深空探测行星表面原地K-Ar定年:技术与方法

本文基于国际深空探测任务的经验教训,结合我们近期的研究成果,提出了适用于深空探测行星表面原地定年的新方法——激光无稀释剂K-Ar反等时线法,以及实现该方法的LIBS-QMS技术方案.该方案充分发挥了K-Ar法在深空探测特殊条件下的优势,有望成为深空探测、行星演化研究的关键方法,为太阳系演化研究提供关键时间信息.同时,该研究为我国即将展开的月球、火星、水星及小行星落地探测研究等深空探测科学任务提供了可行、可靠的相关载荷技术方案,并为我国月球科学基地提供在站科研仪器.     

比较行星地质学的研究方法、现状和展望

比较行星地质学是人类认识自然和人类本身形成与演化的前缘学科,是实现太阳系探测三大科学目标的主要手段.比较行星地质学研究主要回答3个问题:行星的现状是什么样的?行星的过去是什么样的?行星的过去、现在与太阳系其他行星的可比性如何?行星地质学的研究内容与研究地球地质相似,即撞击作用、火山(岩浆)作用、构造作用和夷平作用等,这些是塑造行星地貌最主要的地质作用,其中撞击构造是其他行星更为常见的地质作用.行星地质学的研究方法是利用遥感获得的各种影像、光波和电磁波等数据,以及在行星表面直接勘察获得的数据和取回的样品,对行星表面和地表以下的成分、结构和形成与演化过程进行研究.我国积极参与深空探测将获得第一手行星地质数据,国际深空探测计划的持续实施和数据的广泛共享为中国科学家积极参与行星地质学和比较行星学的研究提供了广阔空间,同时也为研究和认识地球提供新的和更全面的视野.     

太阳系探测的进展与比较行星学的主要科学问题

回顾了太阳系的探测历程,综合分析了太阳系探测的发展趋势。未来的太阳系探测将以月球与火星探测为主线,适度开展太阳系其他行星及其卫星、小行星和彗星的考察性探测。21世纪将是全面探测太阳系并为人类社会长期可持续发展服务的新时代。随着太阳系探测的进展,通过系统比较地球与类地行星的大气层与水体的形成演化过程、地形地貌与地质构造特征、岩石类型、热历史与内部结构等方面的共性与特性研究,表明行星的质量大小和行星与太阳的距离的相互耦合,制约了行星的形成和演化的复杂过程。比较行星学已成为指导太阳系探测的科学理论体系。     

撞击过程和内太阳系撞击历史

在太阳系的形成和演化过程中,发生在天体物质间的撞击作用是最重要的地质过程之一.撞击构造是地外天体表面最常见的地貌单元,大部分天体的地貌演化主要受撞击作用控制.撞击过程产生的温度、压力和应变速率比岩石圈内的其他地质过程高多个数量级,形成广泛分布的撞击产物,如气化物、熔融物、冲击变质和变形等.虽然撞击过程转瞬即逝,撞击作用向天体注入能量并改变其内、外结构,对天体的圈层系统产生长远影响.持续撞击在天体表面累积了大量的撞击坑,撞击坑的空间分布反映了受外来撞击的历史.内太阳系在～3. 8 Ga前的撞击频率更高,但是大量撞击盆地是否灾变式的密集形成仍在持续争议;～3. 8 Ga以来的撞击频率趋于稳定,但是缺乏具有明确事件指代性的标定样品.在同一天体上,撞击坑的空间密度指示了相应地质单元的形成时间,因此撞击坑统计常被用于估算地外天体表面地质单元的相对年龄.基于月球软着陆探测任务返回的样品,前人已约束了不同直径的月球撞击坑的形成频率,进而建立了使用撞击坑统计估算月球表面地质单元的绝对模式年龄的方法.另外,内太阳系天体可能经历了相似的撞击历史,因此地-月系统的撞击频率已被缩放至其他类地行星.撞击坑统计是探索太阳系天体的撞击历史、遥估地外天体表面的相对和绝对年龄的主要方法,也是行星地质研究的基本工具.该方法的整体可靠性已得到大量实验的验证.同时,该方法在理论基础和技术细节上还存在大量的不确定性.修正该方法是完善太阳系撞击历史的重要研究内容,也是未来采样返回探测任务的重要科学目标.     

