天体化学

地球化学的学科分支

天体化学是研究天体和其他宇宙物质的化学组成和化学过程的学科。元素与核素的起源、空间分布及其随时间的演化，地外物质与地球的相互作用及其效应，也是天体化学的重要研究内容。天体化学是地球化学的一个分支，也是地球科学、空间科学和天文学之间的边缘学科。

发展简史

1833年瑞典化学家J.J.贝采利乌斯首次分析了陨石的化学成分。1858年R.W.本生和G.R.基尔霍夫开始研究太阳光谱并用光谱分析研究陨石的化学成分，开创了对恒星和其他地外物质的化学成分与化学演化的研究，孕育着天体化学的诞生。1917年W.D.哈金斯综合了318个铁陨石和125个石陨石的化学成分,发现7种质量数为偶数的元素丰度占98.6%，提出了元素丰度的偶数律。1930年I.诺达克－塔克和W.诺达克根据大量的陨石化学成分数据，提出了元素的宇宙丰度。1937年V.M.戈尔德施密特，1956年H.E.修斯和H.C.尤里相继提出了元素及核素的宇宙丰度。

20世纪50年代以来，苏联与美国等相继发射了备有多种探测装置的系列性空间探测器，对地球高层大气的成分、密度等进行了精细测定；对水星、金星、火星、木星、土星及其卫星大气层的结构与成分，行星表面的矿物组成与化学成分，行星表面撞击坑的分布、大小、密度、相对年龄与形成历史，行星地层分布与相对年龄，行星地质构造与热历史和行星内部的结构等方面进行了广泛的探测；对行星际空间的温度、磁场、银河宇宙线和太阳风的通量、能谱和成分等也作了测量；对彗星和流星的化学成分、空间宇宙尘的成分和剥蚀特征等作了探测，获得了大量而系统的科学数据，推动了天体化学的发展。

对全世界已收集的2500多次陨落在世界各地的陨石和南极洲收集的 11000多块陨石进行的多学科综合研究，为元素的丰度与起源、太阳系起源与演化、宇宙线的时空变化、生命前期化学演化和地外物质冲击地球引起环境灾变与生物灭绝事件，提供了新的科学论据。

自1969年“阿波罗”11号登月计划实施以来,9次登月共取回 380多千克月岩样品。使人们对月壤和月岩的矿物成分、化学成分、岩浆活动、内部结构和地月系的起源增添了许多新认识；月球地形图、地层柱状图、地质图和构造图的编制，不仅使月球的地质演化历史更为清晰，也为比较行星学的发展打下了坚实的基础。

学科内容

天体化学的研究内容可归纳如下：

太阳星云的物质来源、形成与演化

太阳系的物质主要来自太阳星云，当太阳星云凝聚时，有太阳系外的物质加入，使太阳星云的同位素组成发生变异。太阳星云中元素发生凝聚，各种矿物相的形成有先后顺序。根据矿物共生组合以及星云温度、压力变迁的历史，提出了太阳星云元素分馏、凝聚的物理化学模式。太阳星云凝聚和吸积的结果，形成了太阳系中不同化学组成、结构和质量的各类天体。太阳系各行星处于不同的演化阶段，它们的大气层、表面特征、物理场、化学组成、地质过程和内部结构均有较大的差异。

行星化学研究

侧重研究包括太阳星云中元素的分馏与各行星形成区的化学成分；行星大气层的化学成分与演化；行星内部的化学分异及各圈层的形成过程；行星内部能源的产生、传导与释放；行星各种地质营力与行星的热历史。

比较行星学研究

以地球的研究为基础，将地球置于太阳系的时空尺度里，对比研究各行星形成演化的共性与特性，综合探讨地球和各行星的演化规律。

小天体化学研究

小行星、彗星、陨石和宇宙尘等小天体，由太阳星云凝聚形成后，未经强烈的变质改造，因而它们的化学成分代表了太阳星云的初始成分。小天体化学研究内容主要包括：①小行星的化学类型及与陨石成因的联系；②彗核、彗发和彗尾的化学成分、化学反应过程及其起源，收集彗星尘埃，研究太阳星云的元素与同位素组成。

陨石研究

主要包括以下几个方面：系统研究陨石的矿物、化学成分，推演太阳星云的凝聚过程；测定同位素组成，探讨太阳系的物质来源与演化序列；测定宇宙成因核素，计算陨石的辐照历史；研究稀有气体同位素，阐明陨石母体的热历史。宇宙尘埃和陨石消融型尘埃的研究,有助于探讨地球与行星际空间的物质交换,论证沉积环境与速率，分析某些类型花岗岩与变质岩的物质来源。

