地外星球的全球变化

发布时间：21年02月26日

汪品先

中国科学院院士，同济大学海洋与地球科学学院教授

在地球上，全球变化的研究将地球科学推向系统科学的高度；走出地球，全球变化的原理同样可以应用于地外星球的研究。只是缺少了生命，甚至缺少了水，地外星球的环境比地球简单得多。有了生命和水，地球才成为你我生活的乐园，可同时也给解译地球系统之谜出了难题。解剖地外星球简单的“全球变化”，可以帮助我们认识自己星球演变的奥秘，而这方面内容最为丰富的，当然是火星。

火星上的全球变化

火星上有水流、有沉积岩，我们也了解了火星的两极冰盖和轨道周期，这里又来谈火星的全球变化，这种“偏爱”的原因是火星和地球的相似性。论距离，火星是地球的近邻；论半径，火星是地球的一半；地球一天24小时，火星24小时40分；地轴的倾角23.4°，火星倾斜25.2°。而且对火星的研究程度高，已经编出了地质图、提出了年代表，两者的比较对研究地球大有裨益。

从地形上看，火星和地球的南北半球都不对称。地球的北半球大陆多、南半球大洋多，而火星的南北差异要严重得多：南半球比北半球高5 km，是个环形坑密布的高原，保留着火星形成初期陨石撞击的表面；北半球可能发育过海洋，造成了较新也较平的地形。最为突出的地形特色是峡谷和火山：赤道上4 000 km长的水手号大峡谷（Valles Marineris），300 km 宽、7 km深，占据了火星圆周的1/4，是太阳系里最大的峡谷，推测是地幔隆升造成的断裂；奥林帕斯（Olympus）火山高20 km，直径600 km，是太阳系里已知的最大火山，推测是因为火星没有板块运动，岩浆房在上亿年的时间里在同一地点喷发，形成巨型山体。奥林帕斯可能在2亿到1亿年前形成，最近的一次喷发估计距今只有200万年，对当时火星的环境产生过重大影响。

从气候来看，火星的气候属于“超级大陆性”：火星上缺水，土壤也是干的，因此表层的热容量极低；火星的大气层极其稀薄，表面的大气压力只相当地球上3万米高空的气压，因此火星的昼夜、季节温差都比地球强烈得多。火星南半球夏季白天可以到20 ℃，夜里会降到-100 ℃。火星的温差在于南北半球之间而不是地球上那样在热带与两极之间；而且稀薄的火星大气没有同温层，这就决定了火星大气环流与地球不同。地球上的大气，从赤道到30°纬区形成哈德雷环流圈，南北半球各有一个（图1左），而火星上却只有一个哈德雷环流圈（图1右）。

图1 地球（左）和火星（右）大气圈的哈德雷环流

火星上的强烈温差决定了风场的强度，干旱的气候又造成风尘的发育，因此风尘作用对于气候的影响之大，也是地球上所不见的。火星上常常发生巨型尘暴，高达10 km，直径数十或数百米，向高空输送尘粒，甚至使天空变色。因此火星上也有季节性，只不过没有雨季与旱季，而是“晴空季”和“风尘季”。

现在相信，30亿年前的早期火星曾经有过活跃的水圈，很可能还有生物圈。现在火星的“大气圈”太稀，但正因为稀而“大惊小怪”，容易“激动”；水圈太冷，全变成冰，缺乏活力；岩石圈之下的地幔又不够热，没有板块运动。所以今天的火星，是个无生命、无板块、无液态水的“三无世界”，处在“失控的冰室”状态。一颗星球的“全球变化”，关键在于圈层相互作用。一旦轻元素逸散，水、气消尽，剩下孤零零一个岩石圈，对外无法吸收太阳能，对内缺乏深部核反应，便落得“死球”的下场，月球便是一例。如果把圈层相互作用称作星球的“生命力”，地球与月球居其两端，火星便是个“中间分子”，在30亿年前的“辉煌时期”之后，有时还会有火山活动引起的变化，但只能是些零星出现的尾声而已。

金星的大气圈

在地球各个圈层中，对于全球变化最为敏感的是大气圈。因此，比较星球间全球变化的切入点，也就在大气圈。我们知道，太阳系星球间大气成分不同，现在再以地球为出发点，对各个星球的大气圈进行比较。

太阳系四颗内行星，水星太小，和月球一样留不住大气圈，水星表面的气压只相当地球表面的2×10-12，只是些太阳风带来的氢和氦。如果将火星、地球和金星的大气圈相比（表1），可以看出金星的大气圈最重、温室效应最强，对于为“全球变暖”发愁的地球人来说，也最值得研究。

金星的大小和地球最像，半径都是6 000多千米，可是金星大气层的总质量是地球大气层的92倍，大气层的厚度都差不多，区别在于金星大气的浓度大。如果宇航员在金星表面着落，他身上承受的气压和地球上900多米深的海底相当，而且这大气的成分96.5%是二氧化碳，剩下的3.5%主要是氮气，氧气只在0.002%以下。大气里也极少有水，所有的水汽凝聚到地面上也只有1 cm厚，而地球上的水铺平了厚度会超过2 km，相差十万倍以上。金星有巨厚的硫酸云层，分布在五六十千米的高处，构成20～30 km的厚层。云层反射掉75%的太阳辐射，因此云层以下的能见度很低，而温度急剧升高。地球上即便是高层云，离地面也只有几千米，与金星的差距太大。如果根据大气压力比较金星和地球的大气层，那么地球海平面的大气层只能和金星五六十千米的高处相比，此层以下金星的气温和压力呈直线上升，高温高压将是未来登陆金星所面临的极大挑战（图2）。

