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    行星构造——外星地理学

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      科普驿站  第三十二期

       

      主题:行星构造——外星地理学

      科目:地质/天文

      难度:A2

      时间:2019年12月7日

      讲师:水镜

       

      这次的科普内容,就由我来为大家呈现。由于我的专业是地球物理,和天文学的关系好像不大,再加上我水平有限,在此又是第一次科普,难免引不起诸位的兴趣,不过我今天要讲的是我的专业课程中与天文学关系最为密切的——行星构造学

      但在进入正题之前呢,我先为大家介绍一下我的专业和所学课程及其所需的主要研究手段,以便让大家能够了解一下我的专业及我是如何对研究对象进行研究的。地球物理学,说白了就是研究我们脚下这个大球的物理学,相当于升级版的地理。在地球物理中,我们一般需要学习固体地球物理学、大气物理学、气象学、海洋学、地质学、地震学、地电学、地磁学、地热学等二十几个课程,同时它又被称为“世界最难学的专业”,是一门让人头秃的学科。这些知识主要应用于地质勘探、预测地震、预测气象及研究地外天体地理环境等方面,其主要手段是根据已收集到的物理量借助计算机建立物理模型并进行演化模拟,所以它的精确度并不算很高。

      好了,回归正题,我们正式开讲。

      说到行星的构造,就不得不提到它的形成过程。以我们太阳系为例(下面对于行星的形成及其构造,我将以太阳系为例讲述)太阳是由一颗超新星“砰”地炸开后形成的星云浓缩而成的,这个诸位都很熟悉,我不作过多叙述。

      行星构造——外星地理学

      在太阳形成之后,余下的星云也逐渐开始浓缩,凝结成大量的金属碎片与水及一些气体冰状物和气体,这些固体液体气体的存在范围一直从现在的水星轨道延伸至现在的柯伊伯带附近。固体物会在太阳引力的作用下反复碰撞,使大部分物质集聚,形成越来越大的厚块,最后形成了称为星子的小行星。而星子的成分主要取决于它们到太阳的距离。在火星轨道以内的星子,大部分为重金属元素和坚硬物质组成;而火星轨道以外的星子主要是由二氧化碳、水、氨、甲烷等冰状物及少量金属碎片组成。

      为什么会出现这些差异呢?由于超新星爆发后的星云,在引力的作用下开始出现分异,向太阳靠拢,越靠近太阳重元素越密集。温度也更高,高温使冰状物无法在火星轨道内形成,这样它们就一直以气态的形式存在,并与金属反应生成了大量盐与氧化物,这些化合物便是类地行星地幔的主要组成部分。由于没有冰状物,类地行星的星子也就是地核都是由重元素构成的,又由于太阳形成初期,温度很高,星子和化合物都以熔融态形式存在,且最终碰撞融合成原始类地行星。而火星轨道以外,大量冰状物与少量铁镍碰撞累积形成星子,而由于火星轨道以外的面积更加广大,气体和冰状物的总量也就更大,这也使得类木行星形成且质量远大于类地行星。类木行星的星子在形成后,集聚大量的氢、氦、水、氨、甲烷,形成了原始类木行星。类木行星在引力作用下,物质开始分层,金属碎片向内凝聚形成铁心地核,(固态),氢氦向内收缩,组成了地幔。

      同样的分层作用也在类地行星上进行着。由于存在密度差,熔融态的重金属下沉,集聚在地心形成了地核,外层便只剩下了盐与氧化物,这些化合物逐渐冷却,形成了固态的地壳。至于类木行星,它们没有地壳,它们只有厚厚的大气层与气体地幔,像木星和土星这样的,地幔都为液态金属氢(即具有金属性质的液态氢,在高温高压下可形成),而天王星和海王星这样的,地幔都为水合甲烷的冰状物。

      下面我们来对太阳系内的八大行星来进行更进一步的分析。但首先我要先讲一个极为特殊的天体:月球

      行星构造——外星地理学

      根据物理模型的模拟表明,地球太小,不可能自行形成卫星,特别是像月球这么大的,此外,若月球是被捕获的,那么卫星的轨道也应像木星卫星那样是偏心的,而月球却是个圆轨道(是的,月球的轨道不符合开普勒行星运动定律)

