比較行星學
比較行星學
以地球為基礎，對比研究各行星的物質組成、表面特徵、物理場、內部構造和演化歷史的學科。
地球是太陽系的一員，把地球置身於太陽系的時空尺度里，作為一個整體進行研究，可以加深對地球和太陽系其他星球的認識，把握行星的演化規律，比較行星學（comparative planetology）就是這樣一門新興學科，它是天文學、地球科學、空間科學和空間探測交叉滲透的邊緣學科，隨著太陽系探測的快速進展，比較行星學得到了長足的發展，深化人類對太陽系各行星形成與演化共性與特性的認識，而且將地球置於更大的時空尺度內研究，把握地球整體的形成與演化歷史，將有力推動和深化地球科學的發展。
比較行星學的主要研究內容包括：對比研究太陽系各類天體（重點為類地行星) 的物質組成、大氣層成分與結構、空間與表面環境、地貌與地質構造、內部結構與物理場等共性與特性，綜合分析研究地球、各行星和整個太陽系的形成演化特點與規律。
研究表明，太陽系行星的火山活動、構造運動及隕石撞擊作用的頻度隨時間遷移而急劇衰減，強烈的火山活動和持續的撞擊作用，是太陽系行星早期歷史的共同特徵。月球、水星等星球保存著遠古地貌，為研究早期地球表層特徵提供了信息。月球形成后，在距今44-41 億年前，表面可能形成岩漿洋，熔融分異月殼，形成斜長岩高地；31-41 億年前，產生大面積玄武岩噴發；自31 億年以來，月球幾乎沒有明顯的構造與火山活動。金星地表則比月球年輕，最古老的地質單元的年齡大約為8 億年，新近發現金星還有火山活動，但熱點不多，大部分地區在過去的幾百萬年裡，地質活動已相當寧靜。金星很可能有很厚的地殼，如果均衡補償深度與金星地殼厚度相協調，那麼金星地殼可能是地球平均地殼厚度的6 倍。金星上巨大斷裂系統與地球上的拉張裂谷相似，重力和地形之間密切相關（與地球相似），結合部分年輕撞擊坑的發現，暗示金星地貌與水星、火星和月球相比，可能很年輕。火星則介於水星（或月球）和金星之間，具過渡性質，早期構造和岩漿活動劇烈，內部物質分異調整尚不充分，表面有明顯的風和冰的剝蝕與沉積作用，使火星表面受到一定程度的改造。火星地形分佈明顯不對稱，約三分之二表面是古老的，南半球撞擊坑非常密集，而且地形一般比北半球高。火星外力地質作用有點像地球，風的地質作用顯著，近表面有水和冰；在歷史上，火星表面流淌過水，但河流侵蝕作用不強，河道一般在撞擊坑之間蜿蜒分佈，撞擊坑很少遭受侵蝕；火星缺乏明顯的搬運和沉積作用，意味著風化產物不能再循環。火星內力地質作用與地球相差很大，火星較地球小，但地形起伏相當大，火山高度幾乎是珠穆朗瑪峰的三倍，幾km 深的峽谷已經存在了幾十億年，說明火星地殼岩石的剛度很高；火星地殼是固定的，岩石圈並不與下伏的軟流圈發生物質循環，缺乏類似於地球的板塊運動。
月球岩石類型主要是超基性、基性岩漿岩及其火山岩，沒有發現沉積岩和變質岩；火星上的岩石類型主要是超基性、基性和中性岩漿岩及其火山岩；地球上岩漿岩、沉積岩和變質岩等三大岩類齊全，岩漿岩類型有超基性、基性、中性、酸性和鹼性岩漿岩及其火山岩系列。根據鮑文反應系列推測，月球內部岩漿的經歷了超基性與基性岩漿階段后終止，火星內部岩漿的演化經歷了超基性、基性與中性岩漿階段后終止，而地球內部岩漿的演化持續而完整。
類地行星都具有核、幔和殼的層圈結構。水星、金星、火星和月球等行星為硅鎂殼，地球則硅鎂地殼和硅鋁地球兼而有之。隨著行星質量的增大，似乎幔的厚度增加而殼的厚度減薄，這些特徵隱含著行星內部熔融、分異和熱歷史的重要信息。類地行星熱歷史研究表明，行星質量大小與行星內部活動的“壽命”正相關，與行星冷卻固化的時間反相關。太陽系探測成果表明，地球具有典型的偶極子磁場，內部有帶電流體的運動；火星則是多極子磁場，內部具有多區域性的帶電流體運動；而月球已經基本上喪失了原有的全球性偶極子磁場，是一個內部固化的、僵死的天體。看來，類地行星磁場的演化必然遵循由偶極子磁場向多極子磁場進一步向消失磁場的方向演化。
