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 (<190 nm)2）二氧化碳循环：>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