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02 岩质行星 Rocky Planets（第3页）

图14　1999年8月（左）和2005年9月（右）拍摄的两张照片，展示的是一个1。5千米宽的区域，这个区域展示了直径6千米的火星陨石坑内壁。陨石坑边缘穿过左上方，斜向画面右下方。边坡内壁上有许多侵蚀沟壑，其中一条沟壑在这两个日期之间似乎是流动的，一些苍白的碎屑流到了较低的斜坡上

争论的重点已经从质疑火星最年轻的沟壑的年龄转移到关注火星沟壑是如何被开凿上。有一种理论认为，水是开凿沟壑的“罪魁祸首”。在火星地下土中，可能有承压的液态地下水储集层存在。当斜坡（如图14中的火山口壁）在地下水位以下破裂时，土壤中的冰屏障（永久冻土）通常会阻止水逃逸。然而，如果屏障被暂时拆除，水就会涌出来。这种**是稳定的——它在流动时既沸腾又冻结——但它可以在完全蒸发之前穿过这些沟壑的其中之一。持怀疑态度的人认为，沟壑的开凿并不需要**，可以被解释为干燥岩石崩裂的结果。

月球上的河道，如哈德利沟纹（图5），是熔岩通道。这些河道不是被水冲刷出来的，月球上唯一的水是两极附近风化层中的少量冰。在金星上，人们已经标记了200多条蜿蜒的河道，其中一条长达6800千米。金星不太可能经历过足够极端的气候变化，能让足够近期存在的液态水侵蚀出这些通道，所以这些河道可能也是被熔岩冲刷而成的。

表面特征的命名

我已经多次使用过其他行星地形地物的名称：奥林匹斯山、水手谷、哈德利沟纹等。如果没有这些名字，我就只能说它们是“火星上最大的火山”“火星上巨大的峡谷系统”和“阿波罗15号着陆处附近的那条大沟”。除非使用一个完全无法记住的坐标系，否则对不那么引人注目的那些地物，我将更难描述。

没有人在这些行星上住过，那么谁来制定行星地物的名字？这些名字正式吗？当天文学家们第一次开始用望远镜标记这些行星的地图的时候，有些人思想足够独立，给这些地表特征创造了独特的名字，并且他们通常不会考虑任何前人成果。成立于1919年的国际天文学联合会的早期任务就是整理混乱的行星地表名称，为被多重命名的地表特征制定唯一的官方名称，并为未来的命名建立标准和惯例。这些标准和惯例会被运用到新发现的天体和行星表面的特征上。这里的行星表面特征可能是人们想命名的特征，也可能是由于成像技术的改进而变得可见的特征。最初，成像技术的改进仅仅是指更大更好的望远镜。国际天文学联合会的创始人没有意识到，他们已经建立了一种方法，可以对由宇宙飞行器揭示的行星表面特征的命名进行监督。

一些人会批评国际天文学联合会对冥王星重新分类的处理，但我知道，没有人会对国际天文学联合会管理下，行星表面特征的命名的基本原则有负面意见。这是公平的，非政治性的，并试图体现世界上所有的文化，不只对单一个体，而对整个太阳系保持中立。

国际天文学联合会的命名法以对月球的表面特征的命名作为惯例。给环形山一个“不称职”的名字，但给其他大多数行星地表特征的命名都是一个名词加上一个拉丁描述词，用来表示它的类别。比如，“奥林匹斯山（OlympusMons）”的意思是“奥林匹斯山（OlympusMountain）”，这个名字可以立即告诉你，这个地表特征是一个名为奥林匹斯的山。虽然没有人怀疑奥林匹斯山是一座火山，但我们看到描述词并没有这样说。描述词会避免可能是错误的解释，只纯粹地进行描述。

每个星球上的名字都有主题。月球上的环形山是以已故的著名科学家、学者和艺术家的名字命名的，月球上的海则用描述各种气象条件的拉丁语来命名。除了月球，火星是唯一一个在国际天文学联合会参与之前就有大量名称流传的地方。这些名字来自乔范尼·夏帕雷利和欧仁·安东尼亚第（EugeniosAntoniadi）在19世纪晚期的望远镜测绘，后来加上了现代描述词。主要包括一些广阔的区域，如塔尔西斯地区和埃律西昂地区。火星上的每一个大山谷都以不同国家语言中的“火星”命名，小山谷则以地球上的河流命名。在金星上，几乎所有的名字都和女性有关：陨石坑是以历史上著名的女性命名的，其他大部分特征都是以女神命名的。在水星上，陨石坑是以死去的艺术家、音乐家、画家和作家的名字命名的，峭壁（悬崖）则是以科学探险队或船只的名字命名的。比如猎犬悬崖（图4）就取自英国皇家海军的猎犬号，查尔斯·达尔文也乘坐过这艘船。他在航行的过程中收集了大量启发进化论的观察资料。

