行星大气研究进展综述

行星大气研究进展综述胡永云1北京大学物理学院宅大气与海洋科学系田丰清华大学地球系统科学研究中心刘钧钧加州理工学院，地质与行星科学学部通讯作者：yyhu@pku.edu.cn1/60

1 / 60 行星大气研究进展综述 胡永云1 北京大学 物理学院 大气与海洋科学系 田丰 清华大学 地球系统科学研究中心 刘钧钧 加州理工学院，地质与行星科学学部 1通讯作者：yyhu@pku.edu.cn

摘要在美欧等国家，行星大气科学早已成为了一门独立的学科，并有众多独立的人才培养和研究机构，而在我国，行星大气科学教育和研究还基本是一个空白。在这篇综述论文里，我们将简要但全面地总结行星大气科学的基本知识、目前国际上的研究动态和发展方向，以及近几年来迅速发展的太阳系外行星大气研究。我们将重点强调行星大气科学进展的两个层面：基础科学研究和探测技术。在科学层面，行星大气科学有其自成一体的知识体系，同时也是地球大气科学和天文学的交领域，它也是地球大气科学的很好参照。在技术层面，行星大气科学将带动星际通讯、大型计算、卫星遥感、太空探测技术和耐高（低）温材料的研发等。此外，我们还将给出一些国家关于行星大气科学的主要人才培养机构、科研机构和世界各国已发射的关于行星大气的主要探测项目。据此，我们呼吁我国行星大气科学研究的开展和相关的人才培养基地的建立是一项刻不容缓的任务关键词：行星大气、太空探测、金星、火星、木星2/60

2 / 60 摘要 在美欧等国家，行星大气科学早已成为了一门独立的学科，并有众多独立的 人才培养和研究机构，而在我国，行星大气科学教育和研究还基本是一个空白。 在这篇综述论文里，我们将简要但全面地总结行星大气科学的基本知识、目前国 际上的研究动态和发展方向，以及近几年来迅速发展的太阳系外行星大气研究。 我们将重点强调行星大气科学进展的两个层面：基础科学研究和探测技术。在科 学层面，行星大气科学有其自成一体的知识体系，同时也是地球大气科学和天文 学的交叉领域，它也是地球大气科学的很好参照。在技术层面，行星大气科学将 带动星际通讯、大型计算、卫星遥感、太空探测技术和耐高（低）温材料的研发 等。此外，我们还将给出一些国家关于行星大气科学的主要人才培养机构、科研 机构和世界各国已发射的关于行星大气的主要探测项目。据此，我们呼吁我国行 星大气科学研究的开展和相关的人才培养基地的建立是一项刻不容缓的任务。 关键词：行星大气、太空探测、金星、火星、木星

1、引言在太阳系的8大行星中，除了距离太阳最近的水星只有极为稀薄的大气之外，其它7大行星均有大气层。另外，木星和土星的一些卫星也具有大气层（如土卫六、木卫一等）。这些行星大气的化学成分、物理特性和运动特征既具有共性，又各不相同。研究行星大气有助于我们理解地球大气的起源、演化和现代人类生存环境的变化和稳定性。通过对其它星球气候变化的研究，尤其是金星和火星气候变化的研究，也将有助于我们理解地球历史气候演化以及目前所关心的全球气候变化问题，还将有助于我们理解地球生命的起源和演化以及地外生命存在的可能性。研究行星大气的物理、化学、动力学、气象学、光化学、太阳风和磁层大气相互作用、火星系统对太阳周期的反应和在火星极端条件下的温室效应都可以大大加深人类对地球系统科学的认知。行星大气科学最早起源于天文学。当天文学的主要研究兴趣从太阳系转向外太空之后，行星大气科学便逐步与地球大气科学相结合，通过与地球大气研究相比较成为一门独立的学科。在欧美等许多国家，行星大气科学早已作为一门独立的学科普遍存在于高等院校和专门研究机构。表1给出的是不完全统计的欧、美和日本主要高校和研究机构所拥有的行星大气科学系和研究机构。可以看出，这些国家的一流大学均设有行星大气科学系或专业，说明行星大气科学是属于国际前沿的基础研究领域。美国宇航局（NASA）是美国行星和太空科学研究的专门机构，于1958年7月29日成立，现拥有一系列的研究院/所。近年来，欧洲行星探测技术和行星科学基础研究的发展非常迅速。与美国NASA相对应的机构是欧盟的欧空局（EuropeanSpaceAgency，ESA），ESA于1975年成立，近年发射了针对金星的探测器。日本的行星大气研究在近年来发展也很快，成立了太空探测署（JapanAerospaceExplorationAgency，JAXA），日本的许多大学都设有行星科学系或专业。与美、欧和日本等国家相比较，我国在行星大气科学研究领域基本是空白。目前，我国还没有专门的行星大气研究机构，国家自然科学基金委虽然列有行星大气研究方向，但几乎没有人申报该研究方向的科研项目。在我国各高等院校中，也没有行星大气科学专业，在教育部所列出的各学科方向中，没有行星大气学科。行星科学或行星大气科学是连接地球科学与天文学的桥梁。在我国，地球科学和天文学都有相对完善的研究机构和教育机构，但唯独缺少了行星3/60

