天體化學

天體化學是研究天體和其他宇宙物質的化學組成和化學過程的學科。元素與核素的起源、空間分布及其隨時間的演化，地外物質與地球的相互作用及其效應，也是天體化學的重要研究內容。天體化學是地球化學的一個分支，也是地球科學、空間科學和天文學之間的邊緣學科。

基本介紹

• 中文名：天體化學
• 外文名：astrochemistry
• 囊括範圍：天體，宇宙物質
• 運用範圍：推測天體形成及演化過程
• 定義年代：19世紀
• 研究途徑：天體樣品，空間探測

發展簡史

1833年瑞典化學家J.J.貝采利烏斯首次分析了隕石的化學成分。1858年R.W.本生和G.R.基爾霍夫開始研究太陽光譜並用光譜分析研究隕石的化學成分，開創了對恆星和其他地外物質的化學成分與化學演化的研究，孕育著天體化學的誕生。1917年W.D.哈金斯綜合了318個鐵隕石和125個石隕石的化學成分,發現7種質量數為偶數的元素豐度占98.6%，提出了元素豐度的偶數律。1930年I.諾達克－塔克和W.諾達克根據大量的隕石化學成分數據，提出了元素的宇宙豐度。1937年V.M.戈爾德施密特，1956年H.E.修斯和H.C.尤里相繼提出了元素及核素的宇宙豐度。

貝采利烏斯

20世紀50年代以來，前蘇聯與美國等相繼發射了備有多種探測裝置的系列性空間探測器，對地球高層大氣的成分、密度等進行了精細測定；對水星、金星、火星、木星、土星及其衛星大氣層的結構與成分，行星表面的礦物組成與化學成分，行星表面撞擊坑的分布、大小、密度、相對年齡與形成歷史，行星地層分布與相對年齡，行星地質構造與熱歷史和行星內部的結構等方面進行了廣泛的探測；對行星際空間的溫度、磁場、銀河宇宙線和太陽風的通量、能譜和成分等也作了測量；對彗星和流星的化學成分、空間宇宙塵的成分和剝蝕特徵等作了探測，獲得了大量而系統的科學數據，推動了天體化學的發展。

對全世界已收集的2500多次隕落在世界各地的隕石和南極洲收集的 11000多塊隕石進行的多學科綜合研究，為元素的豐度與起源、太陽系起源與演化、宇宙線的時空變化、生命前期化學演化和地外物質衝擊地球引起環境災變與生物滅絕事件，提供了新的科學論據。

自1969年“阿波羅”11號登月計畫實施以來,9次登月共取回 380多千克月岩樣品。使人們對月壤和月岩的礦物成分、化學成分、岩漿活動、內部結構和地月系的起源增添了許多新認識；月球地形圖、地層柱狀圖、地質圖和構造圖的編制，不僅使月球的地質演化歷史更為清晰，也為比較行星學的發展打下了堅實的基礎。

學科內容

天體化學的研究內容可歸納如下：

太陽星雲的物質來源、形成與演化

太陽系的物質主要來自太陽星雲，當太陽星雲凝聚時，有太陽系外的物質加入，使太陽星雲的同位素組成發生變異。太陽星雲中元素髮生凝聚，各種礦物相的形成有先後順序。根據礦物共生組合以及星雲溫度、壓力變遷的歷史，提出了太陽星雲元素分餾、凝聚的物理化學模式。太陽星雲凝聚和吸積的結果，形成了太陽系中不同化學組成、結構和質量的各類天體。太陽系各行星處於不同的演化階段，它們的大氣層、表面特徵、物理場、化學組成、地質過程和內部結構均有較大的差異。

行星化學研究

側重研究包括太陽星雲中元素的分餾與各行星形成區的化學成分；行星大氣層的化學成分與演化；行星內部的化學分異及各圈層的形成過程；行星內部能源的產生、傳導與釋放；行星各種地質營力與行星的熱歷史。

比較行星學研究

以地球的研究為基礎，將地球置於太陽系的時空尺度里，對比研究各行星形成演化的共性與特性，綜合探討地球和各行星的演化規律。

小天體化學研究

小行星、彗星、隕石和宇宙塵等小天體，由太陽星雲凝聚形成後，未經強烈的變質改造，因而它們的化學成分代表了太陽星雲的初始成分。小天體化學研究內容主要包括：①小行星的化學類型及與隕石成因的聯繫；②彗核、彗發和彗尾的化學成分、化學反應過程及其起源，收集彗星塵埃，研究太陽星雲的元素與同位素組成。