图2 金星和地球大气圈及其温度曲线的比较

在太阳系行星形成的早期，金星、地球和火星的情况应当相似，而现在三者的大气层相差如此悬殊，反映出不同的演化途径。火星的大气几乎丧失殆尽，陷入失控的“冰室型气候”，表层温度-60℃；金星的二氧化碳浓集，变为失控的“暖室型气候”，现在表层温度高达+460℃。推测40亿年前，早期的太阳光度比现在低25%～30%，金星上也曾有水，和当时地球表层的环境大同小异，以后随着太阳的演化，在离太阳较近的金星上液态水都会汽化，而大气里的水又被太阳辐射分解为氧和氢，较重的氧可以留在金星表面和岩石圈相互作用，而较轻的氢则逸散到太空，留下其较重的同位素氘，所以今天金星上的氘/氕（D/H）值，比地球上高出100～150倍。失去了水的金星，没有能力回收火山喷发产生的二氧化碳和二氧化硫，只能留在大气圈里造成失控的温室效应和毒性的硫酸云。回顾当年的内行星同胞“三兄弟”，经过三四十亿年的分道扬镳，现在已经“差之千里”。

外行星卫星上的全球变化

太阳系外行星和地球的差别太大，木星和土星主要是氢和氦，在极度高温高压下“细小”的固态内核即便有“石质”成分也不能与地球相比，倒是他们的某些卫星，和地球有若干相似之处，值得一比。这里拿来比较的是木星的木卫二（Europa），土星的土卫二（Enceladus）和土卫六（Titan），这三颗卫星都有海洋，因此也都有相当有趣的全球变化。水在宇宙里其实并不罕见，氢和氧在宇宙里的丰度排在第一和第三位，但是水呈液态出现的温度压力范围太小，在宇宙里十分稀罕。可是液态水不仅是生命存在的条件，也是众多化学反应和地貌过程的必要条件，全球变化有了液态水才会丰富多彩。

这三颗卫星都有两个部分：里面是石质的核心，外面包着水冰。其中以木卫二的名气最大，原因是在十来千米厚的冰层底下有个上百千米的深海，海底的水岩相互作用可能产生与地球上相似的化学反应，从而提供了生命存在的可能性。作为大行星的卫星，这三颗卫星共同的特色在于强烈的潮汐作用。木星的质量是地球的三百多倍，木卫二距离木星27万千米，每三天半围绕木星转一圈，受到巨大的潮汐吸引力，这也就是木卫二全球变化主要的能量来源。潮汐的能量足以使得卫星上的冰层融化为液态水。不但木卫二，靠近木星的木卫三（Ganymede）和木卫四（Callisto）在冰层地下也都可能有液态水，推测三颗卫星的水量可能相当地球大洋水的30～35倍。至于离木星最近的木卫一（Io，相距才3 600 km），已经没有冰盖或水层，而是有着数以百计的活火山，最高者逾17 km，是太阳系中地质活动最为活跃的天体。活跃的原因就在于潮汐摩擦产生的热量，导致木卫一的硅酸盐类融熔产生岩浆。

土星比木星小，但质量还是地球的近百倍，因此土星的卫星同样受到巨大的潮汐引力。土卫二最大的特色在于喷气：土卫二的南极有四条“虎纹”状平行断裂，每条130 km长，中间是0.5 km深的沟，两边为相隔2 km的隆起，羽状流就从这沟里喷出（图3）。土卫二喷出的气体柱要是水汽，喷出的颗粒99%是微米级的冰晶，1%是盐分，大概因为这些喷出物的缘故，土卫二的反照率高达80%，是太阳系里反射最强的星体。这种喷气的动力只能来自潮汐：土卫二太小，直径只及月球的1/7，不可能有核裂变造成的内能，只能依靠潮汐力。推断由于内潮作用的加热活动，使得南部的冰层与石核之间形成“海洋”，产生出汽夹冰粒的羽状流通过狭窄通道，从南极的“虎纹”喷出（图3）。近年来发现木卫二上也有水气柱喷出，高达200 km，而且是每当运转到接近木星的位置方才发生，显然也是潮汐作用的产物。

图3 土卫二南极的“虎纹”喷气口的解释示图：A. 土卫二的切面；B. 喷气口的通道

土卫六是颗类似于行星的卫星，论体积比水星还大，而且在石质核心、水层和冰层之外还有大气层。土卫六上存在丰富的有机化合物和氮等元素，与地球早期生命形成时的环境相似。由于温度过低，也未发现有液态水，不大可能会有生命存在，但是土卫六有液态的甲烷。因此土卫六和地球相似，有云、有雨、有湖泊，不过成分不是水、都是甲烷。土卫六表面温度极低，平均为-180℃，然而甲烷和土卫六表面的其他碳水化合物在这一温度下仍可以保持液态，至于与蒸发作用的平衡，可以由“甲烷雨”或者“甲烷地下水”提供补充（图4）。土卫六表面的大气压力是地球表面的一倍半，主要由氮气和甲烷组成，尤其值得注意的是土卫六大气圈的有机质雾霾层，可能在地球演化的早期也曾出现，因此对于研究地球演变具有特殊价值。