3 / 60 1、 引言 在太阳系的 8 大行星中，除了距离太阳最近的水星只有极为稀薄的大气之外， 其它 7 大行星均有大气层。另外，木星和土星的一些卫星也具有大气层（如土卫 六、木卫一等）。这些行星大气的化学成分、物理特性和运动特征既具有共性， 又各不相同。研究行星大气有助于我们理解地球大气的起源、演化和现代人类生 存环境的变化和稳定性。通过对其它星球气候变化的研究，尤其是金星和火星气 候变化的研究，也将有助于我们理解地球历史气候演化以及目前所关心的全球气 候变化问题，还将有助于我们理解地球生命的起源和演化以及地外生命存在的可 能性。研究行星大气的物理、化学、动力学、气象学、光化学、太阳风和磁层/ 大气相互作用、火星系统对太阳周期的反应和在火星极端条件下的温室效应都可 以大大加深人类对地球系统科学的认知。 行星大气科学最早起源于天文学。当天文学的主要研究兴趣从太阳系转向外 太空之后，行星大气科学便逐步与地球大气科学相结合，通过与地球大气研究相 比较成为一门独立的学科。在欧美等许多国家，行星大气科学早已作为一门独立 的学科普遍存在于高等院校和专门研究机构。表 1 给出的是不完全统计的欧、美 和日本主要高校和研究机构所拥有的行星大气科学系和研究机构。可以看出，这 些国家的一流大学均设有行星大气科学系或专业，说明行星大气科学是属于国际 前沿的基础研究领域。美国宇航局（NASA）是美国行星和太空科学研究的专门 机构，于 1958 年 7 月 29 日成立，现拥有一系列的研究院/所。近年来，欧洲行 星探测技术和行星科学基础研究的发展非常迅速。与美国 NASA 相对应的机构 是欧盟的欧空局（European Space Agency，ESA），ESA 于 1975 年成立，近年发 射了针对金星的探测器。日本的行星大气研究在近年来发展也很快，成立了太空 探测署（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA），日本的许多大学都设有行星 科学系或专业。与美、欧和日本等国家相比较，我国在行星大气科学研究领域基 本是空白。目前，我国还没有专门的行星大气研究机构，国家自然科学基金委虽 然列有行星大气研究方向，但几乎没有人申报该研究方向的科研项目。在我国各 高等院校中，也没有行星大气科学专业，在教育部所列出的各学科方向中，没有 行星大气学科。行星科学或行星大气科学是连接地球科学与天文学的桥梁。在我 国，地球科学和天文学都有相对完善的研究机构和教育机构，但唯独缺少了行星

科学或行星大气科学这一重要的桥梁。因此，在我国研究机构和高校中尽快建立行星大气的教育和研究机构并开始人才培养是一项非常迫切的任务。行星大气科学研究不仅具有重要的基础科学意义，也具有极为重要的国防意义。近代行星大气科学的发展一方面是由于科学家们的科学兴趣驱动的，另一方面也与美国和前苏联的冷战时期的军备竞赛密切相关，近代大规模的行星探测和研究主要起源于美国和前苏的冷战竞争（见参考文献：世界各国月球和行星探测项自时间表网员。与行星大气有关的主要探测项自可参见表2）。自从前苏联在1957年10月4日发射第一颗人造卫星开始，美苏之间的太空竞赛日趋白热化，这种竞争一直持续到前苏联在上个世纪90年代初解体。两者的竞争首先围绕登月，其次是金星探测，然后是火星探测。在前苏联太空项目无以为继之后，美国继续开展了一系列行星探测研究，对太阳系除地球之外的其他7大行星进行了广泛和系统的探测和研究。美苏之间太空竞赛的主要目的并不是为了基础科学研究，而是军备技术和政治层面的竞争。即使在冷战后的和平年代，对太空技术发展及其在军事方面应用的强调和重视仍然是行星探测的首要目的，而科学层面的意义则是相对次要的。因此，发展行星科学对促进我国高科技的发展及其在国防方面的应用也是极为重要的。本综述文章将只集中在行星大气学科的科学层面，不涉及该学科对提升高科技发展及其应用的方面。本文分为以下几个部分：我们将首先简要综述行星大气的起源、演化，概述除地球和水星之外的其它6大行星的大气基本特征：其次，我们将分别综述各个行星大气的研究进展、最新研究动向、未来发展方向以及与行星大气相关的主要行星探测项目：除此之外，我们还将简要介绍最近几年新兴起的太阳系外行星（简称系外行星）大气的研究进展。最后，我们对行星大气科学研究提出展望，并结合我国的情况给出一些建议。2、太阳系行星大气的起源和演化2.1行星大气的起源如图1所示，太阳系的8颗行星大致可以分为两大类：靠近太阳的4颗行星（水星、金星、地球、火星）是固态星球，它们的体积和质量相对较小，外围的4颗行星（木星、土星、天王星和海王星）是气态星球，它们的体积和质量都较4/60