太阳系天体的火山作用及其比较行星学意义

火山活动是太阳系内所有行星和多数卫星共同经历过的地质作用.类地行星及它们的卫星表面普遍分布着多种火山和火山岩.其中金星、火星和月球与地球上的早期(始太古代)火山活动有许多相似性.现在,火星与月球上的火山活动早已停止,而金星和地球上仍有火山活动.类木行星的卫星上主要活动的是"冰火山",它们之中有些还有十分强烈的活火山活动(如爱莪和海卫一).对太阳系天体火山作用的对比研究能够提供认识太阳系和行星演化、天体深部和浅部地质作用过程、矿产资源形成以及生命的起源和演化等重要信息,是比较行星学的重要组成部分.     

行星地理学

行星地理学是研究地球、月球及太阳系九大行星运动特性对自然地理过程的影响的科学,它研究上述运动特性对大气、海洋及河流水文的影响,从而研究整个自然地理环境的变化。它是涉及天文、地球物理及自然地理诸要素(气候、水文与海洋等)的交叉学科。其主要理论基础为地球物理学,而研究方法则主要包括地球物理学、大气和海洋动力学、统计学及数值模拟等方面。国际上一些著名的地球物理及气候学家研究了这个问题,并取得了显著的进展,其代表人物是和Hunt。在我国,这方面的研究也处于世界前列,代表作者是彭公炳和任振球,前者主要研究地球自转速度变化和地极移动对气候、海洋和水文等自然地理条件的影响,其代表作是《气候的第四类自然因子》一书;后者主要研究月球及九大行     

气候—构造—剥蚀相互作用研究进展与展望

气候—构造—剥蚀相互作用是地表层圈相互作用过程的重要方面,近年来相关的研究已逐渐成为地球科学界的热点。主要从数理分析、数值模拟和野外实证3个方面对近30年来气候—构造—剥蚀相互作用的研究进行了回顾和总结,认为以往因果效应的研究思路在一定程度上限制了地表层圈相互作用研究的发展,造山带更适合作为一个在内、外动力能量驱动下不断演化的开放系统来进行研究。总是趋向于平衡状态演化的造山系统会响应内、外动力条件的变化,同时也会反作用于内、外动力因素,但内、外动力因素之间保持相对独立。造山演化的系统观跳出了以往因果效应的思维局限,从而可以很好地解决气候—构造—剥蚀相互作用研究中存在的争议问题。     

关于我国天体生物学研究的思考

探索地外宜居环境和生命信号是深空探测的重要科学目标.天体生物学在宇宙演化的背景下研究生命的起源、演化、分布和未来,是由地球科学、生命科学、空间科学、天文学、化学等多学科融合形成的一门前沿交叉学科.随着人类深空探测的不断进步,天体生物学的研究内涵在不断拓展,其研究方式也更趋于多元和交叉.概述了天体生物学的内涵和发展态势,研判我国天体生物学研究所面临的机遇与挑战,并对我国在该领域的发展提出了建议.      

土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究

土体-大气相互作用是指在多种气象要素共同驱动下,地表浅层土体与大气之间进行物质交换与能量传递的复杂过程.受全球气候变化影响,近年来极端气候事件频发.土体的工程性质在日益严峻的气候环境下发生剧烈变化,产生了大量滑坡灾害,给岩土和地质工程领域带来许多新挑战.系统总结了降雨、气温、空气湿度、风以及太阳辐射5个主要气象要素影响边坡稳定性的机制,分析了土体龟裂、地表植被和土体-大气相互作用之间的关联效应.通过介绍各因素在改变边坡稳定性过程中发挥的作用,构建了一个包括气象要素、土体龟裂以及地表植被的土体-大气相互作用分析体系.该体系为今后土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究确定了关键研究问题,所揭示的作用机理可为今后同类研究提供参考.针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究方向和重点,包括土体-植被-大气相互作用的理论模型、气候作用下冻土坡体失稳机理、极端气候工程地质作用的生态调控措施三个方面.      

