[拼音]:taiyangxi huaxue

[英文]:chemistry of the solar system

宇宙化学的一个重要分科,研究太阳系诸天体(太阳、行星、卫星、小行星、陨星和彗星等)的化学组成和物理-化学性质以及年代学和化学演化问题。太阳系化学与太阳系起源有密切关系。

十九世纪中叶以后发展起来的光谱分析广泛应用于测定太阳和行星大气的化学组成。1931~1933年,维尔特测得木星大气含有氨和甲烷,提出“类木行星”(木星、土星、天王星、海王星)由大量氢组成。五十年代初,H.布朗按密度和化学组成把太阳系天体分为三类:岩石物质的(类地行星及其卫星、小行星和流星体)、岩石-冰物质的(彗星和类木行星的卫星)、气物质的(太阳和类木行星)。美国天文学家柯伊伯和尤里注重研究太阳系起源的化学问题,特别注重陨石的化学分析结果。行星际航行开始后得到许多新资料,太阳系化学的研究进入活跃时期。

太阳系的化学组成

从太阳光谱和太阳风的研究得知太阳外部的化学组成。从陨石的研究得知,C1型碳质球粒陨石中难挥发元素的丰度与太阳一致。木星和太阳的平均密度很接近,而且木星上也有十分丰富的氢和氦。根据这些事实,一般认为当初形成太阳系的原始星云的化学组成与今天太阳外部的化学组成是相同的,各个行星和卫星及其他天体在化学组成上的差异是星云中化学分馏的结果。

太阳系年龄和温度

地球和其他行星已经历过显著变质过程,难于得到它们形成和演化早期的化学资料;月球和卫星的变质程度较小,它们保留一些早期的特征;小天体(小行星、陨星、彗星)没有多大的变质,它们保留了太阳系早期的资讯。同位素年代测定得知,地球上最古老物质的年龄为45.6亿年,月球的古老岩石的年龄为46.5±0.5亿年,而陨星年龄达47亿年,一般认为太阳系年龄大于46亿年,由同位素含量定出太阳系年龄上限为 54±4亿年。从挥发性痕量元素及18O/16O同位素含量比率定出普通球粒陨石的吸积温度一般为450±50K,定出月球的吸积温度为450~500K(也有人定为620K),推出地球的吸积温度约为540K,这表明它们形成时的温度比现在高些。

化学凝聚模型

刘易斯等人研究了星云说的化学过程,在星云的密度、压力和化学组成条件下,主要由温度决定星云各部分的化学分馏过程,从而导致行星及卫星的性质差异。有两种截然不同的模型:

(1)平衡凝聚模型,假定凝聚物相与气体相之间以及凝聚物之间在热力学平衡条件下发生反应,产生的化学成分是热力学的“态函式”;

(2)非平衡凝聚模型,气体相与凝聚物相之间以及凝聚物之间不发生反应。两种模型的生成物是不同的。实际的凝聚过程可能介于上述两种模型之间。计算表明,平衡凝聚模型可以较满意地说明类地行星的性质,例如,由这一模型计算得出的类地行星的密度与观测符合,而按非平衡凝聚模型计算得出的结果则与观测不符合。星云内部离太阳越远处,温度越低,因而各行星区凝聚物的成分和含量各不相同。水星主要由难熔金属矿物、铁镍合金和少量顽辉石组成;金星除含上述这些成分外,还含钾(或钠)铝矽酸盐,但不含水。地球还含有透闪石、一些含水矽酸盐和三种形式的铁(金属铁、FeO、FeS),其中的金属铁和FeS形成了低熔点混合物,在放射加热下熔化、分异,形成早期地核。火星含有更多的含水矽酸盐,金属铁已完全氧化为FeO或FeS,以致没有金属铁的核。小行星含有各种岩石矿物,但小行星区的冰物质(水冰、氨冰、甲烷冰)尚未凝聚。小行星区以外,各种冰物质依次凝聚,因而木星和木星以外的行星有岩石和冰物质混合物的固态核,木星和土星固态核质量大,引力强,能够吸积气体(主要是氢、氦),形成它们的金属氢中间层和液态分子氢的外层,因而它们的平均密度小。它们吸积气体和形成大气过程可用非平衡凝聚模型来描述,但对这两颗行星本体的形成过程还不能肯定究竟哪种模型适用。

上述凝聚模型都是与原始星云中出现高温条件相联络的。近年来发现陨石中含有上述模型所不能解释的化学组成和同位素异常,有人强调恒星际物质中化学分馏(前凝聚物质)是太阳系初始化学态的关键,提出太阳星云的冷凝聚模型来解释这种异常。这种模型认为,恒星际物质中有三类尘埃:

(1)超新星爆发形成的热凝聚物;

(2)其他恒星损失掉的热凝聚物;

(3)星云的非热化合物。太阳系不经过热凝聚序,而是由冷的恒星际物质直接形成。此外,阿尔文和阿亨尼研究了星云物质的等离子体和磁流体过程。

陨星和月球的化学演化研究,近年来已经取得了重大成果。

有机物

一方面在陨石中已发现有烷烃、氨基酸等有机物,在彗星中发现了乙腈和氰化氢;另一方面在实验室中模拟原始星云条件,由CO和H2催化裂化反应制成了与陨石中的物质十分相似的烷烃异构物。这称为 FTT(Fischer-Tropsch Type)反应,也能生成其他有机物。这些发现和研究成果对于探讨有机物的形成过程并进而研究生命的起源问题有著十分重要的价值。

参考书目

J.S.Lewis, Chemistry oftheSolarSystem,Scientific American,Vol.230,No.51,1974.

H.AlfvenandG.Arrhenius,Evolutionofthe Solar System,NASA,Washington,1976.

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