4 / 60 科学或行星大气科学这一重要的桥梁。因此，在我国研究机构和高校中尽快建立 行星大气的教育和研究机构并开始人才培养是一项非常迫切的任务。 行星大气科学研究不仅具有重要的基础科学意义，也具有极为重要的国防意 义。近代行星大气科学的发展一方面是由于科学家们的科学兴趣驱动的，另一方 面也与美国和前苏联的冷战时期的军备竞赛密切相关，近代大规模的行星探测和 研究主要起源于美国和前苏的冷战竞争（见参考文献：世界各国月球和行星探测 项目时间表网页。与行星大气有关的主要探测项目可参见表 2）。自从前苏联在 1957 年 10 月 4 日发射第一颗人造卫星开始，美苏之间的太空竞赛日趋白热化， 这种竞争一直持续到前苏联在上个世纪 90 年代初解体。两者的竞争首先围绕登 月，其次是金星探测，然后是火星探测。在前苏联太空项目无以为继之后，美国 继续开展了一系列行星探测研究，对太阳系除地球之外的其他 7 大行星进行了广 泛和系统的探测和研究。美苏之间太空竞赛的主要目的并不是为了基础科学研 究，而是军备技术和政治层面的竞争。即使在冷战后的和平年代，对太空技术发 展及其在军事方面应用的强调和重视仍然是行星探测的首要目的，而科学层面的 意义则是相对次要的。因此，发展行星科学对促进我国高科技的发展及其在国防 方面的应用也是极为重要的。 本综述文章将只集中在行星大气学科的科学层面，不涉及该学科对提升高科 技发展及其应用的方面。本文分为以下几个部分：我们将首先简要综述行星大气 的起源、演化，概述除地球和水星之外的其它 6 大行星的大气基本特征；其次， 我们将分别综述各个行星大气的研究进展、最新研究动向、未来发展方向以及与 行星大气相关的主要行星探测项目；除此之外，我们还将简要介绍最近几年新兴 起的太阳系外行星（简称系外行星）大气的研究进展。最后，我们对行星大气科 学研究提出展望，并结合我国的情况给出一些建议。 2、 太阳系行星大气的起源和演化 2.1 行星大气的起源 如图 1 所示，太阳系的 8 颗行星大致可以分为两大类：靠近太阳的 4 颗行星 （水星、金星、地球、火星）是固态星球，它们的体积和质量相对较小，外围的 4 颗行星（木星、土星、天王星和海王星）是气态星球，它们的体积和质量都较

内侧的固态星球大得多（胡永云和田丰，2013）。例如，木星的质量大约是地球的318倍，而其体积是地球的1300倍（太阳系行星以及土卫六的基本物理参数参见表3）。固态星球和气态星球大气成分截然不同（见表4）。在内围的固态星球中，金星和火星的主要大气成分都是二氧化碳（CO2），而地球的主要大气成分是氮气（N2）和氧气（O2）。外围4个气态星球的主要大气成分都是氢气（H2）和氨气（He）。为什么靠近太阳的行星是固态星球，而外围的是气态星球？为什么固态星球与气态星球的大气成分截然不同？这涉及到行星形成的基本问题，详细的论述可参见教科书《PlanetarySciences》（dePaterandLissauer，2010）。简单地讲，在太阳系形成之初，距离太阳较近的范围温度较高，易气化的物质都在高温下挥发，仅留下岩石和金属性的物质，这些密度较大的物质经碰并逐步汇集形成了固态行星，一些分子量较大的气态物质也储存在固态行星内部，这些气态物质逐步从固态星球内部，后来通过地质活动释放出来，形成固态星球的大气层。而太阳系外围的温度相对较低，水和其它气体以固态存在，如冰或含冰的物质，这些物质形成气态星球的核，当这些星球的质量快速增长到其引力可以吸引住周围分子量较低的气体（如氢和氢）时，便形成巨型气态星球。宇宙大爆炸产生的主要成分是H和He，它们构成了这些气态星球的大气层。固态和气态星球的范围由所谓的“雪线”（Snowline）分离开来。在太阳系，“雪线”位于火星和木星之间，正好是固态和气态星球的分界线。2.2行星大气的演化宇宙大爆炸所形成的主要成分是H2和He，它们是宇宙最具丰度的物质，占宇宙总量的99%。所以，行星的原始大气成分主要都应该是H，和He。固态和气态行星之所以在今天有着截然不同的化学成分，是因为行星大气的化学成分处于不断的演化过程中。在行星的演化过程中，太阳系外围一些较小的固态天体曾经频繁地撞击固态行星，这些撞击可能给固态行星带来气体和水，也可能造成固态行星失去其原始大气和水。固态行星还可以通过其它热力、动力、物理、化学过程改变其大气成分。这些过程包括：大气逃逸、大气成分凝结或凝固沉降到地面、大气成分与地面物质发生化学反应、生物化学反应等。太阳风侵蚀是造成固态行星早期大气逃逸和演化的主要机制之一。在太阳形5/60

