行星大气研究进展综述.pdf

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