比較行星學

以地球為基礎，對比研究各行星的物質組成、表面特徵、物理場、內部構造和演化歷史的學科。 1959年，伽莫夫(G.Gamow)首次套用“比較行星學”這個術語。20多年來，隨著行星際探測技術的發展和探測範圍的擴大，以及天文學、地球科學和的相互滲透，比較行星學獲得了迅速的發展。

基本介紹

• 中文名：比較行星學
• 外文名：comparative planetology
• 內容：比較行星間特質的差異性來研究
• 提出者：伽莫夫(

定義

比較行星學 　comparative planetology

經由比較行星間特質的差異性來研究行星的學問。

比較行星學主要奠基於：①大氣外觀測和一系列宇宙探測器獲得的月球地質、構造、磁場以及自月球取回樣品的分析資料；②“水手”號“金星”號“火星”號、“海盜”號、“旅行者”號等行星際飛船獲得的大量科學資料；③地球的研究成果；④各種類型的研究結果。

比較

行星體的組成和內部構造難於直接測定，但可由行星密度、地震波速及其傳播特徵，太陽系的元素豐度和太陽系的化學演化理論進行估算。

類地行星的密度近似地隨與太陽距離增大而下降，這說明行星中的鐵/矽酸鹽比值隨與太陽距離增大而減小。按計算密度，類地行星可分為兩種類型：月球和火星型，密度約為3～4克/厘米（；水星、金星、地球型，密度約為5～5.5克/厘米（。類木行星，它的密度反映行星中（鐵+矽酸鹽）/（氣體+冰）的比值。由木星至天王星，密度隨與太陽距離增大而增大，這說明行星中的氣體量隨與太陽距離的增大而減少。

所有的類地行星和月球均是分異的天體，它們由殼、幔和核 3個部分組成（見表[類地行星的內部構造模型]）。但殼、幔和核的相對厚度不同，行星核的相對大小一般隨與太陽距離的增加而減小。

木星可能由液態氫和液態氦組成的外層以及矽酸鹽和鐵組成的核構成。外層厚約 55000公里，核心半徑為15000公里。

土星的組成和內部構造與木星類似。

天王星、海王星可能主要由H2、He和NH3組成。內部構造可分為3層：中心是矽酸鹽組成的核，中間層是H2O、CH4和NH3組成的冰，外層是分子氫。

冥王星直徑2700公里，密度為1.5～2克/厘米（，因此它的組成和內部構造應與天王星和海王星類似。

行星大氣比較

行星的大氣特徵與行星的質量、大小和與太陽距離密切相關。

類地行星大氣

地球和金星的質量大，它們的氣體較難逃逸，可由星體內部釋出的氣體形成濃密和複雜的大氣。火星由於質量較小，表面溫度較低，因此大氣密度較小，但成分和金星相似，是以CO2為主的複雜混合物。早期地球大氣主要成分預計也是CO2，只是由於後來地球水圈和生物圈的發育，碳酸鹽的沉積和植物光合作用的結果，才形成了近年來的低CO2的大氣。水星和月球由於質量小，氣體易於逃逸。類地行星距離太陽近，早期的驅趕作用強烈，行星形成時表面所捕獲的太陽星雲氣體已被驅趕殆盡，現今的大氣是行星內部物質通過熔融、除氣過程釋放和被行星捕獲保留下來的次生氣體。金星、地球、火星的（C/（C、（O/(O的比值相一致，（Ar/(Ar比值大致為5。

類木行星大氣

以木星、土星為代表，它們的質量大，距太陽遠，溫度低，太陽風的驅趕作用較弱，行星大氣主要為星體形成時捕獲的星雲氣體。木星大氣含H2約89%，He約11%，H2O、NH3和CH4等氣體均為微量成分。土星、天王星的大氣組成與木星相似，但由於溫度更低，不少NH3結晶而脫離氣態，大氣中甲烷相對含量增高。各行星大氣層特徵，參見。

行星磁場比較

由殘留鐵磁和行星內部電流產生的電磁場組成的磁場是行星的最基本特性之一。

地球的磁場為偶極場，場強30000～70000納特，赤道磁場平均值為30800納特，偶極子與行星自轉軸間的夾角為11.5°。未發現月球的全球性磁場，局部月殼的剩磁強度範圍約為6～300納特。水星磁場強度約為350～700納特。金星有一個微弱的磁場，磁矩約為地球的0.00005。火星磁場強度約為60納特。木星表面的磁場強度，北半極為1.4×10（納特，南半極為1.1×10（納特，磁場大致為偶磁場，但比地球更不規則。土星的磁矩介於木星和地球之間，比地球大550倍，而約為木星的1/35。

太陽、水星、地球、木星和土星，它們的磁矩隨角動量增大而增大，但金星、火星和月球的磁矩，與它們的角動量相比是十分小的。這表明除了角動量之外，還有其他因素對行星的磁矩起重要作用。當下流行的行星磁場成因學說是發電機假說。但也有人認為行星的磁場是行星殼的剩磁，而不是活動的內部發電機磁場，行星殼剩磁可能是原始的內場或外場產生的。實際上，行星磁場可能由內部電流產生的電磁和行星早期歷史殘留的鐵磁兩部分組成，但兩者的比例隨行星而異。

表面特徵比較

行星表面特徵反映行星的內部成因和外部成因的地質活動，以及行星的地質演化歷史。按表面地形特徵，類地行星（包括月球和木衛一）的主要地質活動可分為兩組：內成過程，包括火山和構造作用；外成過程，包含大氣和水的侵蝕及星子（或隕石）的撞擊成坑作用。