月球科学的过去、现在和未来——参加第39届月球与行星科学大会有感

综述了2008年3月10～14日在美国休斯敦召开的第39届月球与行星科学大会期间交流的与月球科学相关的会议内容,简要回顾了人类探测月球的历史.当前的月球科学研究归纳为6个主题:①月球和其他类地行星的地质演化;②撞击过程的定量化描述和太阳系历史的关系;③月壤的特征、月壤形成的机械过程和演化过程;④采样返回技术和原型机的开发与运用;⑤月球和其他行星体的内生和外来挥发分;⑥月表的大气和尘埃环境对人类登陆的影响.2007～2008年,日本、中国、印度和美国纷纷推出探月计划,将月球探测推向一个新的高潮.深空探测成为各国展示国力和科学技术水平的试验场,也将有力地促进科学技术的发展;独立探测和国际合作相结合已是大势所趋,数据资料共享将成为必然.公众的积极参与将为月球探测注入新的活力,并成为空间探测的基本动力.     

新一代对地观测系统的发展

对地观测系统(EOS，Earth Observation System)是获取空间对地信息、促进地球系统科学和空间信息科学等学科发展的支柱。长期以来，人们就期望着对自己居住的地球有一个全面深刻的了解，研究这种从几十年到几百年时间尺度的全球变化，依赖于观测系统和观测技术的发展。因此有必要建立一个对地球整体的观测系统，利用空间优势，获取有关地球体系及其各个组成部分的详细数据或信息。 近50年来，世界对地观测技术得到了迅猛的发展。NASA针对全球变化研究对建立长期的数据采集系统的实际需求，于20世纪80年代初开始规划地球观测系统（EOS）计划，并于90年代初实施。它包括一系列卫星、自然科学知识组成和一个数据系统，支持一系列极地轨道和低倾角卫星对地球的陆地表面、生物圈、大气和海洋进行长期观测。地球观测卫星系列是EOS计划的最基本和最重要的环节。EOS卫星系列计划在今后的10年内陆续发射一系列的太阳轨道环境遥感卫星，构成连续15年的数据采集系统，其规模在地球观测卫星发展史上是空前的。在EOS计划的基础上NASA规划了ESE战略计划，将继续发展国际新一代对地观测系统。迄今为止，Terra、Aqua和Arua卫星已经发射成功，引起地球遥感科学界的瞩目，为地球科学研究提供重要的数据资源。     

制约类地行星大气层和水体发育的主要因素

根据行星探测的资料,综合分析了水星、金星、地球(包括月球)、火星的大气层和水体的发育特征,对比了金星、火星的大气层与水体同地球的差异。类地行星质量小、体积小、密度大、旋转慢、卫星少甚至没有、挥发性元素较类木行星少、距离太阳较近,早期残留的原始大气层已经被早期太阳在金牛变星阶段的强烈太阳风所驱赶,加上巨大而频繁的撞击作用,使原始大气层被驱赶殆尽。现在的大气层是次生的,是由行星内部的去气作用形成的。类地行星的大气层、水体的发育和表生作用的特征与行星的质量大小(表征行星内部能量的大小和构造活动的强烈及持续时间)及行星与太阳的距离等因素有关。在类地行星中,地球和金星质量最大,逃逸速度最大,可将更多的气体“束缚”在它们表面,因此它们的大气有着复杂的组成和较大的密度。火星质量较小,逃逸速度不到地球的一半,在漫长的演化历史中,大气逐渐逸散进入太空,大气密度变得很稀薄。水星质量更小,而且最靠近太阳,不仅太阳风的驱赶作用强烈,而且表面温度高,气体分子的热运动更加剧烈,加剧了大气的逸散,所以水星的大气层极为稀薄,并且主要为太阳风成分。月球质量最小,几乎没有大气层,更没有水体的发育。行星的热演化历史对大气层和水体发育具有重要的制     