5 / 60 内侧的固态星球大得多（胡永云和田丰，2013）。例如，木星的质量大约是地球 的 318 倍，而其体积是地球的 1300 倍（太阳系行星以及土卫六的基本物理参数 参见表 3）。固态星球和气态星球大气成分截然不同（见表 4）。在内围的固态星 球中，金星和火星的主要大气成分都是二氧化碳（CO2），而地球的主要大气成 分是氮气（N2）和氧气（O2）。外围 4 个气态星球的主要大气成分都是氢气（H2） 和氦气（He）。为什么靠近太阳的行星是固态星球，而外围的是气态星球？为什 么固态星球与气态星球的大气成分截然不同？这涉及到行星形成的基本问题，详 细的论述可参见教科书《Planetary Sciences》（de Pater and Lissauer，2010）。简单 地讲，在太阳系形成之初，距离太阳较近的范围温度较高，易气化的物质都在高 温下挥发，仅留下岩石和金属性的物质，这些密度较大的物质经碰并逐步汇集形 成了固态行星，一些分子量较大的气态物质也储存在固态行星内部，这些气态物 质逐步从固态星球内部，后来通过地质活动释放出来，形成固态星球的大气层。 而太阳系外围的温度相对较低，水和其它气体以固态存在，如冰或含冰的物质， 这些物质形成气态星球的核，当这些星球的质量快速增长到其引力可以吸引住周 围分子量较低的气体（如氢和氦）时，便形成巨型气态星球。宇宙大爆炸产生的 主要成分是 H2 和 He，它们构成了这些气态星球的大气层。固态和气态星球的范 围由所谓的“雪线”（Snow line）分离开来。在太阳系，“雪线”位于火星和木星 之间，正好是固态和气态星球的分界线。 2.2 行星大气的演化 宇宙大爆炸所形成的主要成分是 H2 和 He，它们是宇宙最具丰度的物质，占 宇宙总量的 99%。所以，行星的原始大气成分主要都应该是 H2 和 He。固态和气 态行星之所以在今天有着截然不同的化学成分，是因为行星大气的化学成分处于 不断的演化过程中。在行星的演化过程中，太阳系外围一些较小的固态天体曾经 频繁地撞击固态行星，这些撞击可能给固态行星带来气体和水，也可能造成固态 行星失去其原始大气和水。固态行星还可以通过其它热力、动力、物理、化学过 程改变其大气成分。这些过程包括：大气逃逸、大气成分凝结或凝固沉降到地面、 大气成分与地面物质发生化学反应、生物化学反应等。 太阳风侵蚀是造成固态行星早期大气逃逸和演化的主要机制之一。在太阳形

成的早期，太阳风比现在要强烈得多，足以在较短的时间内（估计在千万年时间尺度内）卷走固态星球早期的原始大气（H2和He），这也是为什么太阳系内侧固态星球大气中缺少原始大气成分的重要原因。水星之所以几乎没有大气层，其较小的质量和受较强的太阳风影响应是主要原因。尽管太阳风强度随时间在不断地减弱，但对于没有磁场屏蔽太阳风的行星如金星和火星仍有很大的影响。即使今天，太阳风仍具有足够的能量造成金星和火星大气的逃逸。早期太阳的超紫外辐射很强，而较强的超紫外辐射可以造成大气动力逃逸，这一过程不受行星磁场的影响，因此，动力逃逸是影响有磁场的固态行星早期大气演化的重要机制。除太阳风侵蚀和大气动力逃逸之外，行星高层大气的热力学、化学和粒子碰撞过程都可能造成固态行星大气逃逸。行星原始大气逃逸之后，固态星球的次生大气成分应主要由行星的内部排气和逃逸来决定。从理论上来讲，金星、地球和火星应具有类似的次生大气成分，因为它们固体成分大致是类似的。什么原因造成地球大气的化学成分与金星和火星如此不同？首先，行星的质量以及行星与太阳的距离都影响次生大气的逃逸率。火星的质量太小，不足以吸引大量的次生大气，这被认为是火星大气比地球和金星大气稀薄的多重要原因之一。其次，还有两个因素起着关键的作用：一个是地球有液态水，另一个是地球有生命存在。在液态水的作用下，固态星球大气中的CO2可以形成弱的碳酸，并与地表岩石（如硅酸盐岩石等）发生化学反应（风化反应），最终形成碳酸岩沉降到地表和海底：地球内部的碳酸岩在高温作用下分解出CO2，并通过地质过程（火山、大洋中脊等）使得CO2重新进入大气中，这就是所谓的碳酸盐-硅酸盐之间的循环。地球大气正是由于这一循环的存在使目前大气COz维持在400ppmv的水平。与地球不同的是，金星至少在最近二、三十亿年都没有液态水存在，所以，行星内部释放的CO2都保留在了大气中，从而形成了很高浓度的CO2。另外，铁的氧化（生锈）和硫化物循环也属于这种类型的化学反应。一般认为，地球早期大气是还原性的，并没有氧存在，因为那时地表和水圈还存在大量的还原性铁，即使水的光解可以产生部分氧气，也很容易与铁发生化学反应。直到地表中的铁沉降到地球深层，而且水圈中的还原性铁全部被氧化了之后，地球大气才有可能存在氧气。与金星和火星大气相比，地球大气之所以具有丰富的氧气，是因为地球上有生命存在，生物的光合作用降6/60

