天体化学

天体化学天体化学(Cosmochemistry)又称空间化学(SpaceChemistry)，主要研究宇宙空间化学元素及其同位素的起源与分布，各类天体的物质组成和化学演化，是空间科学、地球科学和天文学相互杂交渗透而产生的一门新兴学科。19世纪初对太阳光谱的拍摄和少量陨石的研究，开拓了对恒星和其他天体化学成分的研究，从而诞生了天体化学。20世纪50年代以来，相继发射了人造地球卫星和各种行星际空间探测器，对太阳系空间及各天体的磁场、大气层、表面物质特征、地质构造和内部结构进行了探测。太阳系空间和行星探测的丰硕成果，使天体化学产生了许多新的分支学科。自1969年Apollo登月计划实施以来，6次Apollo和3次Luna登月探测与取样，月球的综合研究使人类从整体上对月表、月壤、月岩、岩浆与火山活动、内部结构和演化历史以及地月系起源增添了许多新认识。对全世界已收集的2000多次降落的陨石和南极洲发现的16000多块陨石进行的多学科综合研究，对元素起源，太阳系物质来源，元素宇宙丰度，太阳星云凝聚过程，太阳系演化时间序列，宇宙线时空变化和生命前期有机质的化学演化都取得了许多新的实验证据与理论依据。20世纪60年代以来，前苏联、美国和欧洲宇航局先后对火星进行了20余次探测，发回了大量火星表面的照片。2004年1月25日美国“机遇号”火星探测车成功登陆火星，发现了火星上曾存在过水的证据，使得在火星上寻找生命的希望增大。并利用传感器探测了火星表层岩石的成分。第一张火星表面图片1976年7月20日，海盗1号探测器登陆火星拍摄到第一批火星照片，眼前是沙石遍地的场景。“哈勃”望远镜捕捉到的火星的全景图。图中的山谷和溪流证实火星上曾存在水？火星探测最重要的收获：让人们幻想可能存在大量的水甚至生命。“勇气号”火星探测器发回的照片，证明火星上曾经存在过水。“勇气号”在火星岩石Humphrey上打的一个洞。（一）、元素丰度元素丰度是指化学元素及其同位素(核素)在宇宙各类物体中的相对含量。空间化学测量探讨元素及其同位素在地球、月球、太阳系其它天体、太阳、恒星和宇宙线中的分布量，研究元素在各类天体中的丰度与分布规律是研究元素起源理论的依据，是解释各类天体演化过程的基础。一、元素的丰度和元素的起源地球化学、地球物理和比较行星地质学等学科的发展，推动了天体化学与地球科学的结合，使天体化学的研究领域在不断扩展，研究内容逐渐深化，研究手段日益更新，研究成果大量涌现，分支学科相继创立，天体化学已成为一门新兴的，综合性的基础科学。近十多年来，随着空间技术和实验室分析技术的迅速发展，对天体的观测已从地面发展延伸到空间探测，从可见光谱分析扩展到红外、紫外、射电、χ射线与γ射线波段和核素粒子的直接探测，对地外物质的元素和同位素丰度进行高精度测定，得到了更准确的元素与核素丰度。（二）太阳系丰度和宇宙丰度元素的太阳系丰度也称为宇宙丰度，系指整个太阳系的元素与同位素的原始丰度。这一丰度值是根据太阳光球的光谱测定和C1型碳质球粒陨石的分析得出的。因为C1型碳质球粒陨石最接近原始太阳星云的化学组成，它经历的化学分异过程最少，其挥发性元素丰度比各类陨石均高，与太阳的Na／Ca，S／Ca，Si／Ca丰度比值相等，其非挥发性元素的丰度可代表太阳系的元素丰度，且能给出光滑的核素丰度曲线。（三）核素的宇宙丰度特征核素的宇宙丰度具有如下特征：①氢和氦是丰度最高的两个元素，约占总原子数目的99％或总质量的97%；②随着原子质量数A的增大，元素的丰度逐渐减小，A＞100时丰度曲线的斜率显著减缓而Li、Be、B与相邻元素相比较丰度特别低；③A为偶数的元素较相邻的A为奇数的元素丰度大，A具有4的倍数的核素(如12C、16O、20Ne、40Ca等)较邻近元素的丰度大；④在所有元素中铁的结合能最大，因此A从50至70出现以56Fe最大的丰度峰，在A为80与90，130与138，196与208处丰度曲线出现双峰。