      根据电脑模拟,月球是45亿年前一颗在地球轨道上的火星大小的类地行星与地球相撞而形成的。有的人要问了:“那我们今天为什么还能坐在这里听你乱扯。”别急,听我说完。

      当时地球与那颗火星大小的类地行星均未完全冷却,处于半熔融状态,所以两者相撞,不会发生较大的撕裂,那颗类地行星的绝大部分地核与大部分地幔都会被地球吸收(那时候地球还没有现在这么大),剩下的地核与地幔被撞击喷出,这些喷出的碎片绕地球运转,最终集聚冷凝形成了月球。

      这个模型与月球的内核密度与整体密度都小于地球的事实相符。在月球冷凝后经历了四个阶段才形成了现在的月面,分别是:原始外地壳的形成阶段;大型碰撞盆地的形成阶段;月海盆地的形成阶段;放射状陨坑的形成阶段。

      在月球形成的晚期,整个月球都是熔融状态的“岩浆球”,在44亿年前,岩浆月球开始冷却并出现岩浆分异作用(密度高的矿物下沉,密度低的矿物上浮),大多数致密的如辉石、橄榄石类的矿物下沉,形成了月球地壳的下部,其他矿物上浮,形成月球地壳。

      在月球地球形成后,星云碎屑(冰块、星子)继续碰撞月球。于是在这一时期形成了几个大的碰撞盆地。当六亿年后,太阳系环境趋于平和稳定,月面的大型碰撞盆地地下的裂隙开始上涌岩浆,岩浆喷出地表且填充了盆地,便形成了玄武岩质月海,但月海的地势仍低于高地。高地并不是地壳抬升所形成的,而是其它地方被砸低了,自然成了高地(天塌下来,高个子都死光了,矮的自然成了高的)。随后的时期,一些小行星的碰撞,使得大量放射性陨坑的形成,于是月球现在的模样便呈现在我们面前。

      对于水星、金星、火星,它们的内部结构大都与地球差不多,我不作过多叙述。这三颗行星的内核都是能产生磁场的高温流体核,与地球相似,地幔也都为熔融态矿物,所以被归为了类地行星。但我要讲一下它们的地表。

      行星构造——外星地理学

      首先是水星的地表。水星表面与月球的相似,都是布满陨坑且存在火山活动痕迹(现今火山早已冷却),无大气层,但据研究发现,水星上存在冰盖。

      行星构造——外星地理学

      其次是金星的地表。众所周知,金星的大气层很厚且充满二氧化碳,是个温室效应的极端模型。其火山活动十分剧烈,但内部动力学特征与地球不一样,金星同样存在地幔对流,但不存在板块构造与板块运动。金星的地表没有陨坑,因为它的火山活动重塑了整个行星的地表(我称它为会流动的地表)。

      行星构造——外星地理学

      最后是火星。火星的地表还是和月球一样(是的,几乎所有这类没有大气层或大气层稀薄的类地行星都是这个样子)。但人们发现火星的陨坑喷发物和其他类似的星球不一样。以往人们都认为这一类星球的表面都是干燥,但火星的陨坑喷发物主要由泥浆组成,所以地物学家们推断,火星的部分表层下存在着永久冻土层,碰撞一加热,冻土层融化,变成泥巴喷了出来。至于火星存在的水的问题,火星确实存在着液态水,不过极其稀少,且均为地下水,冻土与冰盖存在着反复的冻融现象,不过极其微弱。除此之外,火星的其他地方也都与水星和月球差不多了。

      下面是重头戏——类木行星。我将以木星与天王星为例进行讲述。

      行星构造——外星地理学

      首先是木星。木星的结构我们之前讲到过,铁心地核、液态金属氢与液态氢地幔、气态氢氦“地壳”、花里胡哨的大气层。除木星的花里胡哨的大气层与木星卫星外,我不作其它过多叙述。说到大气层,我要补充一下它的定义,一般的说,大气层是指行星表面连续的永久性存在的气体层且不会发生较大变化,不符合这个条件的都不可称为拥有大气,比如水星。

      我们所观测到的木星外观,主要是由三个主云层反射的颜色决定。这三个主云层呈从下到上的垂直分异。最下面的一层温度最高,密度最低(是的,它确实在最下面),主要由水和冰组成,呈灰蓝色。在可见光图像上一般不可见。中间层的温度较低,主要由液态硫化铵组成,呈棕色或橙棕色。而最上面,位于大气层顶部的,主要是氨冰形成的云层,呈白色。但如果仅仅是这样,我们看到的木星应当是棕白混杂的才对,为什么它现在看起来花里胡哨的呢?还是那句话,别急,听我说完。