天体年代

测定天体演化重大事件的年龄，建立天体演化的时间序列。天体年代研究提供了元素与核素以及天体演化历史的时间标尺，如宇宙的年龄、银河系年龄、元素年龄、太阳星云的形成与凝集年龄、太阳系各天体的固结年龄与间隔年龄、行星和卫星各演化阶段和重大事件的年龄、陨石母体的形成年龄、热变质年龄与气体保留年龄、裂变径迹保留年龄、碰撞破碎的宇宙线暴露年龄和落地年龄、宇宙尘的形成年龄与空间滞留年龄等（见宇宙年代学）。

星际有机分子与天体中有机质的化学演化

在碳质球粒陨石和其他类型的石陨石中，发现有多种氨基酸、烷烃、烯烃、芳烃、嘌呤和嘧啶等有机化合物，多数学者认为是太阳星云中的催化过程或放电过程的非生物合成。已证实的有50多种星际分子。天体中有机质的特征与演化的研究，为论证前生命物质的化学演化和生命起源提供了新证据。

元素的丰度与起源

研究化学元素在太阳、地球、月球、太阳系其他天体、恒星和宇宙线中的分布。元素起源理论认为，首先是宇宙核合成产生氢、氦；恒星的静态和爆炸核合成产生一系列元素，宇宙线与星际物质的核反应形成少量轻元素。恒星的演化阶段反映了元素的形成和演化过程。

宇宙线化学

研究宇宙线中元素的丰度及其随时间的变化。宇宙线与天体物质的相互作用，形成近百种稳定和放射性宇宙成因核素。这些核素在天体中的分布与产率证明：银河宇宙线的通量、组成和能谱在近亿年来基本稳定。

天体撞击地球引起的灾变

20世纪80年代天体化学与地球化学研究的前沿领域与焦点之一是大型陨石、彗星或小行星撞击地球，引起地表环境灾变、全球森林大火、强烈酸沉降、冰期出现和生物大灭绝等全球性灾变事件。世界各地的白垩系－第三系界面粘土层中发现有一系列地球化学异常：①铱等铂族元素的异常富集，且具有地外物质的元素丰度比值，表明界面粘土层中有地外物质的加入；②碳元素的富集异常，碳多以碳灰的形式赋存在界面粘土层中，经分析发现含多种稠环芳烃，证明当时曾发生过全球性森林大火；③存在由冲击变质而形成的柯石英和斯石英，以及由撞击熔融溅射而沉降的微球粒；④界面粘土层的氧和碳同位素组成的突变，表征当时气温的骤变和大量生物的死亡，导致全球性环境灾变和生物灭绝，可能是由一个直径为10～30公里的小行星或彗星撞击地球所产生的后果。地球历史上多次全球性灾变和生物灭绝事件，天体的撞击可能是一个值得重视的起因。全球的 4次玻璃陨石事件、地表已发现的近百个陨石撞击坑、1908年的通古斯撞击事件和撞击成矿的萨德伯里（加拿大）事件等，是天体撞击地球引起的区域性灾变事件。

研究途径

天体化学的研究途径主要有以下三方面：①天体样品的实验室研究。对自然降落或人工获取的天体样品（陨石、宇宙尘、彗星尘和月岩等）进行矿物学、岩石学和地球化学的观测、分析与测试，提供物质成分、物理性质、同位素年龄和形成演化的信息。②空间探测器的近空探测。利用装备有各种观测和测试仪器的空间探测器，飞近天体进行观测与测试，获取天体的大气、磁场、地貌、岩石类型与分布、地质构造和内部结构的资料。③空间探测器的着陆探测。利用载人或无人驾驶的空间探测器，在天体表面着陆并取样，实地探测大气、表土、岩石的物性与成分，利用各种地球物理方法测定天体的热流、磁场特征与内部结构等。

展望

空间科学技术的发展，天文学、地球科学、生物学的有机结合，将促使天体化学向更大的时空尺度和更深的物质层次发展。除对自然降落在地表的天体物质作精细研究外，还将充分利用空间探测器对行星及其卫星、小行星、彗星等太阳系空间的天体作更为系统而深入的“就地”研究或带回样品至地面作精细研究。探索太阳系外的空间，为天体化学的发展开拓了更为广阔的领域与前景。天体化学的发展将促进人们从整体上更深刻地理解地球的形成和演化。

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