贵阳分部广州分部
网站地图联系我们所长信箱建议留言内部网English中国科学院
 
 
首页概况简介机构设置研究队伍科研成果实验观测合作交流研究生教育学会学报图书馆党群工作创新文化科学传播信息公开
  新闻动态
  您现在的位置:首页 > 新闻动态 > 学术前沿
NREE:探索太空以理解地球
2020-07-13 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  大约两个世纪以来,地球科学的进步通常遵循一个共同的基本理念:地球的现在是了解其过去和未来的关键。这个理念是理解地球科学领域相关知识的基础。类似的,在研究其他行星的演化历史时,这些在地球上已知的知识也可以被用于进行相关的推测。然而,科学家们发现对其他行星的观测又可以加深我们对地球的理解。从这个角度看,科学家们认为很多关于地球的奥秘必须要通过研究例如金星、火星或月球等地球之外的星体来得到解答。未来的太空任务提供了丰富多彩的行星观测,对行星的探索可以在对地球的研究过程中起到重要作用。 

  我们对地球的大部分认识来自对地球当前状态的观测,以及从物理学和生命科学的视角对地球过去的推测。假设我们所知道的物理学和化学定律在整个宇宙中都是通用的,那么地球地质学和大气科学也可以用来理解其他行星的过去、现在以及未来。最早应用这个思想进行的科学研究可以追溯到伽利略通过对比地球和月球的山谷来研究月球。1980年,R. Sharp提出:行星探测是条双行道。在接下来的40年内,研究者们广泛应用来自太阳系天体的新知识来理解地球。例如在理解地球大气、核物理、火山喷发和温室效应等问题上,科学家都通过研究行星来寻找答案。多种多样的太阳系行星和系外行星为解决地球最基础的奥秘提供了重要的观测依据。图1展示了金星、地球、月球和火星的磁场、火山活动、板块构造、表面液态水随着时间的演化历史。这些星体可以类比地球的过去,现在以及未来从而了解地球过去发生过的一些物理过程。另外,行星、卫星以及一些其他小天体可能记录了地球本身没有保存下来的有关地球历史的关键信息。未来的行星科学探测将为地球的探索提供新的思路。美国Stanford UniversityMathieu G. A. Lapotre教授及其合作者在Nature Reviews Earth & Environment期刊发表综述文章 (Lapotre et al., 2020) ,整理了一系列科学问题来展示如何通过行星探索来了解地球。 

1 目前推测的金星、地球、月球和火星的磁场、火山活动、板块构造、表面液态水随着时间的演化过程(Lapotre et al., 2020

  一、行星可以作为地球的参照物 

  地球的历史有几个重要时间节点,包括地核的形成;发电机的产生;早期大气层的产生;板块运动的开始;生命的出现。太阳系其他行星可以作为地球不同时期星球环境的参照物。由于持续进行的板块运动,地球早期的演化历史在地表的痕迹都被抹除了,迫使人们把目光转移至其他行星。以下4个科学问题可以通过类比早期地球和其他行星来进行研究。 

  1.地核与发电机形成 

  古地磁记录表明地球磁场从35亿年前就开始了持续不断的活动,在大多数时间下磁场强度与现代磁场强度相近。然而地球热力学演化模型推测地核发电机的开始应晚于15亿年前。这个差异被称为“地核悖论”,其关键问题是地核发电机为何能开始得那么早并且持续存在(例《颗粒锆石古地磁研究揭示冥古宙地球发电机状态》)。由于冥古宙到古太古宙时期的古地磁观测较为模糊,解决地核悖论应着眼于其他星球。月球与火星的大小不能支持其产生类似地球发电机的物理过程,但火星和月球观测到了40亿年前的古磁场记录。金星目前未观察到全球性磁场,但寻找金星的地壳剩余磁场可以揭示地球与金星是否有一个相似的早期演化过程。 

  2.地球大气层演化 

  地球大气层演化模型依赖于大气层形成时的地球原始成分,但地质记录极其有限。形成于太阳系早期的小行星陨石可以为大气层原始成分提供记录(例《小行星Bennu和Ryugu的新发现对小行星起源和演化的新认识》)。因此地球早期的大气层演化模型可以通过陨石进行研究,陨石提供了行星形成时的原始成分。 

  3.地球板块运动的开始 

  由于缺乏地球形成早期的地质记录,理解地球何时启动板块构造是困难的。一个可行的做法是把目光放在地球的邻居——金星上。金星的表面相比地球更加年轻。现今金星表面岩石圈类似于地球的太古宙岩石圈,其地幔比地球目前更热约200K且其岩石圈更薄。若地球板块运动起源于太古宙,金星表面的构造特征能为研究地球何时开始板块运动提供线索。 

  4.生命形成前的地球化学循环 

  生命行为深刻影响了地球的表面过程。生命活动显著影响着岩石风化,土壤形成和侵蚀,长期气候变化等地球表面过程。通过地球化学循环,生命活动影响着地球表面沉积物的通量。但在生命存在之前,地球地质记录相对匮乏。相反的,火星表面有丰富的地质构造,提供了独特的窗口来研究地球在生命形成前的地质过程、地球化学循环与地球古气候(例《火星生命探索——“好奇号”发现古老的火星有机物与季节性变化的甲烷》)。 

  二、行星可以作为天然实验室 

  完备的地质或大气模型需要知道所有控制变量。然而在地球上的观测不可能测试所有变量,因此模型的预测能力往往受到未知变量的限制。不同行星的物理化学特性多种多样,可以在一些地球环境无法实现的变量空间为我们提供独特的实验环境。以下三个科学问题就可以利用太阳系行星的多样性来研究。 

