7.2: 行星的组成和结构
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述太阳系中巨型行星、陆地行星和小天体的特征
- 解释哪些因素会影响行星表面的温度
- 解释为什么有些行星上有地质活动而在其他行星上没有
有两种截然不同的行星——岩石陆地行星和富含气体的木星行星——这一事实使我们相信它们是在不同的条件下形成的。 当然，它们的构图由不同的元素主导。 让我们更详细地看一下每种类型。
巨型行星
最大的两颗行星，木星和土星，其化学成分与太阳几乎相同；它们主要由氢和氦两种元素组成，其质量的75％为氢气和25％的氦气。 在地球上，氢气和氦气都是气体，因此木星和土星有时被称为天然气行星。 但是，这个名字具有误导性。 木星和土星是如此之大，以至于气体在其内部被压缩，直到氢气变成液体。 因为两颗行星的大部分由压缩的液化氢组成，所以我们真的应该称之为液态行星。
在重力作用下，较重的元素沉入液态或气态行星的内部。 因此，木星和土星的核心都由较重的岩石、金属和冰组成，但我们无法直接看到这些区域。 实际上，当我们从上方向下看时，我们所看到的只是大气层及其旋转的云层（图\(\PageIndex{1}\)）。 我们必须从对每颗行星重力的研究中推断出这些行星内部存在更密集的核心。
天王星和海王星比木星和土星小得多，但它们都有岩石、金属和冰的核心。 天王星和海王星在吸引氢气和氦气方面的效率较低，因此它们的大气层与核心成比例要小得多。
从化学上讲，每颗巨型行星都以氢气及其许多化合物为主。 几乎所有存在的氧气都与氢气化学结合形成水（H 2 O）。 化学家称这种以氢为主的成分还原了。 在整个外太阳系中，我们发现了大量的水（主要是冰的形式）和还原的化学物质。
陆地行星
陆地行星与巨人有很大的不同。 除了小得多之外，它们主要由岩石和金属组成。 反过来，它们是由在整个宇宙中不太常见的元素组成的。 最丰富的岩石，称为硅酸盐，由硅和氧气制成，最常见的金属是铁。 我们可以从它们的密度（见表\(7.1.2\)）中看出，水星的金属比例最大（密度更高），而月球的金属比例最低。 地球、金星和火星的体积成分大致相似：它们的质量中约有三分之一由铁镍或铁硫混合物组成；三分之二由硅酸盐制成。 由于这些行星主要由氧化合物（例如地壳中的硅酸盐矿物）组成，因此据说它们的化学物质被氧化了。
当我们观察每颗地球行星的内部结构时，我们发现密度最高的金属位于中心核心，而较轻的硅酸盐位于地表附近。 如果这些行星是液态的，比如巨型行星，我们可以将这种效应理解为重力作用导致较重元素沉没的结果。 这使我们得出结论，尽管今天的地球行星是固体的，但它们曾经一定足够热，可以融化。
分化是重力帮助将行星内部分成不同成分和密度的层的过程。 较重的金属沉入形成核心，而最轻的矿物质则漂浮到地表形成地壳。 后来，当行星冷却时，这种分层结构得以保留。 为了区分岩石行星，必须将其加热到岩石的熔点，熔点通常超过 1300 K。
卫星、小行星和彗星
从化学和结构上讲，地球的月球就像地面行星一样，但大多数卫星都在外太阳系中，它们的成分与它们绕其运行的巨型行星的核心相似。 最大的三颗卫星——木星系中的木卫三和卡利斯托以及土星系统中的土卫六——由一半的冰冻水和一半的岩石和金属组成。 这些卫星中的大多数在形成过程中会有所不同，如今它们有岩石和金属的核心，上层和结壳是非常寒冷的，因此非常坚硬的冰（图\(\PageIndex{2}\)）。
大多数小行星和彗星，以及最小的卫星，可能从未被加热到熔点。 但是，一些最大的小行星，例如维斯塔，似乎是有区别的；其他小行星则是来自不同天体的碎片。 由于大多数小行星和彗星都保留了其原始构成，因此它们代表的是相对未经过修改的物质，其历史可以追溯到太阳系形成之时。 从某种意义上说，它们充当化学化石，帮助我们了解很久以前谁的痕迹在更大的世界中被抹去。
温度：走向极端
一般来说，行星或月亮离太阳越远，其表面就越凉爽。 行星由太阳的辐射能加热，太阳的辐射能随着距离的平方而变弱。 你知道当你离开壁炉或室外辐射取暖器时，它的加热效果会以多快的速度减弱；同样的效果也适用于太阳。 水星是离太阳最近的行星，其阳光照射侧的起泡表面温度在280—430°C之间，而冥王星的表面温度仅为—220°C左右，比液态空气还冷。
从数学上讲，温度的降低与与太阳距离的平方根成正比。 冥王星离太阳最近的距离约为30 AU（或水星距离的100倍），距离太阳最远处约为49 AU。 因此，冥王星的温度比水星的温度低 100 的平方根，或系数 10：从 500 K 到 50 K
