太阳系化学

太阳系化学（ chemistry of solar system ），研究太阳系天体（太阳、行星、卫星、小行星和彗星等）的化学组成、物理化学性质、化学演化和年龄的学科。是天体化学的一个重要分支。

19世纪中叶以后发展起来的光谱分析用于测定太阳和行星大气的化学组成，使这一研究得以蓬勃发展。1931～1933年R.维尔特测得木星大气含有氨和甲烷，认为类木行星（木星、土星、天王星、海王星）由大量氢组成。20世纪50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（类地行星及其卫星、小行星和流星体）、岩石–冰物质（彗星和类木行星的卫星）与气物质（太阳和类木行星）。美国天文学家G.P.柯伊伯和H.C.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。1956年H.E.修斯与尤里提出了一个更详细、更准确的太阳系元素丰度表，奠定了研究太阳系物质来源与化学演化过程的基础。人类进入航天时代后，太阳系化学的研究进入了更加活跃的时期。

太阳系的化学组成

从太阳光谱和太阳风可以得知太阳外层的化学组成。陨石研究表明，太阳系的难挥发元素的丰度与CI型碳质球粒陨石相近，而H、He、C、N、O与Ne等挥发性元素丰度则与太阳光球相当。太阳系各天体由不同比例的气体(H₂、He与Ne)、冰(H₂O、NH₃与CH₄)及岩石[Fe、FeS、(Fe,Mg)₂SiO₄与(Fe,Mg)SiO₃]等物质组成。类地行星（水星、金星、地球与火星）及其卫星主要由岩石组成。木星、土星与太阳的成分相似，主要由氢与氦组成，但它们的核则可能是“石质”或“冰质”的，它们的卫星有的是“冰质”的，有的则是“石–冰质”的。木星和太阳的平均密度很接近，且木星上也有十分丰富的氢和氦。根据这些事实，一般认为形成太阳系的原始星云的化学组成与今太阳外部的化学组成是相同的，各个行星、卫星及其他天体在化学组成上的差异是星云化学分馏的结果。天王星、海王星与冥王星主要由H与He组成，但比木星富含H₂O、NH₃与CH₄。

太阳系各天体的化学组成有如下一些特点：类地行星具有氧化型大气(CO₂、O和H₂O)，而类木行星和木卫六具还原型(H₂、CH₄与NH₃)大气；类地行星与小行星的表面为硅酸盐质的，类木行星表面则是由气体组成；木星的卫星表面有两种：近木星者（4个规则卫星）具含冰的硅酸盐表面，而远离者为冰质表面。

同位素组成及其异常

传统观点认为，太阳系是由一个同位素组成均匀的太阳星云演化而成。由于一般化学过程不会对同位素组成产生明显的分馏效应，除H、He、Ne、Xe与⁴⁰Ar外，通常都以地球物质的平均同位素组成代表太阳系的平均组成。由于太阳系的同位素分馏、放射性同位素衰变、宇宙线与太阳系物质产生的核反应、太阳风的注入和一些天体局部区域的链式核反应等过程引起的某些同位素组成异常，一般称为惯常同位素异常。此外，太阳系还存在一类化学、物理与核反应过程不能解释的原始同位素异常或非惯常同位素异常。如C型球粒陨石中已发现O、Mg、Si、Ca、Ti、Sr、Sm、Nd、Ne和Xe等多种原始同位素异常。从阿连德陨石包裹体中发现了由已灭绝的²⁶Al衰变产生的²⁶Mg异常，某些铁陨石中也发现过已灭绝的¹⁰⁷Pd衰变而成的¹⁰⁷Ag异常。表明原始同位素异常可能是在太阳系形成前的数百万年邻近超新星爆炸产物注入太阳星云所致。

关于太阳系化学组成与同位素组成的不均一性的原因，学者们有不同的看法：①太阳星云是银河系历次超新星爆炸和早期恒星核素合成的产物。尘埃混合的不均匀是“原始”不均一性的直接原因。②太阳星云是由单个恒星（相当于10～20个太阳的质量）不同演化阶段产物混合的结果，恒星外层凝聚粒子与爆炸期间形成的超新星各层凝聚粒子混合不均匀。③太阳系形成时各星云区域的物质宇宙线辐射作用不同，辐射产物的混合不均匀导致化学成分与同位素的不均一。④太阳系由一个等离子体气体尘埃凝聚而成，电离气体元素与太阳的距离由元素的电离电位所决定，结果在离太阳的不同距离形成了化学组成不同的星云。