类似的命名原理也适用于小行星和其他行星的卫星。例如，木星的卫星木卫二上有以凯尔特神和英雄命名的环形山，木卫二其他大部分特征的名字都取自古典神话。

大气

每颗类地行星诞生后，其内部气体都会从岩浆海洋中逸出，类地行星必定都有过大气层。尽管从火山逸出的气体能显示大气曾经的样子，但是这些原始的大气层如今已经不复存在。月球和水星的引力太小，不能抓住大气这张“毯子”。你有时可以看到月球和水星的“大气”加了引号，因为其“大气”压力小到只有地球大气压力的十亿分之一，它们主要由微陨石和宇宙射线撞击表面产生的游离原子组成。这些原子是如此稀少，以至于每个原子都更可能飘向太空，而不是与另一个原子相撞。这种状态形成了行星的“外逸层”，它原本是大多数其他行星的大气中最外层的稀薄地带，却是月球和水星所能聚集的全部大气。

质量更大的类地行星的引力更强，这使它们能够更有效地留住气体，即使这些行星大气的密度和化学成分已经在无数的演化过程中变得面目全非。早期更活跃的太阳风可能带走了大部分原始大气，但这些大气会通过火山活动进行补充。一个重要的、正在进行的过程是短波长的太阳紫外线可以把水蒸气分子分解成氢和氧。氢非常轻，可以逃逸到太空，这使得水的光解成为一个不可逆的过程。金星和火星都以这种方式失去了大部分原本的水分。表4总结了如今金星、地球和火星大气的组成。

*表中展示了六种最常见气体的丰度，以分子总数的百分比（地球大气中的水变化很大）、表面压力以相对地球的倍数形式表示

由于被紫外光分解，大气分子可以通过一系列被称为“光化学”的反应与其他分子结合。这一现象在距地表约100千米的“热层”中尤为明显。之所以将这个区域命名为“热层”，是因为这一层被太阳紫外线能量加热，这种能量要么用于分解分子，要么用于剥离电子，后者被称为电离。离子（主要是地球上的氧和金星、火星上的二氧化碳）在热层的外层中非常常见，它们形成了一个被称为“电离层”的导电层。当太阳风暴将等离子体从太阳带到地球时，这些等离子体会扭曲地球磁场，导致地球电离层中产生异常电流，严重干扰无线电通信，甚至导致电力故障。

大气层较深处，也就是紫外线无法穿透的地方，不受光化学的影响。这里的空气主要是通过与地面的接触变暖，而地面是由太阳加热的。所以在大气层最低的一层对流层中，随着高度的上升大气温度反而下降。大气压力和密度也是同理，这意味着对流层包含了大气的大部分质量。由于空气和岩石之间的化学反应，对流层的成分会变化，这是风化作用的必然结果。再加上生命活动，地球上对流层的成分会演化。植物和原始的单细胞生物仅在这里利用太阳能和大气中的二氧化碳来建造身体，释放出原始大气中极为罕见的气态氧。没有植物，像人类这样靠氧气生存的动物就不能生存，地球对流层的温度也会不同，我稍后会解释这一点。

当对流层底部附近的空气受热时，它们会膨胀，从而有了浮力。于是底部附近的空气上升，取而代之的是来自上方的冷空气。另一个对流的例子就是之前在一颗行星的地幔中。空气对流驱动着地球、金星和火星上的天气变化。但每颗行星对流的环流模式是不一样的，因为对流还取决于行星的自转速度（金星的自转速度缓慢）、大气的旋转速度（金星对流层上部的旋转速度远远超过金星本身的旋转速度）和昼夜温差（火星的昼夜温差大、金星的昼夜温差小）等因素。图15显示了金星南极上方的典型环流。相反，地球大气中的螺旋风暴系统往往始于热带附近。

地球复杂的大气层与它邻居们的不同。在金星和火星处，温度随对流层高度的上升迅速下降，在被称为中间层（非对流层）的地方，温度随高度上升缓慢下降，之后在热层，由于吸收了紫外线，温度再度随高度的上升而上升。但地球在类地行星中是独特的。在地球对流层和中间层之间有一段高度约10~50千米的区域，在这里，温度随高度的增加而增加，这就是平流层。平流层变暖的原因是臭氧分子会吸收230~350纳米波长的紫外光子（热层和中间层对紫外光子是透明的）。臭氧是三个氧原子结合在一个分子（O3）中，而不是两个氧原子结合在一个分子（O2）中。臭氧是由大气中含量较高的氧通过光化学反应组装而成的。两个氧原子（O2）通常是指“氧”。