除了与太阳的距离外，行星的表面温度还会受到其大气的强烈影响。 没有我们的大气隔热层（保持热量的温室效应），地球的海洋将被永久冻结。 相反，如果火星过去曾经有过更大的大气层，那么它本可以支持比今天更温和的气候。 金星就是一个更为极端的例子，其厚厚的二氧化碳大气充当隔热层，减少了地表积聚的热量逸出，从而使温度高于水星上的温度。 今天，地球是唯一一个表面温度通常介于水的冰点和沸点之间的行星。 据我们所知，地球是唯一维持生命的星球。
没有像家一样的地方
在经典电影《绿野仙踪》中，女主角多萝西在 “外星人” 环境中经历了多次冒险之后得出结论：“没有像家一样的地方”。 太阳系中的其他世界也可以这样说。 有许多迷人的地方，无论大小，我们都可能想去参观，但是如果没有大量的人工援助，人类就无法在任何地方生存。
厚厚的二氧化碳大气层使我们邻居金星的表面温度保持在炙手可热的700 K（接近900华氏度）。 另一方面，火星的温度通常低于冰点，空气（也主要是二氧化碳）非常稀薄，类似于在地球大气中海拔30千米（100,000英尺）处发现的空气。 而且这个红色星球非常干燥，以至于数十亿年没有下过雨。
木星行星的外层既不够温暖，也不够坚固，无法供人类居住。 我们在巨型行星系统中建造的任何基地很可能都必须位于太空或其中一颗月球中，对于有游泳池和棕榈树的豪华酒店来说，没有一个特别热情好客。 也许我们会在木星云层深处或月球欧罗巴冰冻的海底下找到更温暖的避风港。
所有这些都表明，我们最好照顾好地球，因为它是我们所知道的生命可以生存的唯一场所。 最近的人类活动可能会向大气中添加污染物，尤其是强效的温室气体二氧化碳，从而降低我们星球的可居住性。 人类文明正在极大地改变我们的地球，而这些变化不一定会变得更好。 在一个似乎还没准备好接纳我们的太阳系中，让地球不那么热情好客可能是一个严重的错误。
地质活动
历史上，所有陆地行星以及较大卫星的结壳都被内外力所改变。 在外部，每枚弹丸都受到来自太空的缓慢射弹的袭击，使它们的表面被各种大小的撞击坑所困扰（见图\(7.1.3\)）。 我们有充分的证据表明，这种轰炸在太阳系的早期历史上要严重得多，但肯定会持续到今天，尽管速度较低。 1994 年夏天，20 多颗大型的 Choemaker—Levy 9 彗星与木星碰撞（见图\(\PageIndex{3}\)）就是这一过程的一个生动例子。
该图\(\PageIndex{4}\)显示了这些碰撞的后果，当时在木星的大气层中可以看到比地球大的碎片云。
在所有行星都受到此类撞击期间，地球行星上的内力使地壳弯曲和扭曲，形成山脉，像火山一样喷发，并且通常在我们所谓的地质活动中重塑了表面。 （前缀 geo 的意思是 “地球”，所以这有点像 “地球沙文主义” 一词，但它被广泛使用，以至于我们向传统鞠躬。） 在陆地行星中，地球和金星经历了历史上最多的地质活动，尽管外太阳系中的一些卫星也出人意料地活跃。 相比之下，我们自己的月球是一个死亡世界，数十亿年前地质活动就停止了。
行星上的地质活动是内部炎热的结果。 火山活动和山地建筑的力量是由行星内部散发的热量驱动的。 正如我们将看到的，每颗行星在诞生时都被加热过，而这种原始热最初为广泛的火山活动提供了动力，即使在我们的月球上也是如此。 但是，像月球这样的小物体很快就冷却了。 行星或月球越大，它保留内部热量的时间就越长，因此我们就越期望看到持续的地质活动的地表证据。 其效果与我们自己使用热烤马铃薯的体验类似：马铃薯越大，冷却速度越慢。 如果我们想让马铃薯快速冷却，我们就把它切成小块。
在大多数情况下，地球行星上火山活动的历史符合这个简单理论的预测。 月球是这些物体中最小的一个，在地质上是一个死亡的世界。 尽管我们对水星知之甚少，但似乎这颗行星也可能在与月球差不多同时停止了大部分火山活动。 火星代表了一个中间案例。 它比月球活跃得多，但比地球活跃得多。 地球和金星是最大的陆地行星，即使在它们诞生大约45亿年的今天，仍然有熔融的内部。
关键概念和摘要
巨型行星的密集核心大约是地球质量的10倍，周围环绕着氢气和氦气层。 陆地行星主要由岩石和金属组成。 它们曾经被熔化，这使它们的结构得以区分（也就是说，它们更密集的材料沉入中心）。 月球在构图上类似于陆地行星，但其他大多数月球（绕巨型行星运行）里面有大量的冰冻冰。 通常，距离太阳较近的世界具有更高的表面温度。 来自太空的撞击和不同程度的地质活动改变了地球行星的表面。
词汇表
- 区别
- 用引力将不同密度的材料分离成行星或月球内部的层