太阳系化学演化

主要从以下三个方面了解太阳系的化学演化。

①太阳星云的形成。星际气体尘埃云进入银河旋臂区时发生减速和被压缩，邻近超新星的爆炸触发了星际气体尘埃云的坍缩、碎裂，形成了太阳星云。超新星气体与尘埃的注入“污染”了太阳星云。这一阶段确定了太阳星云的初始化学状态和同位素丰度分布的总体特征。

②太阳星云自身的化学演化。太阳星云在形成太阳的同时，加热了各星云区域，发生了对流混合，造成了同位素的均匀化和元素的分馏凝聚。由于星云收缩升温和太阳辐射对各星云区域物质的改造，以及太阳引力的差异，星云盘中气体与尘埃的组成与比例也发生着变化，产生了太阳系成员间化学成分和同位素组成的不均一性：靠近太阳者难熔元素相对增加，同位素几乎完全均一化；稍远者气体与前太阳尘粒共存，挥发性元素增高；远离太阳的区域为低温区，保持了原星云的组成与性质，H与He逃逸，而C、N、O及其化合物含量增高。随着星云的冷却，气态物质依次形成相应的无机或有机凝聚物：高温区形成富含难熔元素的较大尘粒，中温与低温区则生成富含挥发物质的较小尘粒。这些尘粒经过混合、凝聚与瓦解，遂在不同区域塌陷形成各种“石质”与“冰质”的星子。内行星区域的一些大星子通过碰撞与吸积，生成了不同比例Fe、Mg、Si、O与S等的水星、金星、地球、月球和火星等类地天体。在太阳星云的外部，由于潮汐力的扰动而分离成环，环通过引力作用转变为原行星，逐渐演变由不同比例H、He与冰物质组成的木星、土星、天王星等类木天体。在类地行星与类木行星之间的小行星带，随着与太阳距离的不同形成了化学组成不同的各类小行星。

③天体的化学演化。类地行星在放射能、引力收缩能与潮汐能的共同作用下发生化学分异，形成核、幔、壳和大气层。初期星子的撞击对化学分异（特别是表面的分异）作用有重要影响；由于各行星与太阳的距离（或卫星与行星的距离）不同，化学组成、大小和质量的差异，壳、幔、核的厚度与成分和大气层的成分与性质，以及所处的地质活动阶段也各有不同。

太阳系的年龄

地球和其他行星显然已经历过一个变质过程，难以得到形成与演化早期的化学资料；月球和卫星的变质程度较小，保留了一些早期的特征；小天体（小行星、陨星、彗星）没有多大的变质，保留了太阳系早期的信息。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，由同位素含量测定的太阳系年龄上限为54±4亿年。从挥发性痕量元素及氧同位素含量比率测定的普通球粒陨石的吸积温度一般为450±50K，月球的吸积温度为450～500K（也有人认为是620K），推断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

研究太阳星云形成太阳系各天体的化学演化过程的理论模式之一。J.S.刘易斯等人指出，在假定的太阳星云的密度、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性质的差异。有两种截然不同的模型：平衡凝聚模型假定凝聚物相与气体相间以及凝聚物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“态函数”；非平衡凝聚模型则认为气体相与凝聚物相间以及凝聚物间不发生反应。两种模型的生成物是不同的，实际的凝聚过程可能介于这两种模型之间。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，如由这一模型计算得到的类地行星的密度与观测值一致，而按非平衡凝聚模型计算的结果则与观测值不一样。星云内部离太阳越远处，温度就越低，因而各行星区凝聚物的成分与含量各不相同。水星主要由难熔金属矿物、铁–镍合金和少量顽辉石组成；金星除含上述成分外，还含钾（或钠）铝硅酸盐，但不含水；地球还含有透闪石、含水硅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硅酸盐，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，因而木星及其以外的行星有岩石与冰物质混合物的固态核；木星与土星固态核质量大，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。它们吸积气体和大气形成过程可用非平衡凝聚模型来描述，但对这两颗行星的形成过程还不能肯定究竟哪种模型适用。

凝聚模型都是与原始太阳星云的高温条件相联系的。近年来发现陨石中含有模型所不能解释的化学组成和元素同位素异常，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，认为恒星际物质中有三类尘埃：超新星爆发形成的热凝聚物、其他恒星损失掉的热凝聚物及星云的非热化合物。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，H.阿尔文和G.O.S.阿亨尼斯研究了星云物质的等离子体和磁流体过程。