物。

月球的起源与演化一直是人类十分关注的自然科学的基本问题之一。100多年来曾有过多种有关月球起源与演化的假说，但至今仍众说纷纭，难以形成一个统一的说法。这些月球成因学说争论的焦点在于，月球是与地球一样，在太阳星云中通过星云物质的凝聚、吸积而独立形成，还是由地球分裂出来的一部分物质形成的？月球形成时就是地球的卫星，还是在后期的演化中被地球俘获而成为地球卫星的？

1分裂说

地月分裂说

[4]月球的共振潮汐分裂说是月球起源研究中著名的假说之一。 月球的共振潮汐分裂说坚持月球是地球的亲生女儿，即月球是从地球中分裂出来的。坚持这一假说的科学家认为，在地球形成的早期，地球呈熔融态，由于潮汐共振作用，地球自转不稳定，即使只考虑地球和月球的角动量，当时地球自转的周期也仅有4小时，加上太阳的潮汐作用，地球的自转周期可缩短到2小时，因此有理由相信，在地球历史的早期，地球飞快地旋转，其自转速率比现在要高得多。若初期的地球是熔融状态，地球物质在地赤道面上将出现膨胀区，使在赤道面上的一部分熔体分离，或者说这部分熔融物质在地球高速自转情况下从赤道区被甩了出去，甩出去的物质在地球附近的行星际空间凝聚，冷凝后形成月球。一些持这种假说的人还认为，地球上的太平洋就是分裂出月球后留下的“疤痕”。由于这种假说提出月球是从地球分离出去的，因此这种假说被形象地比喻为“母女说”。不过，由于这一假说与地月系的基本特征不相符，现在已经被大多数科学家所摈弃。

2同源说

地月同源说

[6]与俘获说、分裂说和碰撞成因说一样，月球的同源说也是月球起源研究的著名假说之一。 月球起源的同源说坚信月球与地球是姐妹或兄弟关系，月球与地球在太阳星云凝聚过程中同时“出生”，或者说在星云的同一区域同时形成了地球和月球。 主张这一假说的科学家认为，在原始太阳星云内，温度和化学成分取决于与太阳的距离。太阳系的各个行星是在星云中不同的区域、由不同化学成分的星云物质凝聚、吸积而形成的。月球与地球在太阳星云中相距较近，形成过程相似，属于同时形成的“兄弟”。对于地球与月球成分上的差异，他们解释说，形成行星时，开始是凝聚、吸积并形成以铁为主要成分的行星核，金属核进一步增长之后，星云中残留的非金属物质才凝聚，月球就是地球形成后剩下的残余物质所组成的。同源说力图合理解释地球与月球成分差异和月球的核、幔与壳的组成，但其模式与太阳星云的凝聚过程和地月系的运动特征不尽相符。因此，这一假说也不尽人意。

3俘获说

地月俘获说

[8]月球捕获说认为，月球是地球抢过来的“女儿”，即地球与月球由不属于同一星云团的物质形成，由于地-月轨道的变化，在1～10个地球半径范围内，外来的月球在飞过地球附近时被地球的强大引力所捕获，最终成为一颗环绕地球运行的卫星。 主张俘获说的科学家认为，地球和月球处在太阳星云的不同部位，由化学成分不同的星云物质凝聚而形成。月球原来的运行轨道与地球的轨道面交角很小（约5度），当月球运行到地球附近时，在地月距离为10个地球半径的范围内，月球可能被地球俘获而成为地球的卫星。 著名有天文学家阿尔芬认为，月球曾经是一个独立的行星，月球被地球俘获时，与地球的距离大约为26个地球半径，与地球的平面的交角为149度。如果月球进入地球的洛希限，潮汐会产生很强的非均一重力场，月球表面的岩石将会破碎，并进入月球运行的轨道空间，大部碎片物质又返回月球，撞击月球，在月表产生大量的月海盆地。月球正面在39亿年前发生的开凿月海事件——雨海事件也许是俘获说的重要证据。通过地月轨道的精细计算及激光测距的数据表明，现今月球的轨道愈来愈远离地球，每年后退约38厘米。不过，俘获说只能解释部分观测事实，不能令人满意。因此，不断有人另辟蹊径，提出新的假说。