綜上所述，行星質量、與太陽距離以及兩者的耦合是影響行星演化的重要因素。行星質量大小是決定行星內部能量產生、積累與傳導等最重要的制約因素，控制了行星內部圈層結構，主導了行星的岩漿活動與演化能力，影響了行星大氣層和水體的發育；行星與太陽的距離，決定了行星整體的初始成分，制約了行星的空間環境、大氣層和水體的發育、以及表生地質作用過程與表面環境。行星的質量太小（水星、月球) ，形成后受到急劇加熱，早期構造火山活動劇烈，並分異成殼、幔和核，但內部物質分異調整不充分，星體散熱快，過早固化；去氣過程產生的氣體未被行星捕獲，不能形成大氣層，缺水體，行星表面保存古老火山地形和撞擊坑。質量大的類地行星（地球、金星) 形成后受到急劇加熱，產生強烈的構造岩漿作用與火山活動。行星內部物質持續分異，殼、幔和核仍在形成演化中，行星仍保持明顯的構造岩漿與火山活動；行星捕獲去氣過程的產物，形成了稠密大氣層。地球與太陽的距離適度，能形成全球性的水圈，並演化出複雜的生物圈。目前除地球外沒有發現其他行星與衛星具有板塊構造。火星介於兩者之間，具有過渡性特徵。早期的構造岩漿活動劇烈，內部物質的分異調整尚充分。火星是距太陽最遠的類地行星，吸積區內的鐵族元素相對匱乏，難以構成鐵鎳核，可能是鐵-硫化鐵核。火星內部熱量的積累與失散介於水星與地球之間，當前已沒有明顯的構造岩漿活動與火山噴發。火星能捕獲微量去氣過程產生的氣體，構成稀薄的大氣層，表面有顯著的風蝕、冰水和早期水流的侵蝕堆積作用痕迹，使火星地形得到一定程度的改造。
與類目行星相比，類地行星質量小，距太陽近，均為次生大氣層；而類木行星質量大，距太陽遠，早期太陽風的驅趕作用不強烈，大氣層的來源主要是形成行星時捕獲的該區段的太陽星雲氣體，並保持著星雲氣體的成分與同位素比值，為原生大氣層。
近期內將側重研究：(1) 行星早期演化歷史的比較究及地球早期無地質歷史記錄期間的地質環境；(2）行星全球性的地質構造體系的對比及地球大型構造體系的成因，地球板塊運動的特徵與起因；(3)行星大氣層的組成、演化與成因的比較及地球大氣層與水圈的相互作用、演化過程與成因，以及對沉積礦產的分佈與生物演化的控制；(4)行星內部殼、幔與核的物質組成、結構與演化歷史的對比究及地球殼、幔與核的形成與演化特徵；(5)不均一堆積形成行星的過程與演化的一般規律及不均一堆積形成的地球及對全球構造體系、地幔不均一性和全球成礦區域的控制；(6)太陽活動對行星際空間和各行星影響的對比研究，日地關係及對地球氣候、環境的影響。
比較行星學 comparative planetology
以地球為基礎，對比研究各行星的物質組成、表面特徵、物理場、內部構造和演化歷史的學科。
1959年，伽莫夫(G.Gamow)首次應用“比較行星學”這個術語。20多年來，隨著行星際探測技術的發展和探測範圍的擴大，以及天文學、地球科學和空間科學的相互滲透，比較行星學獲得了迅速的發展。
比較行星學主要奠基於：①大氣外觀測和一系列宇宙探測器獲得的月球地質、構造、磁場以及自月球取回樣品的分析資料；②“水手”號、“金星”號、“火星”號、“海盜”號、“旅行者”號等行星際飛船獲得的大量科學資料；③地球的研究成果；④各種類型隕石的研究結果。
比較行星學的主要研究內容包括以下幾個方面。