温室效应和臭氧层空洞

很多人都知道“臭氧层空洞”和“温室效应”，但他们往往把“臭氧层空洞”和“温室效应”混为一谈，认为它们是气候变化的双生子。但是，这两者是截然不同的。

臭氧层（仅）存在于地球的平流层，是吸收230~350纳米紫外线的地方，这对我们和其他生活在地表的生物来说非常重要，因为230~350纳米的紫外线辐射会导致皮肤癌和基因损伤。令人惊讶的是，只需要很少的臭氧就能为地球上的生物提供一个有效的屏障。如果你把平流层中分散的臭氧全部收集起来，在海平面上铺开，只会形成一层3毫米厚的脆弱面纱。因此，在20世纪70年代和80年代，当人们发现南极洲上空的平流层失去了大约一半的臭氧时，人们非常担心，并开始谈论“臭氧层上的空洞”。臭氧丢失的主要原因是它会与一种叫作氯氟碳化合物（CFCs）的工业化学物质反应。这些化学物质现在已被禁止用于气溶胶喷雾剂和制冷剂，以免它们泄漏到大气中。南极的臭氧层空洞和北极上空较小的臭氧层空洞现在已经稳定下来。在极地以外的地区，臭氧只损耗了百分之几，尤其在热带地区根本探测不到。

臭氧浓度与全球平均温度之间没有直接联系。臭氧层被严重损耗会让生活变得不愉快，但这与气候变化或全球变暖几乎没有关系。行星对流层的温度是由低层大气吸收红外辐射的效率来控制的，因为可见光会使地面变暖，而变暖的地面会发出红外线辐射。大气的温度取决于两个因素：（1）它与地面接触时吸收的热量；（2）它能吸收地面反射的红外辐射的量。

大多数气体对红外辐射来说是透明的，但由两种或两种以上不同元素组成的分子吸收红外辐射的能力相当强。因此，氮（N2）、氧（O2）和氩（Ar）不吸收红外线，而水蒸气（H2O）、二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）和甲烷（CH4）则相反。行星大气对红外辐射的吸收就好比把热量困在温室里一样，被称为“温室效应”。在金星、地球和火星的大气层中存在着一种自然的温室效应。金星的大气温室效应使其表面温度保持在惊人的500℃以上，这主要是由于金星含有大量的二氧化碳。水蒸气和二氧化碳将地球温度加热至大约30℃。火星的大气层稀薄，富含二氧化碳，其温室效应仅到6℃左右。

地球的温室效应使地球的温度保持在一定范围内，以满足在这里生命进化的需要。在生命的调节下，地球温室效应的强度发生了变化，使地球的温度保持在合适的范围内。40亿年前，太阳的亮度只有今天的70%，所以如果那时地球的大气层和今天一样的话，地球会冷得多。但是，在40亿年前，地球的大气层的主要成分可能是二氧化碳，密度是今天的100倍，所以温室效应会更强。由于原始藻类的存在，地球大气层现在的二氧化碳含量下降到了大约5亿年前的十分之一左右，温室效应肯定也在下降。游离氧（O2）最早出现在22~27亿年前，在2~2。5亿年前达到峰值，浓度约为目前的170%。显然，地球上的生命不仅受大气成分变化的影响，而且还从中受益。

自然温室效应逐步降低抵消了太阳光度的缓慢增强。在自然温室效应普遍逐渐减弱的背景下，地球的气候发生了几次变化，冰河时代是其中最著名的例子。在冰河时代，大部分（甚至全部）的地表水都被冻结了。这些气候的变化与其说是由大气控制的，不如说是由地球轴倾角和轨道偏心的变化控制的，类似的效应可能解释了火星表面湿度随时间的剧烈变化。

云

云层具有很强的反射率，所以云层越厚，直接反射回太空的太阳能就越多。但是，多云的天空也增加了大气对阳光照射到地面的热量的吸收能力，因此云层对全球气温的影响是复杂的。金星上连绵不断的云层并没有使它的表面免受温室效应的加热影响。