6 / 60 成的早期，太阳风比现在要强烈得多，足以在较短的时间内（估计在千万年时间 尺度内）卷走固态星球早期的原始大气（H2 和 He），这也是为什么太阳系内侧 固态星球大气中缺少原始大气成分的重要原因。水星之所以几乎没有大气层，其 较小的质量和受较强的太阳风影响应是主要原因。尽管太阳风强度随时间在不断 地减弱，但对于没有磁场屏蔽太阳风的行星如金星和火星仍有很大的影响。即使 今天，太阳风仍具有足够的能量造成金星和火星大气的逃逸。早期太阳的超紫外 辐射很强，而较强的超紫外辐射可以造成大气动力逃逸，这一过程不受行星磁场 的影响，因此，动力逃逸是影响有磁场的固态行星早期大气演化的重要机制。除 太阳风侵蚀和大气动力逃逸之外，行星高层大气的热力学、化学和粒子碰撞过程 都可能造成固态行星大气逃逸。 行星原始大气逃逸之后，固态星球的次生大气成分应主要由行星的内部排气 和逃逸来决定。从理论上来讲，金星、地球和火星应具有类似的次生大气成分， 因为它们固体成分大致是类似的。什么原因造成地球大气的化学成分与金星和火 星如此不同？首先，行星的质量以及行星与太阳的距离都影响次生大气的逃逸 率。火星的质量太小，不足以吸引大量的次生大气，这被认为是火星大气比地球 和金星大气稀薄的多重要原因之一。其次，还有两个因素起着关键的作用：一个 是地球有液态水，另一个是地球有生命存在。在液态水的作用下，固态星球大气 中的 CO2 可以形成弱的碳酸，并与地表岩石（如硅酸盐岩石等）发生化学反应 （风化反应），最终形成碳酸岩沉降到地表和海底；地球内部的碳酸岩在高温作 用下分解出 CO2，并通过地质过程（火山、大洋中脊等）使得 CO2 重新进入大 气中，这就是所谓的碳酸盐-硅酸盐之间的循环。地球大气正是由于这一循环的 存在使目前大气 CO2 维持在 400 ppmv 的水平。与地球不同的是，金星至少在最 近二、三十亿年都没有液态水存在，所以，行星内部释放的 CO2 都保留在了大 气中，从而形成了很高浓度的 CO2。另外，铁的氧化（生锈）和硫化物循环也属 于这种类型的化学反应。一般认为，地球早期大气是还原性的，并没有氧存在， 因为那时地表和水圈还存在大量的还原性铁，即使水的光解可以产生部分氧气， 也很容易与铁发生化学反应。直到地表中的铁沉降到地球深层，而且水圈中的还 原性铁全部被氧化了之后，地球大气才有可能存在氧气。与金星和火星大气相比， 地球大气之所以具有丰富的氧气，是因为地球上有生命存在，生物的光合作用降

低大气中的CO2，产生氧气。因此，生物化学反应也是行大气演化一个重要因素。2.3固态星球的气候演化伴随着固态星球的大气演化，这些星球的气候环境也发生了剧烈的变化。有证据表明在30亿年前，金星、地球、火星表面都有液态水存在，但这三个星球现代的气候环境却截然不同。现在，金星表面极端炎热，其表面平均温度大约是730K，而火星则极端寒冷，大约是220K，只有地球的表面温度仍然处于液态水存在的范围内，并且适宜生命存在。什么原因导致了这些行星的气候和大气朝着截然不同的和不可逆的方向演化/气候变化？为什么地球气候系统是一个充满活力的系统？气候演变和生命演化的关系是什么？这些问题一直是行星气候演化的根本问题，也与理解地球气候变化密切相关。关于金星的气候演化，目前被广泛接受的理论是，在金星的早期，太阳比现在昏暗，也就是太阳的辐照度较现在小得多，在30亿年前，太阳的辐照度只是现在的70%，所以，金星表面可以存在液态水，金星的大气与地球类似。但随着太阳的亮度（辐照度）增强，金星表面温度逐渐升高，当表面温度超过温室逃逸的阈值（粗略的估计是340K），在水汽正反馈的作用下，液态水被完全蒸发并进入大气中高层。在太阳紫外辐射的作用下，水汽光解，氢原子由于分子质量较小，很容易达到逃逸速度，因此逃逸到太空。一个有力的证据是金星大气中氢同位素氛与氢的比例是200:1（地球大气中两者的比例大约是2:1），意味着较轻的氢同位素比较重逃逸更多，说明了金星大气中确实存在水光解和氢大量逃逸的事实。金星大气的温室逃逸问题一直是进行大气的研究热点（Ingersoll，1969Pierrehumbert,2011)当金星的液态水完全蒸发之后，金星大气和地表缺乏水循环。在没有液态水的环境下，大气中的CO2无法与地表岩石发生风化反应，其结果是火山喷发出的CO2完全累积在金星大气中，使得金星大气中CO2的分压高达90个大气压。图2很好地展示了在没有液态水的条件下，金星大气缺乏有效的循环机制来稳定金星的气候。CO2一旦由于火山爆发而被喷发到大气中，它将永久性地留在大气中；水汽一旦被光解，氢原子将永久性地逃逸到太空，氧则与其它物质发生化学7/60