Recent Progresses in Comparative Planetology——Summary of the Session of Comparative Planetology at the 3rd Conference of Earth System Sciences

Comparative planetology is an interdisciplinary science between Earth sciences and astronomy. It studies physical, chemical and dynamical properties of planets and satellites and their surface characteristics, interior structures and chemistry, magnetic field, climate and possible existence of life. Although the study of comparative planetary science is at its infancy stage in China, it is very encouraging to see that 25 papers were received by the session, which is much more than what we expected. It indicates that more and more scientists are interested in this research field. These papers can be classified into three categories: solar planets, extra-solar planets, and moon explorations. Scientists from both China and oversea reported their recent results.     

浅谈大气科学与地质学的学科交叉

随着新一轮的科技革命蓬勃兴起,大气科学学科正步入地球系统科学的新时代,学科交叉必然产生新的增长点.大气科学的发展经历了观测-理论-模型的三个阶段,很好地践行了“数据-模式驱使科学”的研究范式.然而,地质学具有更深远的时空复杂性,需要更长时间的数据积累.目前,地质学正面临着研究范式由观测向理论和模型的转变.大气科学与地质学的交叉将为这一转变提供经验和启示.同时,大气科学与地质学的交叉,需要研究气候系统上边界(大气顶的太阳辐射)和下边界(固体地球形态)变化导致的大气和海洋环流的响应.研究这些问题,将成为发展同时统辖“分钟、小时”直至“地史”的时间尺度的大气科学理论的关键,也是未来地球系统模式发展的重要方向之一.中国地质大学(武汉)的大气科学专业,作为推动大气科学与地质学交叉的排头兵,任重而道远.      

The early history of the earth—moon system

The study of the Earth—Moon system provides the connecting link between purely astronomical studies of the origin of the solar system and its planets, and geophysical and biological studies of the evolution of the Earth's geology, its surface features, atmosphere and hydrosphere, and of terrestrial life.A coherent account is presented here, based on the hypothesis that the Moon formed separately and was later captured by the Earth. The adoption of this hypothesis, together with the observed depletion of iron in the Moon, sets some important constraints on the development of condensation and agglomeration phenomena in the primeval solar nebula, which led to the formation of planetesimals, and ultimately to planets.Capture of the Moon also defines a severe heating event within the Earth, whereby its kinetic energy of rotation is largely dissipated internally by the mechanism of tidal friction. From this melting event dates the geologic, atmospheric, and oceanic history of the Earth. An attempt is made to account for the unique development of the Earth, especially in relation to Mars and Venus, its neighboring planets.     

The evolution of planets. Venus as the Earth’s probable future

The general evolution of planets in the Solar System is discussed with a focus on the structure and history of Venus compared with the Earth. The history of the planets of the terrestrial group has been similar and included at least six correlated stages. Many common features the terrestrial planets shared in their early and late evolution have been due to their common origin from the protoplanetary gas-and-dust nebula and plume magmatism widespread on all the planets of the terrestrial group. The characteristic features of the structure and evolution of Venus are most brightly manifested in the specific composition of its atmosphere and of plume magmatism. Venus, with its surface as hot as 450 °C and the near-surface pressure of 92-93 bars, has a hot and dense atmosphere 93 times that of the Earth in mass. Most of its atmospheric mass (99%) belongs to the 65-km thick troposphere consisting of CO₂ (96.5%) and N₂ (3.5%). The upper troposphere includes a 25-30 km thick cloud layer composed mainly of sulfuric acid droplets, water vapor, and SO₂. At a height of 49.58 km, the clouds approach the conditions of the terrestrial surface and might be hospitable to bacterial life. Volcanism, the most active and widespread process of Venusian geology, maintains continuous SO₂ emission. There are diverse volcanic edifices on Venus, which are most often large and are similar to the Earth’s plume-related volcanoes. The evolution before 1 Ga, as well as the share and the role of alkaline rocks and carbonatites among its volcanics, are among the most debatable issues about Venus. Being located closer to the Sun, Venus cooled down more slowly and less intensely than the Earth after the primary accretion. In the Proterozoic, it began heating and reached its present state at ~ 1 or 2 Ga. In the future, as the Sun becomes a red giant, the Earth is predicted to begin heating up in 500-600 Myr to reach the temperature of present Venus in about 1.5 Gyr.     