二、元素的起源元素的起源是研究各种元素的形成过程、条件和合成的场所，及其在宇宙中的丰度分布量与规律。合理地解释核素丰度的特征是元素起源的理论的基础。早期提出的假说有：平衡过程假说，中子捕获假说，中子裂变假说等。现代元素起源理论综合了大爆炸宇宙学理论和恒星演化中通过各种核聚变、核反应逐步合成理论。宇宙大爆炸产生了两个丰度最大的核素1H和4He，以及少量的2H、3He和7Li，而大多数核素是在恒星内部的核过程中产生的，核合成类型与恒星演化过程密切相关。早一代恒星在其生命的后期将其新近合成和原有的核产物，抛回到星际空间，并入到星际气体和尘埃中，而新的恒星就是从这些气体和尘埃中产生的。由于太阳系的年龄远小于银河系的年龄，因此原始太阳星云必定已接受了太阳系形成前银河系中一代或多代恒星的核合成产物。三、太阳星云的化学演化为恢复太阳星云的初始成分，探讨元素在星云盘中的空间分布规律，欧阳自远曾对离太阳1～5AU范围内的行星及各类陨石的平均化学成分进行了综合比较，将元素的天体化学性划分为五组：亲石元素，亲铁元素，亲硫元素，亲气元素及太阳元素。由于各类元素在水星、金星、地球、月球、火星、木星以及在E、H、L、LL、C3、C2和C1等各类陨石中丰度的差异，和离太阳距离的不同，而呈现出各自的变化特征，由这些特征可以恢复太阳星云中元素的分布。1）难熔亲石元素的丰度(如Si，Mg、Zr、Hf、REE、Ca、Al、V、Ti、Nb、Ta、U、Th等)在地球、月球和普通球粒陨石形成区丰度略有增大；2）亲铁元素(如Fe、Co、Ni、Os、Ir、Ru、S、As、Se、Te、Cu、Pb、Zn、Ca、Ce、In、Tl、Bi等)的丰度则逐渐增大；3）C、N等元素丰度也随离太阳距离的增加而增大。太阳星云是太阳系的母体，它经历了极其复杂的演化过程才形成了目前的太阳系。了解太阳系的物质来源，太阳星云凝聚模式，是探讨太阳系内太阳、行星、卫星、慧星和陨石等天体起源的基础。四、太阳系的物质来源空间化学一方面根据地球、月球、各类陨石中稀土元素丰度模式对比，发现它们虽然在稀土元素含量上有较大差别，但稀土元素丰度模式近于一致，表明太阳星云分馏没有使稀土元素丰度模式变异，证明太阳系各成员来自同一团星云物质。另一方面，太阳、地球、火星、月球及各类陨石中元素的同位素组成是一致的，虽然这些天体经历过不同的演化过程，都经历过统一的同位素均匀化过程，因而太阳系各成员是同源的。自R．N．C1ayton等人在C2和C3型碳质球粒陨石的高温包体中发现氧同位素组成异常以来，相继发现Mg、Si、Ca、Sr、Ba、Nd、Sm及稀有气体同位素组成的异常，表明太阳星云凝聚时，可能有太阳系以外物质的加入，不仅造成了太阳星云中某些同位素的异常，也促进了太阳星云加速凝聚的过程。五、太阳星云的凝聚模式太阳星云由于自转加速，内部温度升高，中心形成原太阳，星云盘内的物质受到加热，使星云盘内的元素产生分馏。根据各类陨石和行星的化学成分，形成环境的研究认为，太阳星云盘内的各种元素，由于受到太阳光、热辐射和太阳风的驱动，因此使之沿径向呈现出丰度梯度和比值的规律变化，形成了物质在太阳系空间分布的不均匀性。由于太阳风的驱赶能力和物质的逃逸速度将随离太阳的距离的增加而减小，因而离太阳较近的部位，难熔元素较富集而挥发份较贫；在巨行星区则挥发组分富集而难熔元素匮乏；在外行星区不仅难熔元素贫乏，而且挥发性元素也大量丢失。星云盘内各种化学元素的分馏，导致了各行星的化学成分有明显的差异，也导致了各行星的大小、密度，甚至内部结构的不同。现有的太阳星云凝聚模型，按照它们对太阳星云化学成分的假定而划分为：(1)均一凝聚模型，即假定太阳星云化学成分是均一的，原始冷的星云由于受到加热而使物质气化、熔融，形成气体尘埃星云，再通过慢冷却或快冷却过程而使元素分馏和凝聚，因而又称为热凝聚模型；(2)非均一凝聚模型，即假定太阳星云化学成分是非均一的，可能是冷的星云物质直接凝聚形成太阳系各天体，故称为冷凝聚模型。在太阳系形成前不久，可能有一颗超新星在原太阳星云附近爆炸。