7 / 60 低大气中的 CO2，产生氧气。因此，生物化学反应也是行星大气演化一个重要因 素。 2.3 固态星球的气候演化 伴随着固态星球的大气演化，这些星球的气候环境也发生了剧烈的变化。有 证据表明在 30 亿年前，金星、地球、火星表面都有液态水存在，但这三个星球 现代的气候环境却截然不同。现在，金星表面极端炎热，其表面平均温度大约是 730 K，而火星则极端寒冷，大约是 220 K，只有地球的表面温度仍然处于液态 水存在的范围内，并且适宜生命存在。什么原因导致了这些行星的气候和大气朝 着截然不同的和不可逆的方向演化/气候变化？为什么地球气候系统是一个充满 活力的系统？气候演变和生命演化的关系是什么？这些问题一直是行星气候演 化的根本问题，也与理解地球气候变化密切相关。 关于金星的气候演化，目前被广泛接受的理论是，在金星的早期，太阳比现 在昏暗，也就是太阳的辐照度较现在小得多，在 30 亿年前，太阳的辐照度只是 现在的 70%，所以，金星表面可以存在液态水，金星的大气与地球类似。但随着 太阳的亮度（辐照度）增强，金星表面温度逐渐升高，当表面温度超过温室逃逸 的阈值（粗略的估计是 340 K），在水汽正反馈的作用下，液态水被完全蒸发， 并进入大气中高层。在太阳紫外辐射的作用下，水汽光解，氢原子由于分子质量 较小，很容易达到逃逸速度，因此逃逸到太空。一个有力的证据是金星大气中氢 同位素氘与氢的比例是 200:1（地球大气中两者的比例大约是 2:1），意味着较轻 的氢同位素比较重逃逸更多，说明了金星大气中确实存在水光解和氢大量逃逸的 事实。金星大气的温室逃逸问题一直是进行大气的研究热点（Ingersoll, 1969, Pierrehumbert, 2011） 当金星的液态水完全蒸发之后，金星大气和地表缺乏水循环。在没有液态水 的环境下，大气中的 CO2 无法与地表岩石发生风化反应，其结果是火山喷发出 的 CO2 完全累积在金星大气中，使得金星大气中 CO2 的分压高达 90 个大气压。 图 2 很好地展示了在没有液态水的条件下，金星大气缺乏有效的循环机制来稳定 金星的气候。CO2 一旦由于火山爆发而被喷发到大气中，它将永久性地留在大气 中；水汽一旦被光解，氢原子将永久性地逃逸到太空，氧则与其它物质发生化学

反应：SO2一旦与其它物质发生化学反应，将永久性地堆积在金星表面（仅有一少部分与大气中微量的水汽之间存在可逆的化学反应）。部分SO与大气中的水汽结合形成硫酸云，因此，金星大气非常浑浊，云层的反照率高达0.78。如此高浓度CO2产生了非常强的温室效应，温室效应使得金星表面温度升高了近500K，这也是为什么金星气候如此炎热的重要原因。相对于金星，地球因为有液态水存在，以上的过程都是可逆的，尤其是在液态水的作用下，CO可以与地面硅酸盐石发生风化反应。虽然火山喷发不断地向大气中释放CO2，但风化反应不断地降低大气中的CO2，从而使地球大气中CO2维持在一个较低的水平，地球气候也保持在一个比较温和的水平。因此，碳酸盐-硅酸盐之间的化学反应在地质时间尺度上提供了一个能够维持地球气候稳定的负反馈机制（Walkeretal.，1981)。关于该负反馈机制的一个典型例子是发生在7亿年前新元古代时期的冰雪地球（SnowballEarth）（HoffimanandShrag，2002）。在大约7亿年前，大陆板块主要位于热带地区，由于没有冰雪覆盖，地表完全裸露，大气中的CO2很容易与地表硅酸岩发生风化反应，导致大气中CO2含量降低，温室效应减弱，从而形成了冰雪地球。一旦冰雪地球形成之后，大气中的CO2与地表硅酸岩之间的风化反应被终止或变得非常弱，于是，火山喷发出的CO2都累积在大气中，经过上千万年的积累，大气中CO2变得足够高，温室效应足够强，从而使冰雪地球融化。如果说太阳辐射的逐步增强可以解释金星大气温室逃逸和气候变得极端炎热，这一机制则很难解释地球和火星的气候演变。大量的证据表明，地球早期的气候比现在更温暖。为什么地球早期气候在太阳辐射弱的时候比现在温暖？这便是著名的“暗弱太阳问题”（FaintYoungSunParadox）。目前的观点一致认为地球早期大气的温室效应比现在强，也就是说温室气体的浓度比现在高得多，但哪一种温室气体起着主要的作用，则存在各种不同的观点。对火星气候演变的解释也同样存在“暗弱太阳问题”。有研究认为火星表面在早期存在液态水并且有可能有生命存在。如果是这样的话，为什么现在火星是一个极端寒冷的星球？一个可能的解释是火星早期有一个比较浓密的大气层，但由于火星的质量较小，其引力不足以维持该浓密的大气层，当其大气层变得稀薄之后，火星表面温度降低了。也有其它机制被提出来解释火星早期表面温暖的问题（ForgetandPierrehumbert8/60