当温度和压力使大气的某些成分凝结成液滴或冰粒时，云就形成了。就类地行星而言，形成云的相关成分通常是水。虽然水只占金星大气层的一小部分，但在距金星表面45~65千米的对流层顶部，有足够的水来形成一层连续的云。在那里，水蒸气凝结成直径约2微米的水滴，它们保持悬浮，因为太小无法下落，又被称为气溶胶。金星大气中的二氧化硫溶解在其中，这些水滴就变成了硫酸。但是，如果有人试图告诉你这是“在金星上下硫酸雨”，那他们就错了。无论这些水滴被大气环流拉到45千米以下的什么地方，热量都会使它们再次蒸发，而且它们永远没有机会变成大到足以落向地面的雨滴。

在地球的地表以上大约6千米处，云主要是由微小的冰粒子组成，而在这个高度以下，云的成分主要是水滴。雨云其实不是灰色的，只是看起来像罢了，这是因为雨云足够厚，可以遮挡许多的光。在火星上，云层相对稀少。在火星对流层的大多数地方，云层是由水冰构成的，但在对流层中间层边界附近约80千米处，我们观察到的是二氧化碳粒子云。

除了凝结成云，大气成分也可能在行星表面凝结成冰或**。地球是目前唯一拥有海洋的类地行星，而海洋当然是由水构成的。在行星的两极附近，水会被冻结形成极冠。年轻的金星可能曾经历过海洋覆盖星球的短暂纪元，在这之后，蒸发的水蒸气加剧了迅速增长的温室效应，导致了目前的干旱。这些水蒸气蒸发后会因为光解作用而消失。

但火星是不同的。有种说法是大约38亿年前，一个巨大的“北欧大洋”（OusBorealis）占据了火星上整个地势较低的北方平原，这在20世纪90年代风靡一时。目前虽存在争议，但许多人接受火星上可能有湖泊的观点。这些湖泊的面积如果足够大，比如在河道流动时期（图13），就被称为“海洋”，一些冰冻的遗迹甚至能保存下来，只是被灰尘覆盖（图10）。但毫无疑问的是，火星如今的极冠表面有冰存在（图16）。这些冰包括“永久”的水冰和随季节生长和收缩的二氧化碳冰霜。

图16　在早春（左）和盛夏（右）时，1500千米宽的火星北极冠照片。在夏天，大部分二氧化碳冰霜已经升华（从冰变成蒸汽），只留下残留的“永久”水冰冠

地球和火星的极冠会与大气相互作用。实际上，它们的极冠是大气中“冻结”的气体沉积物，要么以雪的形式从云层中落下，要么直接凝结在地面上。当温度升高时，极地冰冠中的物质会以先融化然后蒸发（地球上的水或过去火星上的水），或直接从冰升华为蒸汽（如今火星上的二氧化碳和水）返回大气中。

这样的循环不可能发生在像月球和水星这样没有大气的天体上，所以我们也不会指望在月球和水星上出现极地冰冠。但是在20世纪90年代，人们注意到从这两个天体两极附近的陨石坑内部的永久阴影区域反射出来的雷达信号强度不同寻常，与将水冰作为颗粒分散在风化层中反射的雷达信号一致。对此，一种可能的解释是：这些陨石坑的底部很寒冷，以至于任何游离的水分子都倾向于附着在它表面。

极冠的水不一定是这些天体自带的，它可能来自后来的彗星撞击。如果要在月球上建立一个人类殖民地，甚至只是一个永久使用的基地，能否在月球上找到水源至关重要。显然极地是寻找水源的最好选择。2009年，一艘宇宙飞船撞进了一直被阴影笼罩的一个极地陨石坑，抛射出的羽状物证实了月球上有水存在。其他航天器获得的红外光谱也显示出，水和水合矿物分散在月球上很多地区的风化层中，虽然浓度很小，但这让人们发现月球可能没有那么完全不适合居住。

循环

行星内部、表面和大气之间的相互作用，以及它们之间成分的循环是极其重要的。地球的“水文循环”是最常见的例子，它不是一个单一的循环，而是一系列相互连接的循环组合。从本质上说，海洋中的水蒸发形成云，然后凝结成雨或雪的形式，最终通过河流或季节性出现的极冠回到海洋中。水可以被吸入地球内部，通过地面的渗透进入俯冲带深处或浅一些的地方，并通过火山重新出现。水还可以与岩石发生化学反应（风化），并储存在矿物中。地球还有一个重要的“碳循环”，大气中的二氧化碳、活的动植物、溶解的二氧化碳、海洋石灰岩、碳氢化合物沉积物、火山气体等参与，它们之间形成了循环。

[1]　本书成书于2010年。

[2]　指风力作用形成、搬运、堆积的沙粒及沙丘。