行星的化学组成
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发布时间：2022-04-28 10:40
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时间：2023-09-28 06:27
行星表层温度较低,缺乏原子光谱的激发条件,排除了应用光谱测定其成分的可能性。近几十年来,由于运用各种宇宙探测器对行星大气进行探测,使人们对行星大气化学成分的了解,得到迅速的增长。按照行星的成分特征,太阳系的八大行星可以划分为三种类型:
地球和类地行星 包括地球、水星、金星和火星。质量小、密度大、体积小、卫星少。物质成分以岩石为主,富含Mg、Si、Fe等,亲气元素含量低。
巨行星 包括木星和土星。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95.18和745,木星分别为317.94和1316。其主要成分为H和He,亲石和亲铁元素含量低。
远日行星 即天王星和海王星。其成分以冰物质为主。H 质量分数估计为 10%,He和Ne平均为 12%。
上述三类行星中,岩石物质比值为 1∶10-4∶(10-7～10-12);冰态物质比值为0.02∶0.07∶0.71;气态物质的比值为0.195∶0.68∶0.12。它们中主要元素的原子相对丰度见表1-12。
表1-12 太阳系中某些主要元素的原子相对丰度
(据韩吟文等,2003)
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。随着行星空间探测技术的发展,目前对各行星及卫星已经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,但是不含水;
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FeO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,金属铁已经完全氧化为FeO或与S结合形成 FeS,没有金属铁的核。最新火星探测器“勇气号”“机遇号”发回的火星全景图像表明,火星上的土壤中可能含有很高成分的赤铁矿,即Fe2O3,找到它就能证明火星上曾经有水存在过。而探测器所传回的火星岩层图像中,一些火星岩层有细微的层次,并且岩层不像笔记本那样平行,岩层有时相互交错,可能是因火山活动、风和水的作用而成。如果真能在火星上找到水的迹象,将会有力支持关于火星曾经有生命存在的设想。
根据表1-12 所列行星大气层的特点,类地行星与远离太阳的外部行星的大气层,其成分存在明显的差别,内行星比较缺乏原始星云中的气体组分 (H、He等),而外行星则富集这种组分。
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1.7433×1024g 的挥发组分,其中CO为1.218×1023g。月球表面的大气中主要是 He和Ar,白天和黑夜大气浓度分别为3×103和6×104原子/cm3,几乎是真空状态。水星的大气层极稀薄 (<0.0003×105Pa),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(0.005～0.007)×105Pa,主要由 CO2(95%)、He (3%)、N2(2%～3%)以及Ar、O2等组成。金星和地球有稠密的大气层,金星大气层达 100×105Pa,主要为CO2和N2。
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(0.1～0.5)×105Pa,主要成分为H2、He、NH3和C2H2。土星大气层 (0.05～0.5)×105Pa,主要成分为NH3、CH4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。
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,行星大气层的厚度与密度与行星质量有关,质量大的行星,容易形成较为稠密的大气层。
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),因此也没有水圈。
根据宇宙大爆炸假说,太阳系中太阳的作用如同一台大吹风机,靠近太阳的各区域内如氢和氦那样的易消失的轻元素已被吹除干净。首先因为靠近太阳的类地行星直接受到酷热之苦,转变为大气中大量的原子运动。其次,由于类地行星的质量相对较小,引力不强,不足以包容原子的活动,这些原子就逃脱到空间中去,留下来的只有那些比氢和氦重的元素,它们在太阳火热的作用下不会自行汽化,这些元素就是耐热元素,就形成了金星、地球和火星的硅酸盐。而在水星这个离太阳最近的行星上,甚至硅酸盐也耐受不住太阳太强烈的热,挥发为气体自行离去,因此水星上大部分是更能耐受太阳热的亲铁元素构成的物质,它的原始大气在太阳炙烤下全部散逸到太空中了。金星、地球和火星也都失去了全部的原始大气,现在它们周围的大气是由组成星体后释放出来的内部气体 (其中有水)组成的。类地行星失去了 98%的原始物质,而位于太阳系外部区域的大型类木行星,如木星、土星、天王星和海王星的情况正好相反,它们回收了太阳从内部驱赶出来的易消散的轻气体,如木星的质量超过了所有的行星。
对于行星内部结构和化学成分,目前仅能根据间接方法获得的某些资料进行理论推测。首先,根据天体力学定律进行计算,可以得出各个行星的质量,然后借助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。在已知质量和直径的基础上,就可以精确地计算出行星的平均密度 (表1-1)。
如果假定陨石为小行星碎块,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所组成,那么我们就可依据行星体积和平均密度的资料,估计出各个行星内镍铁相与硅酸盐相的比例。一般情况下,当行星的大小可以互相比较时,平均密度较大的行星应较之密度较小的行星具有更大的镍铁对硅酸盐的比值,即行星的镍铁内核愈大 (表1-1)。利诺利兹 (Р.Рейнолдс)和萨麦尔斯 (А.Саммерс)曾按这种原则计算出各内行星和月球的金属内核半径同其整体半径的比值为水星:0.8,金星:0.53,地球:0.55,火星:0.4 (图1-8)。
图1-8 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1-1 和图1-8 可以看出:①在类地行星成分同其与太阳的距离之间存在着某种粗略的规律,即行星愈靠近太阳,它的金属铁含量愈高,这是有待于从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是十分相近的,因为它们具有很相似的直径和平均密度。③由火星和月球的平均密度看来,它们应该在化学成分上属于同一类型的天体。
类木行星的平均密度 (大约在0.7～2.47 g/cm3范围内)要比类地行星的小得多。根据这一事实,人们推测在这些巨大行星中气体应占较大比例。根据各种资料判断,氢及其化合物应是主要成分。
在行星元素丰度研究方面,目前是根据一些理论模式进行的计算。应用较多的是Gannpathy和Anders (1974)的行星化学成分的计算模式。根据均一太阳星云的平衡凝聚模型假说,太阳星云中的分馏凝聚过程依次为:早期富钙铝和其他难熔元素的分馏;铁镍金属与含镁硅酸盐的分馏;碱金属硅酸盐的凝聚和金属与 H2S和 H2O 的反应形成 FeS和FeO等阶段。挥发性相近的元素在这些过程中具有相似的性质。可以选择和确定4个具有代表性的元素的丰度。如 U、Fe、K、Tl,计算出83种元素在星云不同区域内凝聚而形成行星的化学成分。据此模式计算出了水星、金星、地球和火星的元素丰度 (表1-13和表1-14)。
表1-13 类地行星的化学组成
续表
(据Brownlow,1996)
表1-14 水星、金星、地球、火星的元素丰度
续表
*稀有气体的丰度为 10-10STPcm3/g (即标准温度和压力 (273 K,0.1MPa)下的 cm3/g;1cm3/g=4.46×10-5mol/g)。 (据中国科学院地球化学研究所,1998)