  1.构造活动 

  地球是太阳系行星中唯一一个有明显板块运动的星体。地球的软流圈含有丰富的水,被认为在板块构造中起到了重要的作用。然而这种理论最近受到了质疑(Fei et al., Small effect of water on upper- mantle rheology based on silicon self-diffusion coefficients. Nature, 2013),有研究表明在上地幔流变学中水只起到了很小的作用。金星大小与地球类似,但其地表缺乏水且没有板块构造的迹象。火星大小比地球小得多,但其内部和地表都富含水,却也没有板块构造。因此对不同大小、含水量和水分布的行星进行构造活动观测将有助于理解水对板块构造影响的物理机制。 

  2.失控的温室效应 

  地球表面覆盖着蓝色的海洋,是太阳系中唯一表面稳定存在液态水的行星(如图2所示)。但是随着太阳的衰老,地球的海洋与可宜居性将发生变化。金星失控的温室效应是一个经典的例子。年轻太阳的亮度逐渐增加,当达到某一光度阈值时,金星表面迅速热化,水蒸气聚集到金星大气中,引起的温室效应使金星地表温度急剧上升,最终使海洋全部蒸发。尽管人们坚信今天的地球可以避免这种灾难性的后果,但金星大气演化告诫人们太阳微小的变化就可能显著改变地球的环境。 

2 随着温室效应和太阳活动而移动的“宜居带”(Lapotre et al., 2020 

  3. 底形和沉积物运输 

  底形(Bedforms)构造如涟漪或沙丘,是当流体经过颗粒状地表时产生的地貌形态。例如水流经沙子或砾石,风流经沙子,会产生波纹状的独特地貌。由于底形构造与环境息息相关并可以得到保存,一直是地球古环境研究的重要指标。人们对地球底形构造的理解基于地球地表的观测,但这种理解在其他行星的观测中受到了挑战。如图3所示,火星米级风成沙丘很常见,但在地球却罕有观测。对这些沙丘构造的认识不仅为现有的地球沙丘成因机制带来了考验,也促使我们对地球河床及风沙底形构造有了新的理解,对地球环境及沉积记录有重要的应用价值。 

3 a)火星上的大型风成沙丘;(b)美国加州的风成沙丘;(c)干枯河床上的水成涟漪(Lapotre et al., 2020    

  三、太空可以作为“档案馆” 

  由于月球形成时的大撞击过程、不断循环的板块构造、大气层和水循环的侵蚀等原因,地球的地质记录中缺少了地球历史的很多关键信息。科学家们认为这些信息并没有完全丢失,而是可以通过太空探测来找到。以下3个科学问题可以用来阐明如何通过太空探索来重建或推断地球遗失的历史记录。 

  1.地球形成 

  地球与成千上万系外行星形成于相似的宇宙环境。首先,气态的原始行星吸积盘将持续1-10 Myr,然后行星胚胎之间相互碰撞持续100 Myr。只有观测类似年轻太阳的恒星星系才能重构出地球形成早期的重要信息。长期以来,陨石一直被用来推断太阳系和地球的早期形成历史(例《地核及地球的碳含量》)。另外观测系外原始行星吸积盘将帮助人们理解地球形成的过程。 

  2.月球档案馆 

  月球是地球早期历史的档案馆,因为月球的高地区域自月球形成初期以来还没有被严重的改造过。通过比较地球和月球的Hf-W同位素构成(例《Hf-W体系对月球形成时间的启示》),阿波罗探测计划采集的月球样品可以被用来确定地核形成的时间。月球样品的锆石定年结果显示,月球形成时的大撞击过程发生在45.1亿年附近(例《月球起源与地球岩浆洋》)。地球的陨石撞击历史对理解冥古宙地表环境至关重要,但由于地球地质活动的影响该记录并没有在地球上成功保存下来。然而,由于月球和地球共享一个环绕太阳的运行轨道,因此,月球提供了一份独特的关于地球冥古宙时期陨石撞击历史的记录(例《月球与水星上浅陨石坑中的厚冰沉积》)。此外,最近在阿波罗14号样品中发现了一颗可能来自地球的陨石,如果其地球起源得到证实,那么该陨石就为冥古宙和太古宙时期的地球提供了一个全新的研究窗口。此外,月壤也可能记录了地球早期的大气成分(例《月球背面月壤蕴藏着地磁发电机35亿年演化的信息》)。 

  3.年轻的太阳 

  有研究认为,在大约40亿年前太阳的亮度只有现在亮度的70%-75%。这带来了“黯淡太阳悖论(Faint Young Sun Paradox)”:在昏暗的太阳下,液态水如何在地球和火星表面稳定存在而不结冰的。如果地球早期大气中存在诸如CO2CH4NH3H2之类的温室气体,则该悖论可以得到解决。然而长期地质活动导致在地球上无法找到形成早期的沉积记录来研究当时的大气成分。火星是验证这一猜想的理想目标,火星的沉积记录比地球更长。因此,火星土壤的采样返回可以解决这一重要问题。 

  地球科学与行星科学之间的对话是许多基础问题进步的根本。太空探索可以加深人类对地球的理解。短期内有许多深空探测项目已经启动,可以预见通过这些深空探测项目我们将更进一步的了解地球。但是太空探索是一项艰巨的工作,在地球上科学家完成的即使是最简单的工作在另一个星球上想要完成都是无比困难的。不断努力发展探测技术以及推进行星探测计划将有助于对地球有更深刻的理解。     

  原文:Lapotre M G A, O’Rourke J G, Schaefer L K, et al. Probing space to understand Earth[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2020: 1-12.链接     

(编译:高佳维,刘迪,魏勇/地星室)

 
地址:北京市朝阳区北土城西路19号 邮 编:100029 电话:010-82998001 传真:010-62010846
版权所有© 2009- 中国科学院地质与地球物理研究所 京ICP备05029136号 京公网安备110402500032号