该超新星的外层物质被抛入到星际介质中，同时伴随着大量元素合成，而这些新合成的元素也以固体颗粒或气体的形式进入到星际介质中。正是这些气体和尘埃组成的冷星云，由该超新星或邻近的另一颗超新星爆炸引起坍缩形成了太阳系。根据太阳系行星的主要参数与特征，太阳系的九大行星可划为内行星或类地行星(水星、金星、地球和火星)，外行星(土星、木星、天王星和海王星、冥王星)。详细的有关水星、金星、地球和火星的化学成分的模式分析表明：1）随着与太阳距离的增加，Fe、Co、Ni、Cr等组成行星核的元素逐渐减少；2）早期难熔元素(REE、Ti、W、Mo等)和形成壳幔为主的元素(Si、Mg、Al、Ca等)有增多的趋势。六、行星的化学组成与内部结构太阳星云中元素的分馏与凝聚，导致了各行星整体化学组成的差异。太阳星云中元素的分馏呈现出如下特征：随着与太阳距离的增加，(1)Fe、Co、Ni、Cr等组成行星核的元素逐渐减少；(2)早期凝聚的难熔元素，如REE、Ti、V、Th、U、Zr、Hf、Nb、Ta、W、Mo、Re、Pt等逐渐增多；(3)形成壳、幔为主的元素如Si、Mg、Al、Ca等也具有增多趋势；(4)亲铜和碱金属元素，在1~1.5AU范围内有增多趋势，随距离增大而丰度减小；(5)氧在远离太阳有增多特征，近太阳附近为还原环境，远离太阳各种凝聚物中氧化环境增加，铁的价态呈现出Fe0—Fe2+一Fe3+的变化；(6)挥发元素与亲气元素逐渐增多。按水星、金星、地球、火星的次序，行星核占行星总重量的百分比愈来愈小，FeO含量逐渐减少，而Fe3+含量逐渐增多。类地行星均具有壳、幔和核的内部结构，而巨行星及远日行星可能存在固态硅酸盐核。水星、金星、地球与火星的壳均由硅酸盐组成，其平均厚度分别为500km、100km、5~65km及200km；幔由Fe—Mg硅酸盐组成，厚度分别为200km、3000km、2900km及2000km。水星、金星与地球的核可能属铁—镍为主的核，半径分别约2000km、3000k和3470km，火星的核可能由Fe—FeS所组成。类木行星可能具有液态H2和He组成的层、高压液态氧和液态氢氧混合过渡层及氦海和液态金属氢区，可能具有固态硅酸盐核。一、概述陨石是指星子从行星际空间穿过大气层后到达地表的流星体残骸。陨石常以降落处或发现处命名。陨石的形态不一，大小各异，但其表面一般都有一层黑色的或深褐色的熔壳，这是陨石降落中与大气层摩擦产生高温表面熔化，再经冷却凝固而成的。七、陨石、星际气体与尘埃陨石是人类最早能够直接接触到地球外天体碎块。每天降落到地球表面的地外物质约l02一l05t，大约只有1％降落后可成为陨石。地球表面近3／4的面积被海洋覆盖，再加上荒无人烟的沙漠、高山和丛林，人类能观察和找到的陨石极少。当今陨石研究表明，绝大多数降落至地球的陨石来源于小行星带，小行星的碎块及崩解的慧星残核成为地球上的各类陨石；也有极少数来自其它天体。迄今为止，在南极地区已发现和证实有12块陨石来自月球表面；在南极和非南极区共发现有8块可能是来自于火星的陨石。陨石是空间化学研究的重点对象，具有重要的研究意义。因为一方面陨石是目前最易获取和数量最大的地外物质，另一方面它携带着有关太阳系的化学成分、起源与演化、有机质起源和太阳系空间环境等丰富的信息。通过对C1型碳质球粒陨石为代表的各类陨石化学成分和形成条件的研究，可以恢复太阳星云元素分布格局，揭示太阳星云的分馏过程。陨石同位素组成的研究有助于了解太阳星云的凝聚模式和太阳系的起源、演化问题；陨石中已发现的60多种有机化合物被认为是非生物合成的“前生物物质”，通过对它的人工模拟合成和理论解释，为探索生命前期化学演化过程开拓了新的途径。陨石母体在行星际空间中与宇宙线相互作用能产生60多种宇宙成因核素，对这些核素的研究可了解宇宙线的成分、能谱和通量等特征；通过对陨石中长寿命放射性核素组成的测定，可以提供元素起源、星云形成和凝聚以及行星形成和演化的时间尺度，给出整个太阳系形成