星球的內部
類地行星的密度近似地隨與太陽距離增大而下降，這說明行星中的鐵／硅酸鹽比值隨與太陽距離增大而減小。按計算密度，類地行星可分為兩種類型：月球和火星型，密度約為3～4克／厘米3;水星、金星、地球型，密度約為5～5.5克／厘米3。類木行星，它的密度反映行星中（鐵＋硅酸鹽）／（氣體＋冰）的比值。由木星至天王星，密度隨與太陽距離增大而增大，這說明行星中的氣體量隨與太陽距離的增大而減少。
所有的類地行星和月球均是分異的天體，它們由殼、幔和核3個部分組成(見表)。但殼、幔和核的相對厚度不同，行星核的相對大小一般隨與太陽距離的增加而減小。木星可能由液態氫和液態氦組成的外層以及硅酸鹽和鐵組成的核構成。外層厚約 55000公里，內核半徑為15000公里。
土星的組成和內部構造與木星類似。
冥王星直徑2700公里，密度為1.5～2克／厘米3,因此它的組成和內部構造應與天王星和海王星類似。
行星大氣 行星的大氣特徵與行星的質量、大小和與太陽距離密切相關。
①類地行星大氣 地球和金星的質量大，它們的氣體較難逃逸，可由星體內部釋出的氣體形成濃密和複雜的大氣。火星由於質量較小，表面溫度較低，因此大氣密度較小，但成分和金星相似，是以CO2為主的複雜混合物。早期地球大氣主要成分預計也是CO2,只是由於後來地球水圈和生物圈的發育，碳酸鹽的沉積和植物光合作用的結果，才形成了今天的低CO2的大氣。水星和月球由於質量小，氣體易於逃逸。類地行星距離太陽近，早期太陽風的驅趕作用強烈，行星形成時表面所捕獲的太陽星雲氣體已被驅趕殆盡，現今的大氣是行星內部物質通過熔融、除氣過程釋放和被行星捕獲保留下來的次生氣體。金星、地球、火星的13C／12C、18O/16O的比值相一致，36Ar/38Ar比值大致為5。
②類木行星大氣 以木星、土星為代表，它們的質量大，距太陽遠，溫度低，太陽風的驅趕作用較弱，行星大氣主要為星體形成時捕獲的星雲氣體。木星大氣含H2約89％,He約11％，H2O、NH3和CH4等氣體均為微量成分。土星、天王星的大氣組成與木星相似，但由於溫度更低，不少NH3結晶而脫離氣態，大氣中甲烷相對含量增高。各行星大氣層特徵，參見行星大氣。
地球磁場示
地球的磁場為偶極場,場強30000～70000納特，赤道磁場平均值為30800納特，偶極子與行星自轉軸間的夾角為11.5°。未發現月球的全球性磁場，局部月殼的剩磁強度範圍約為6～300納特。水星磁場強度約為350～700納特。金星有一個微弱的磁場，磁矩約為地球的0.00005。火星磁場強度約為60納特。木星表面的磁場強度，北半極為1.4×106納特，南半極為1.1×106納特，磁場大致為偶磁場，但比地球更不規則。土星的磁矩介於木星和地球之間，比地球大550倍，而約為木星的1/35。
太陽、水星、地球、木星和土星，它們的磁矩隨角動量增大而增大，但金星、火星和月球的磁矩，與它們的角動量相比是十分小的。這表明除了角動量之外，還有其他因素對行星的磁矩起重要作用。目前流行的行星磁場成因學說是發電機假說。但也有人認為行星的磁場是行星殼的剩磁，而不是活動的內部發電機磁場，行星殼剩磁可能是原始的內場或外場產生的。實際上，行星磁場可能由內部電流產生的電磁和行星早期歷史殘留的鐵磁兩部分組成，但兩者的比例隨行星而異。
行星
撞擊坑是行星表面的共同特徵，其大小從微米級的微隕石坑（由宇宙塵撞擊產生）至直徑大於2000公里的盆地（由大星子撞擊產生）。環形撞擊坑是無大氣的比較小的行星（如月球和水星）最顯著的表面特徵。火星的撞擊特徵也比較突出。地球上已證認出約91個環形撞擊坑，其中大部分位於古老的前寒武紀地盾區。地球上撞擊坑稀少是由於後來強烈的地質作用改造地表的結果。一般的情況是，行星體越小，高密坑表面區的百分比越高。