8 / 60 反应；SO2 一旦与其它物质发生化学反应，将永久性地堆积在金星表面（仅有一 少部分与大气中微量的水汽之间存在可逆的化学反应）。部分 SO2 与大气中的水 汽结合形成硫酸云，因此，金星大气非常浑浊，云层的反照率高达 0.78。如此高 浓度CO2产生了非常强的温室效应，温室效应使得金星表面温度升高了近500 K， 这也是为什么金星气候如此炎热的重要原因。 相对于金星，地球因为有液态水存在，以上的过程都是可逆的，尤其是在液 态水的作用下，CO2 可以与地面硅酸盐石发生风化反应。虽然火山喷发不断地向 大气中释放 CO2，但风化反应不断地降低大气中的 CO2，从而使地球大气中 CO2 维持在一个较低的水平，地球气候也保持在一个比较温和的水平。因此，碳酸盐 -硅酸盐之间的化学反应在地质时间尺度上提供了一个能够维持地球气候稳定的 负反馈机制（Walker et al., 1981）。关于该负反馈机制的一个典型例子是发生在 7 亿年前新元古代时期的冰雪地球（Snowball Earth）（Hoffman and Shrag, 2002）。 在大约 7 亿年前，大陆板块主要位于热带地区，由于没有冰雪覆盖，地表完全裸 露，大气中的 CO2 很容易与地表硅酸岩发生风化反应，导致大气中 CO2 含量降 低，温室效应减弱，从而形成了冰雪地球。一旦冰雪地球形成之后，大气中的 CO2 与地表硅酸岩之间的风化反应被终止或变得非常弱，于是，火山喷发出的 CO2 都累积在大气中，经过上千万年的积累，大气中 CO2 变得足够高，温室效应 足够强，从而使冰雪地球融化。 如果说太阳辐射的逐步增强可以解释金星大气温室逃逸和气候变得极端炎 热，这一机制则很难解释地球和火星的气候演变。大量的证据表明，地球早期的 气候比现在更温暖。为什么地球早期气候在太阳辐射弱的时候比现在温暖？这便 是著名的“暗弱太阳问题”（Faint Young Sun Paradox）。目前的观点一致认为地 球早期大气的温室效应比现在强，也就是说温室气体的浓度比现在高得多，但哪 一种温室气体起着主要的作用，则存在各种不同的观点。对火星气候演变的解释 也同样存在“暗弱太阳问题”。有研究认为火星表面在早期存在液态水并且有可 能有生命存在。如果是这样的话，为什么现在火星是一个极端寒冷的星球？一个 可能的解释是火星早期有一个比较浓密的大气层，但由于火星的质量较小，其引 力不足以维持该浓密的大气层，当其大气层变得稀薄之后，火星表面温度降低了。 也有其它机制被提出来解释火星早期表面温暖的问题（Forget and Pierrehumbert

1996)。3、行星大气研究进展3.1金星大气在太阳系8大行星中，金星位于地球的内侧，是距离地球最近的行星。金星的自转速度非常慢，自转周期大约是243天（地球天数），但其自转方向与其它星球相反，是自东向西旋转的。金星的公转周期与其自转周期接近，大约是225天。观测表明，金星没有磁场，金星的地壳没有板块运动，但却有比地球更活跃的火山活动。金星大气层厚重而又浑浊（图2和3），表面大气压力大约是92个大气压CO2含量占96%。火山喷发的二氧化硫气溶胶及其与少量水汽结合形成的硫酸云层对太阳辐射有很强的散射和反射，造成金星的反照率高达0.78，只有大约2%-4%的太阳光可以透过大气层最终到达金星表面。根据辐射能量平衡原理，我们可以很容易计算出金星的辐射平衡温度（黑体温度）大约是240K。虽然早在20世纪30年代，人们已经认识到金星的大气成分以CO2为主（AdamsandDunham，1932），但当时并不知道CO2的含量如此之高，其温室效应如此之强。直到50年代，人们使用可以穿透金星云层的地基微波望远镜进行观测，才发现金星表面温度超出了液态水和生命存在的范围。60年代初，美国发射的“水手2号”证实了金星表面的温度确实很高。苏联发射的“金星号”系列探测在金星表面着陆，确定了金星表面温度高达730K，超过了铅和锌的熔点，并且给出了金星的表面大气压力高达92个大气压。“金星13号”发回的照片表明，金星的天空完全被浓密的云层覆盖、到达地面的太阳光非常微弱、大气中有放电现象（云团之间的放电，而非云层与地面的放电），金星的主要地貌特征是火山和熔岩冲积的平原。由于金星的自转很慢，金星大气的哈德雷环流比地球大气的宽得多，基本是从赤道延伸到两极（图2）。同样是由于很慢的自转速度，金星大气的罗斯贝变形半径很大，这意味着金星大气很少有涡旋。这些都从观测中得到了证实。金星大气环流的另一个重要特征是其赤道上空气流呈现强的超级旋转，东风风速高达100 ms*l。9/60

9 / 60 1996）。 3、行星大气研究进展 3.1 金星大气 在太阳系 8 大行星中，金星位于地球的内侧，是距离地球最近的行星。金星 的自转速度非常慢，自转周期大约是 243 天（地球天数），但其自转方向与其它 星球相反，是自东向西旋转的。金星的公转周期与其自转周期接近，大约是 225 天。观测表明，金星没有磁场，金星的地壳没有板块运动，但却有比地球更活跃 的火山活动。 金星大气层厚重而又浑浊（图 2 和 3），表面大气压力大约是 92 个大气压， CO2 含量占 96%。火山喷发的二氧化硫气溶胶及其与少量水汽结合形成的硫酸云 层对太阳辐射有很强的散射和反射，造成金星的反照率高达 0.78，只有大约 2%-4%的太阳光可以透过大气层最终到达金星表面。根据辐射能量平衡原理，我 们可以很容易计算出金星的辐射平衡温度（黑体温度）大约是 240 K。虽然早在 20 世纪 30 年代，人们已经认识到金星的大气成分以 CO2 为主（Adams and Dunham，1932），但当时并不知道 CO2 的含量如此之高，其温室效应如此之强。 直到 50 年代，人们使用可以穿透金星云层的地基微波望远镜进行观测，才发现 金星表面温度超出了液态水和生命存在的范围。60 年代初，美国发射的“水手 2 号”证实了金星表面的温度确实很高。苏联发射的“金星号”系列探测在金星表 面着陆，确定了金星表面温度高达 730 K，超过了铅和锌的熔点，并且给出了金 星的表面大气压力高达 92 个大气压。“金星 13 号”发回的照片表明，金星的天 空完全被浓密的云层覆盖、到达地面的太阳光非常微弱、大气中有放电现象（云 团之间的放电，而非云层与地面的放电），金星的主要地貌特征是火山和熔岩冲 积的平原。 由于金星的自转很慢，金星大气的哈德雷环流比地球大气的宽得多，基本是 从赤道延伸到两极（图 2）。同样是由于很慢的自转速度，金星大气的罗斯贝变 形半径很大，这意味着金星大气很少有涡旋。这些都从观测中得到了证实。金星 大气环流的另一个重要特征是其赤道上空气流呈现强的超级旋转，东风风速高达 100 ms-1