      由于木星的引力十分巨大,且它的外壳都是些分子间空隙比较大的气体液体,因此木星自身每年都会收缩个几厘米。这种收缩运动为木星的大气对流提供了大部分的能量。这与金星、地球和火星不一样。在地球上,大气环流的能量主要来自于太阳,而木星大气对流的能量来自于木星的内部。

      木星大气的对流使得木星大气层形成了交替出现的暗带与亮区,也就是现今我们看到的木星大气层花里胡哨的样子。亮区呢,是高温物质上涌并冷却的区域。在这里,大都是最下层的水冰云层上升,所以亮区看起来都是灰蓝色的。暗带呢,是寒冷物质下沉并升温的区域,但下沉的主要是中间层的液态硫化铵,且一旦下沉,立马会有其它硫化铵与水冰云涌过来,所以暗带整体看起来仍是棕色的,只是颜色稍暗。木星上的大气对流再加上木星的快速自转,使得亮区和暗带之间形成了一条可见的东西走向的高速风带(由于大气层太厚且颜色分明,所以风带可见)。

      木星上的大气对流还使得木星上产生了许多风暴,其中最大的一个风暴,就是大家都很熟悉的大红斑,它是一个高气压风暴(是的,它是高压中心,与地球台风相反)。除了大红斑,木星上还有许多白色和棕色的椭圆形风暴,白色风暴是低压风暴,棕色则是高压风暴,大红斑就属于棕色风暴。(白色风暴由于是低压中心,其中会存在闪电)

      讲木星,不得不说它的卫星。木星卫星分为原生卫星与捕获卫星。原生卫星是在太阳系冷凝时,在木星周围自然冷凝而成的卫星。捕获卫星则是木星形成后利用引力捕获的。木卫一就是一颗原生卫星,它是太阳系中存在火山活动的四个天体之一,它的火山活动热源来自于木星和其它木星卫星对它的引力作用。引力使得它围绕木星做偏心运动,这种引力弯曲会转化成巨大的热能,导致火山喷发。而木卫三、木卫四也是原生卫星,它们的地表都与月球差不多(是的,还是和月球差不多)。至于木卫二,这颗冰球,一看就知道它是个捕获卫星。土星及其卫星则与木星及其卫星差不多,我不作叙述。

      行星构造——外星地理学

      接下来就到科普的最后一部分:天王星。天王星也拥有着厚厚的大气,但其成分大都为甲烷和水,所以它看起来是蓝色的。它的内核与木星相似,都是铁心。地幔则是冰状水、甲烷和氨。至于天王星的“葛优瘫”(地轴横躺),很有可能是早期形成过程时遭到的猛烈撞击所造成的。同样,天王星也如木星一样,存在大气对流与风暴。它的卫星中,最靠近天王星的天卫五也存在剧烈的地质活动(无火山活动),同样是由引力造成的。至于海王星及其卫星,那又与天王星及其卫星差不多了,我也不做叙述。

      最后,顺带提一下小行星、彗星等小天体,它们是太阳系形成初期所剩下的星子,由于没有物质可集聚,便只好独立存在。

      有人会质疑了,我为什么只简单地讲了那么几个行星,而土星、海王星、冥王星、小行星带等天体都没有讲。但我的想法是,其实这次科普的目的是为了讲解一下行星构造与行星地貌形成的一般规律,讲求原理性与一般性。

      至于土星和海王星以及一堆卫星小行星,它们的结构与地貌其实都是我讲过的那几类,比如木星和土星是一类,天王星与海王星是一类,金星是一类,地球是一类,金星与火星和月球是一类,那几个卫星又是相同的一类。我完全没必要再讲这些,再讲就难免会产生重复,相信这个大家也不愿看到,所以请大家理解。

      通过我的简单易懂的“胡扯”(起码我自己认为它简单易懂),大家应该都明白了行星的几种基本构造形式与一般地质地貌(比如这个神奇的多次出现的“月球地貌”)和行星地理环境形成的一般规律。今后大家在遇到这类问题的时候就可以参照我所讲述的知识来应对。

      我的科普就到这里,谢谢各位!

       

      参考引源:

      [1]向守平,2008,天体物理概论,A179-194

      [2]滕吉文,2001,固体地球物理学,A285-291

      [3]夕龙,2001,太阳系形成的设想,NO.2

       

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