4撞击说

撞击说

分裂说、同源说、浮获说这些关于月球起源的假说只能解释部分观测事实，不能令人满意。因此不断有科学家另辟蹊径，提出新的假说。其中，20世纪80年代中期提出的撞击成因说引起了人们的极大关注，它能解释更多的观测事实，是当前较合理的月球起源假说。 撞击成因说也被称为“大碰撞分裂说”，这一假说认为，地球早期受到一个火星大小的天体撞击，撞击碎片（即两个天体的硅酸盐幔的一部分）最终形成了月球。 撞击成因说认为，在太阳系形成早期，行星际空间有大量星云，星云经过碰撞、吸积而逐渐增大。大约在相当地月系统存在的空间范围内，形成了一个质量相当于现在地球质量9/10的“原地球”和另一个火星大小的天体“原月球”。这两个天体在各自的演化过程中都形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐组成的幔和壳。由于这两个天体相距不远，因此有机会发生碰撞。剧烈的碰撞不仅使“原地球”的自转产生了偏斜，而且使“原月球”碎裂，幔和壳变热蒸发，膨胀的气体“裹挟”着尘埃和少量的幔物质飞离原月球。被分离的金属核因受膨胀气体的阻碍而减速，被“原地球”吸积并变成了地球的一部分。飞离的气体尘埃物质受地球引力的作用，呈盘状分布在洛希限以外的空间，它们通过吸积，先形成一些小天体，然后像滚雪球一样不断吸积增长，最终形成现在的月球。 撞击成因说可以合理地解释地月系统的基本特征，如地球自转轴的倾斜与自转加速、月球轨道与地球赤道面的不一致、月球是太阳唯一的与主行星质量比为1/81的卫星、月球富含难熔元素而匮乏挥发性元素和亲铁元素、月球的密度比地球低以及月球形成初期曾产生过广泛熔融、存在过岩浆洋等事实，因此撞击成因说是当今较为合理、较为成熟的月球起源学说，逐渐获得了大多数学者的支持。[11] [8]绕月航天器Smart-1

[12]2006年，欧洲宇航局的绕月航天器Smart-1完成对月球表面化学成分的测定，测定结果显示月球表面含有包括钙和镁在内的一些化学元素。一直以来人们关于月球是由地球一部分撞击分裂形成，这次发现为月球起源的“撞击分裂说”提供了有力证据。 20世纪60年代晚期和20世纪70年代早期，美国宇航员阿波罗号登月任务中带回月岩样本，自那以后，行星学家们对这些月岩与地球深出地函区域发现的岩石十分的相似感到惊讶。当更多的科学家细致的观察了月岩，月球起源问题变得更具有悬疑，科学家们发现月球与地球深处的岩石仍有着很大的差别。最关键的是，月岩当中的同位素与地球岩石当中的发现并不一致。 据一些科学家推测，在地球生成的早期，曾经有一个相当于火星大小的星球撞击地球，造成的碎片后来聚集形成了月球。如果情况的确如此，月球的含铁量将会比地球低，而镁和铝这样的轻元素的含量则会高一些。 关于月球的起源另外一种理论认为，地球和月球是从一块气体尘埃云中同时产生两个天体。但自从“阿波罗计划”之后，科学家获得了大量令人震撼的照片和382千克月球的土壤岩石。月球起源“撞击分裂说”逐渐占据了上风。

5核爆炸说

2010年初，南非和荷兰的两位科学家又提出了一种新的理论和解释。他们认为，月球并非是由于太空撞击或太空爆炸所造成的，而是由于地球自身的一次核爆炸而从地球分离出去的。 南非西开普大学科学家罗伯-德-梅耶尔和荷兰阿姆斯特丹自由大学科学家维姆-范-维斯特伦恩是根据一种核裂变理论提出这种观点的，这种核裂变理论早在19世纪初就有科学家描述过。该理论认为，地球和月球都来自宇宙中同一滴旋转的熔岩，后来一部分分离出去形成了如今的月球。然而，除了撞击原因以外，当时的科学家无法用其他理由来解释形成月球的那一部分熔岩是如何分离出去的。 两位科学家认为，形成月球的那部分熔岩是在地球的一次核爆炸中脱离出去的。在他们的研究论文--《月球起源的另一种假设》中，两位科学家解释说，如果月球是由于一次撞击性的外部力量而从地球分离出去的话，那么它应该由撞击天体和地球的某些物质组成。他们说，“太阳系进化的模型显示，地球的化学组成和撞击天体的化学组成不可能是同样的。” 然而，根据探测到的月球标本显示，月球在化学组成上几乎与地球是相同的。这一发现表明，月球的分离过程没有撞击天体的介入。科学家们在研究论文中解释说，“月球的化学组成与地球越相似，说明月球越有可能是直接形成于地球物质。” 因此，科学家们相信，造成月球直接从地球分离出去并进入轨道的能量是由地球地幔边界的一种超临界反应堆所产生。这种反应堆产生足够的热量使得地球上的硅酸盐等物质被蒸发并喷射出去。美国《科技新时代》杂志科学家克雷-迪洛维也支持两位科学家的观点。迪洛维认为，“根据他们的解释，地心引力在地球的赤道平面附近的地表浓缩了大量的重金属，如铀和钍等。当这些重金属积聚到足够多，浓度足够大，就会产生一种失控的核链式反应，这和核电站的某些原理有些相似。” 迪洛维解释说，“通过这种方式，一种自然形成的地球核反应堆被推到了超临界水平，然后就会爆炸。月球从地球分离出去后，被巨大的核爆炸力量推动进入公转轨道。当然，这种理论很难检验。但是，人们确实知道地球核反应堆的存在，它所产生的遗留物就是如今开采的铀矿。” 梅耶尔和维斯特伦恩认为，要想证明他们的理论，需要依靠未来的月球探测任务带回月球更深内部的物质样本。

月球经历了45亿年的演化，现今已成为一个内部能源近于枯竭、内部活动近于停滞的僵死的天体，仅有极其微弱的月震活动。小天体的撞击和巨大的温差是月球表面最主要的地质营力，它使岩石机械碎裂、月壤层增厚、地形缓慢夷平。现今月球的表面是一个无大气、无水、干燥、无声、无生命活动的死寂的世界。