金星大气存在三类重要的化学反应：二氧化硫（SO2）生成硫酸的循环反应、一氧化碳和二氧化碳之间的循环反应、水汽光解反应。火山喷发的SO2与大气中的氧原子反应生成SO3，后者与水结合生成硫酸（H2SO4），H2SO4光解后再生成SO2。金星大气高层的CO2在紫外辐射作用下生成CO和氧原子。这一反应过程非常迅速，如果没有其他化学过程使得CO很快地再合成成为CO2的话，那么金星大气将在很早以前就以CO为主要成分。这需要有其它极端有效的机制很快地使CO转换成CO2。现在，人们认为水光解后生成的氢氧根（OH）起着关键的作用。当大气高层CO2被光解成CO之后，CO迅速地与OH反应生成CO2和H,O。同时，CO还与SO;反应并将其还原成SO2。这些反应方程式如下：1）水汽光解：H20+hvOH+0 (CO2+hvCO+0(2<224nm)cO20H→+CO2+H,03）二氧化硫循环：SO2+ 0+M=SSO;+MSO3+ H2O =H2SO4H2SO4→ H20+ SO3+ COSO3= SO2+ CO2目前对金星大气的研究仅次于对火星大气的研究。金星大气探测的两大主要困难是：1）金星的极端高温对进入大气低层和地表探测的探测器材料要求很高。如前所述，金星的地表温度高达730K，超过了铅和锌等金属的熔点，这要求制造探测器的材料必须是耐高温的，探测器在如此高温条件下如何长时间工作也是一个问题；2）由于金星大气中的云层非常浓密，轨道探测器使用的波段必须是微波波段或某些红外波段，这样才能穿透云层和探测到大气低层以及近地面的温度，例如“水手2号”携带的是一个双通道的辐射计，两个通道的波长分别是1.9和1.35cm。正是由于金星大气的复杂性，金星大气最下层的10公里至今还没有被探测过。到目前为止，还没有比较可靠的大气辐射传输模式可以用来研究金星大气的10/60

10 / 60 金星大气存在三类重要的化学反应：二氧化硫（SO2）生成硫酸的循环反应、 一氧化碳和二氧化碳之间的循环反应、水汽光解反应。火山喷发的 SO2 与大气中 的氧原子反应生成 SO3，后者与水结合生成硫酸（H2SO4），H2SO4 光解后再生成 SO2。金星大气高层的 CO2 在紫外辐射作用下生成 CO 和氧原子。这一反应过程 非常迅速，如果没有其他化学过程使得 CO 很快地再合成成为 CO2 的话，那么金 星大气将在很早以前就以 CO 为主要成分。这需要有其它极端有效的机制很快地 使 CO 转换成 CO2。现在，人们认为水光解后生成的氢氧根（OH）起着关键的 作用。当大气高层 CO2 被光解成 CO 之后，CO 迅速地与 OH 反应生成 CO2 和 H2O。同时，CO 还与 SO3 反应并将其还原成 SO2。这些反应方程式如下： 1）水汽光解： H2O + hν  OH + O (λ< 190 nm) 2）二氧化碳循环： CO2+ hν  CO + O (λ < 224 nm) CO + 2OH  CO2+ H2O 3）二氧化硫循环： SO2 + O + M = SO3+ M SO3 + H2O = H2SO4 H2SO4  H2O + SO3 SO3 + CO = SO2+ CO2 目前对金星大气的研究仅次于对火星大气的研究。金星大气探测的两大主要 困难是：1）金星的极端高温对进入大气低层和地表探测的探测器材料要求很高。 如前所述，金星的地表温度高达 730 K，超过了铅和锌等金属的熔点，这要求制 造探测器的材料必须是耐高温的，探测器在如此高温条件下如何长时间工作也是 一个问题；2）由于金星大气中的云层非常浓密，轨道探测器使用的波段必须是 微波波段或某些红外波段，这样才能穿透云层和探测到大气低层以及近地面的温 度，例如“水手 2 号”携带的是一个双通道的辐射计，两个通道的波长分别是 1.9 和 1.35 cm。正是由于金星大气的复杂性，金星大气最下层的 10 公里至今还 没有被探测过。 到目前为止，还没有比较可靠的大气辐射传输模式可以用来研究金星大气的