隕石研究

主要包括以下幾個方面：系統研究隕石的礦物、化學成分，推演太陽星雲的凝聚過程；測定同位素組成，探討太陽系的物質來源與演化序列；測定宇宙成因核素，計算隕石的輻照歷史；研究稀有氣體同位素，闡明隕石母體的熱歷史。宇宙塵埃和隕石消融型塵埃的研究,有助於探討地球與行星際空間的物質交換,論證沉積環境與速率，分析某些類型花崗岩與變質岩的物質來源。

天體年代

測定天體演化重大事件的年齡，建立天體演化的時間序列。天體年代研究提供了元素與核素以及天體演化歷史的時間標尺，如宇宙的年齡、銀河系年齡、元素年齡、太陽星雲的形成與凝集年齡、太陽系各天體的固結年齡與間隔年齡、行星和衛星各演化階段和重大事件的年齡、隕石母體的形成年齡、熱變質年齡與氣體保留年齡、裂變徑跡保留年齡、碰撞破碎的宇宙線暴露年齡和落地年齡、宇宙塵的形成年齡與空間滯留年齡等（見宇宙年代學）。

星際有機分子與天體中有機質的化學演化

在碳質球粒隕石和其他類型的石隕石中，發現有多種胺基酸、烷烴、烯烴、芳烴、嘌呤和嘧啶等有機化合物，多數學者認為是太陽星雲中的催化過程或放電過程的非生物合成。已證實的有50多種星際分子。天體中有機質的特徵與演化的研究，為論證前生命物質的化學演化和生命起源提供了新證據。

元素的豐度與起源

研究化學元素在太陽、地球、月球、太陽系其他天體、恆星和宇宙線中的分布。元素起源理論認為，首先是宇宙核合成產生氫、氦；恆星的靜態和爆炸核合成產生一系列元素，宇宙線與星際物質的核反應形成少量輕元素。恆星的演化階段反映了元素的形成和演化過程。

宇宙線化學

研究宇宙線中元素的豐度及其隨時間的變化。宇宙線與天體物質的相互作用，形成近百種穩定和放射性宇宙成因核素。這些核素在天體中的分布與產率證明：銀河宇宙線的通量、組成和能譜在近億年來基本穩定。

天體撞擊地球引起的災變

20世紀80年代天體化學與地球化學研究的前沿領域與焦點之一是大型隕石、彗星或小行星撞擊地球，引起地表環境災變、全球森林大火、強烈酸沉降、冰期出現和生物大滅絕等全球性災變事件。世界各地的白堊系－第三系界面粘土層中發現有一系列地球化學異常：①銥等鉑族元素的異常富集，且具有地外物質的元素豐度比值，表明界面粘土層中有地外物質的加入；②碳元素的富集異常，碳多以碳灰的形式賦存在界面粘土層中，經分析發現含多種稠環芳烴，證明當時曾發生過全球性森林大火；③存在由衝擊變質而形成的柯石英和斯石英，以及由撞擊熔融濺射而沉降的微球粒；④界面粘土層的氧和碳同位素組成的突變，表征當時氣溫的驟變和大量生物的死亡，導致全球性環境災變和生物滅絕，可能是由一個直徑為10～30公里的小行星或彗星撞擊地球所產生的後果。地球歷史上多次全球性災變和生物滅絕事件，天體的撞擊可能是一個值得重視的起因。全球的 4次玻璃隕石事件、地表已發現的近百個隕石撞擊坑、1908年的通古斯撞擊事件和撞擊成礦的薩德伯里（加拿大）事件等，是天體撞擊地球引起的區域性災變事件。

研究途徑

天體化學的研究途徑主要有以下三方面：①天體樣品的實驗室研究。對自然降落或人工獲取的天體樣品（隕石、宇宙塵、彗星塵和月岩等）進行礦物學、岩石學和地球化學的觀測、分析與測試，提供物質成分、物理性質、同位素年齡和形成演化的信息。②空間探測器的近空探測。利用裝備有各種觀測和測試儀器的空間探測器，飛近天體進行觀測與測試，獲取天體的大氣、磁場、地貌、岩石類型與分布、地質構造和內部結構的資料。③空間探測器的著陸探測。利用載人或無人駕駛的空間探測器，在天體表面著陸並取樣，實地探測大氣、表土、岩石的物性與成分，利用各種地球物理方法測定天體的熱流、磁場特徵與內部結構等。

展望

空間科學技術的發展，天文學、地球科學、生物學的有機結合，將促使天體化學向更大的時空尺度和更深的物質層次發展。除對自然降落在地表的天體物質作精細研究外，還將充分利用空間探測器對行星及其衛星、小行星、彗星等太陽系空間的天體作更為系統而深入的“就地”研究或帶回樣品至地面作精細研究。探索太陽系外的空間，為天體化學的發展開拓了更為廣闊的領域與前景。天體化學的發展將促進人們從整體上更深刻地理解地球的形成和演化。