Japanese lunar robotics exploration by co-operation with lander and rover

Unmanned mobile robots for surface exploration of the Moon or planets have been extensively studied and developed. A lunar rover is expected to travel safely in a wide area and explore in detail. Japanese lunar robotics exploration is under study to conduct an unmanned geological survey in the vicinity of central peaks of impact craters for investigation of the sub-surface materials. This will give us the key information to study the lunar inner structure and understand the Moon’s origin and evolution as well as to investigate the evolution of magma ocean and later igneous processes. To carry out the geological exploration in the central peak, lander and rover co-operative exploration is proposed. The working group has been conducting feasibility study of advance technologies. This paper addresses an overview of lunar exploration with lander and rover and also enumerates future technologies to be established. The rover R&D group has developed an innovative science micro rover with a new mobility system and a lightweight manipulator. The design and implementation of a science rover for the near future lunar missions requiring long traverses and scientific observations are described and some experimental results are presented.     

Aeolian Geomorphology in the Era of Deep Space Exploration

The exploration of "Deep Sea, Deep Earth and Deep Space" provides opportunities and challenges for the development of geoscience, and geographical science begins to meet the climax of deep space exploration represented by Mars. In China, Martian exploration will be launched in 2020, which will carry out global and comprehensive surrounding exploration of Mars, patrol detection in some local areas, researchers need to be well prepared for the study of planetary geosciences including aeolian geomorphology based on these coming data. Aeolian geomorphology is divided into three stages based on the development history and trend: classical research focusing on single dune observation, modern research with earth system ideology and future research mainly on extra-terrestrial planets. The characteristics of each developing stage were summarized, and we believe that the planetary aeolian research will come naturally. Then, the development and achievement of planetary aeolian research are summarized, the existing problems and future developing trend were also discussed here. Study shows that there are many types of aeolian landforms on Mars, Venus and Titan, and the aeolian process is the most active modern surface process. Aeolian geomorphology in different planets has good similarity, but the difference is also obvious, which means that they have similar formation mechanism, but different formation and evolution conditions, therefore, the theory of aeolian geomorphology will be improved and enriched gradually through the comparative study on different planets. There are obvious advantages in revealing the formation laws and mechanism of aeolian geomorphology in extraterrestrial planets because of the simple formation conditions, and the research of aeolian geomorphology in the era of deep space exploration is in the ascendant.     

上层海洋-低层大气科学研究计划

海洋和大气是地球系统的重要组成部分，其在全球气候变化中具有重要作用。上层海洋与低层大气研究（SOLAS）作为IGBPII第一个新的核心计划，以海洋中深度在100 m以上的水层和 1 000 m以下的大气边界层为主要研究对象，通过多学科的交叉研究，以揭示海洋与大气相互作用的物理和生物地球化学过程耦合及其在气候变化中的作用。SOLAS科学计划得到了世界各国的积极响应，已有16个国家向国际SOLAS科学委员会提交了SOLAS进展状况的国家报告。我国也制定了自己的科学研究计划重点研究中国近海的大气物质入海、海洋温室气体排放、海-气界面上的物质和能量交换过程及其对气候和环境的影响和反馈。