撞擊坑

這是行星表面的共同特徵，其大小從微米級的微隕石坑（由宇宙塵撞擊產生）至直徑大於2000公里的盆地（由大星子撞擊產生）。環形撞擊坑是無大氣的比較小的行星（如月球和水星）最顯著的表面特徵。火星的撞擊特徵也比較突出。地球上已證認出約91個環形撞擊坑，其中大部分位於古老的前寒武紀地盾區。地球上撞擊坑稀少是由於後來強烈的地質作用改造地表的結果。一般的情況是，行星體越小，高密坑表面區的百分比越高。

火山活動

是類地天體的主要內部成因的地質過程。其重要表現是玄武岩漿噴出和玄武岩廣泛覆蓋天體的表面。月海玄武岩覆蓋約17%的月面。廣闊的水星平原是玄武岩平原。火星表面有廣闊的玄武岩平原和巨大的火山地質。地球上廣泛分布的火山與海底擴張和俯衝帶相聯繫，大洋玄武岩覆蓋地表的面積約達60%。

類地行星各有其不同的構造特徵月球有一個東北-西南向的格線狀構造體系，可能代表古月殼中的早期構造應力分布。水星上存在許多舌狀懸岩，一般認為這種構造由水星鐵核收縮形成。火星的主要構造特徵是火星大裂谷和與塔西斯高原相連線的地塹。地球的構造特徵則與海底擴張和板塊構造活動密切相關。

類地行星的表面高度顯示雙峰分布特徵，這種分布與兩半球的撞擊坑高地和火山平原的比例相關。月球高地平均比月海表面約高 1公里。火星南半球的環形坑高地比北半球平原高1～2公里地球的大陸比洋底約高4～5公里一般情況是低高度表面區（火山平原）占行星表面積的百分數，以及低地與高地的高度差，隨行星增大而增大。

地球是惟一的具有濃密大氣、水圈和生物圈的類地行星，地表受到流水、 冰川、 波浪、風和生物的改造。火星表面經受風積作用和永久凍土活動的改造，火星上存在大量古代的流水侵蝕作用的證據。水星和月球無大氣和水圈作用的表面特徵。

演化比較

行星熱歷史

行星的演化與其熱歷史密切相關。行星熱歷史主要是研究行星熱能的現狀、演化歷史及其起源等問題。行星的分異、火山活動、構造活動和岩漿活動是行星熱歷史的反映。行星熱歷史是太陽星雲聚集時的重力能、早期太陽產生的能量、潮汐作用產生的能量、星子（或隕石）撞擊行星表面產生的能量，以及短半衰期和長半衰期放射性核素衰變產生的能量等多種來源的能量儲聚和釋放的綜合平衡的反映。

行星的質量是制約行星演化階段和行星熱歷史的主要因素。

演化階段

星雲說一致認為，行星是在太陽星雲盤內形成的。行星的演化和現今的特徵主要受行星的質量、組成及其與太陽的距離所制約。一般認為，類地行星具有共同的演化途徑。按洛曼（P.D.Lowman）的意見，類地行星的演化可分為5個階段：①行星形成和行星核的分離（約47億年前）；②初始行星殼的形成和隨後發生的高密度星子轟擊階段，預計在第一階段後數億年里發生；③第二次分異階段，伴隨廣泛的玄武岩漿噴出；④連續的構造活動階段；⑤板塊構造活動和物質再分異階段，約在25億年前，地球開始進入這個階段。

類地行星演化

太陽系

類地行星按質量可分為大（金星、地球）、中（火星）、小（水星、月球）3類。它們的演化特徵如下：

質量小的類地行星，形成後急劇加熱，發生熔融和分異成殼、幔和核，但內部物質分異不充分。由於這類行星體積小，熱量散失快，固化快，除氣過程產生的氣體不被行星捕獲，因此不能形成大氣層。在經歷了廣泛的玄武岩噴發階段之後（約30億年前），便開始走向地質上的寧靜期，沒有行星演化後期的構造岩漿活動。這類行星的演化程度低，表面能較好保持古老的火山地形以及星子撞擊形成的盆地和環形坑。

質量大的類地行星，形成後也受到急劇加熱、熔融和分異，從而形成殼、幔和核，內部物質分異程度高。由於行星質量大，內部的熱量積累多而失散慢，到如今仍保持明顯的構造岩漿活動。這類天體的演化程度高，經歷的演化階段長，如地球進入到了板塊構造活動階段。行星內部物質除氣過程產生的氣體被行星捕獲，形成濃密的大氣層。地球由於和太陽的距離適宜，形成了水圈、生物圈和富氧的大氣。各種內、外營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，核心較大，大部分的表面被年輕的岩石所覆蓋，如地球的3/4表面積被5億年或更年輕的岩石所覆蓋。

火星介於上述兩者之間，具有過渡型的特徵。早期急劇加熱熔融，分異形成殼、幔和核，內部物質的分異程度高於水星，低於地球。熱量的積累和失散以及演化程度也介於水星和地球之間，火星形成後的20億年，構造岩漿活動最激烈，通過連續的構造、岩漿活動和火山噴發，逐漸形成火星上的各種火山地形、斷岩和峽谷。火星現今沒有明顯的構造岩漿活動和火山噴發，接近於地質上的寧靜期。內部物質除氣過程產生的氣體僅部分被火星捕獲，構成稀薄的大氣層。火星表面有明顯的風蝕和堆積作用，火星地形受到一定程度的改造，古老地形和環形坑地形的保存程度比地球好。