2010年7月29日

大氣與海洋—談系內行星的演化

作者/劉玲根(曾任職中央研究院地球科學研究所)

行星的演化不完全取決於它所經歷的歲月,星體冷卻的快慢更是另一要件。本文探討太陽系內四個行星的大氣與海洋形成,以及地球為何如此與眾不同。

在今天,金星和火星的大氣十分雷同,而位居二者間的地球大氣,卻截然不同。此外,海洋也只存在於地球表面。究竟是什麼原因呢?簡單來說,各行星間不同的大氣和海洋,是由各自大小不同的質量和衍生的冷卻演化所致。而地球特有的大氣和海洋,則是導因於一次「大撞擊造月」的意外。

問題:地球不一樣嗎?

太陽系的內行星包含有水星、金星、地球和火星。其中水星的生涯較為坎坷,而且也沒有大氣和海洋。

假設在浩瀚的宇宙間,金星、地球和火星是由類似的固態物質(如含水礦物和碳酸鹽等)、經由類似的過程所匯聚(accreted)而形成的。這個假設是十分合理且極有可能,而且若果真如此,這三個內行星的大氣和海洋應當十分相同或類似。然而,今天金星和火星的大氣是由大於95%的二氧化碳所組成,和由氮及氧組成的地球大氣完全不同;不但大氣的組成不同,質量只有地球80%的金星,其大氣壓力也比地球大出90餘倍。再者,在內行星中,也只有地球表面存在著海洋。地球位居金星和火星之間,而且也不是相隔很遠,為何它們的大氣和海洋會有如此大的差異呢?

在提出本文作者的模型和理論之前,我們先簡單地回顧一下科學文獻中對這一類課題的說法(通俗的說法,如盤古開天闢地和雨水由龍在雲端灑下等,都不在本文的範疇內)。因為內行星的質量都不是很大,所以它們(水星除外)的大氣不太可能是在行星匯聚成長之後,再由外太空的氣體物質附加形成;它們的大氣應該是源自於組成內行星的固態原始物質。而例外的水星是內行星中質量最小的,本不應有所謂的大氣,但在它極稀薄的大氣中卻含有氫、氦兩種氣體。這是因為水星靠近太陽,它的大氣是由太陽風吹過來(即外加上去的)而形成的。

關於內行星大氣和海洋的來源有許多說法,但其實主要都是針對地球,並且大氣和海洋常同出一源。現在將幾個不同說法簡列如下:

一、地球成長後,它的大氣和海洋均由內部經「放氣」過程累積而成的。

二、地球的大氣和海洋均由一個原始存在的大氣分化而來,而這個原始大氣是在地球匯聚過程中一起成長的。

三、海洋是在地球早期的時候,由相當於今日海洋總量的一顆「冰月亮」撞擊而成。

四、海洋是由太陽系內的許多像小彗星的「髒雪球」不斷撞擊而成的。

第一和第二種說法的詳細過程,在科學文獻中說得也不多,甚至海洋是在地球早期或晚期、一次或漸增而形成的說法也莫衷一是。第三種說法,更是形同沒說一樣。而第四種說法,則是當今較流行和較被接受的。不過在這種說法中,太陽系內的髒雪球似乎是長眼睛的,它們專找地球撞擊,而對地球一前一後的金星和火星不感興趣。當然有人認為,火星曾經也擁有過海洋,只不過現在不見了。至於金星呢?那是因為髒雪球只存在於金星以外的太陽系中。【更詳細的內容,請參閱第487期科學月刊】

註:本文是作者根據其發表的文章改寫而來。原文標題為Origin and early evolution of the atmospheres and oceans on the terrestrial planets ,載於J. H. Denis 和P. D. Aldridge所編的Space Exploration Research一書中。

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