火山活動是類地天體的主要內部成因的地質過程。其重要表現是玄武岩漿噴出和玄武岩廣泛覆蓋天體的表面。月海玄武岩覆蓋約17％的月面。廣闊的水星平原是玄武岩平原。火星表面有廣闊的玄武岩平原和巨大的火山地質。地球上廣泛分佈的火山與海底擴張和俯衝帶相聯繫，大洋玄武岩覆蓋地表的面積約達60％。
類地行星各有其不同的構造特徵。月球有一個東北-西南向的網格狀構造體系，可能代表古月殼中的早期構造應力分佈。水星上存在許多舌狀懸岩，一般認為這種構造由水星鐵核收縮形成。火星的主要構造特徵是火星大裂谷和與塔西斯高原相連接的地塹。地球的構造特徵則與海底擴張和板塊構造活動密切相關。
類地行星的表面高度顯示雙峰分佈特徵，這種分佈與兩半球的撞擊坑高地和火山平原的比例相關。月球高地平均比月海表面約高 1公里。火星南半球的環形坑高地比北半球平原高1～2公里。地球的大陸比洋底約高4～5公里。一般情況是低高度表面區（火山平原）占行星表面積的百分數，以及低地與高地的高度差，隨行星增大而增大。
地球是惟一的具有濃密大氣、水圈和生物圈的類地行星，地表受到流水、冰川、波浪、風和生物的改造。火星表面經受風積作用和永久凍土活動的改造，火星上存在大量古代的流水侵蝕作用的證據。水星和月球無大氣和水圈作用的表面特徵。
行星（地質）演化 星雲說一致認為，行星是在太陽星雲盤內形成的(見太陽系化學、太陽星雲凝聚模型)。行星的演化和現今的特徵主要受行星的質量、組成及其與太陽的距離所制約。一般認為，類地行星具有共同的演化途徑。按洛曼(P.D.Lowman)的意見，類地行星的演化可分為5個階段:①行星形成和行星核的分離（約47億年前）；②初始行星殼的形成和隨後發生的高密度星子轟擊階段，預計在第一階段后數億年裡發生；③第二次分異階段，伴隨廣泛的玄武岩漿噴出；④連續的構造活動階段；⑤板塊構造活動和物質再分異階段，約在25億年前，地球開始進入這個階段。
行星的演化與其熱歷史密切相關。行星熱歷史主要是研究行星熱能的現狀、演化歷史及其起源等問題。行星的分異、火山活動、構造活動和岩漿活動是行星熱歷史的反映。行星熱歷史是太陽星雲聚集時的重力能、早期太陽產生的能量、潮汐作用產生的能量、星子（或隕石）撞擊行星表面產生的能量，以及短半衰期和長半衰期放射性核素衰變產生的能量等多種來源的能量儲聚和釋放的綜合平衡的反映（見行星演化能源）。
行星的質量是制約行星演化階段和行星熱歷史的主要因素。類地行星按質量可分為大（金星、地球）、中(火星)、小（水星、月球）3類。它們的演化特徵如下：
質量小的類地行星，形成后急劇加熱，發生熔融和分異成殼、幔和核，但內部物質分異不充分。由於這類行星體積小，熱量散失快，固化快，除氣過程產生的氣體不被行星捕獲，因此不能形成大氣層。在經歷了廣泛的玄武岩噴發階段之後（約30億年前），便開始走向地質上的寧靜期，沒有行星演化後期的構造岩漿活動。這類行星的演化程度低，表面能較好保持古老的火山地形以及星子撞擊形成的盆地和環形坑。
質量大的類地行星，形成后也受到急劇加熱、熔融和分異，從而形成殼、幔和核，內部物質分異程度高。由於行星質量大，內部的熱量積累多而失散慢，至今仍保持明顯的構造岩漿活動。這類天體的演化程度高，經歷的演化階段長，如地球進入到了板塊構造活動階段。行星內部物質除氣過程產生的氣體被行星捕獲，形成濃密的大氣層。地球由於和太陽的距離適宜，形成了水圈、生物圈和富氧的大氣。各種內、外營力使行星的地形重新改造，表面保持的古老地形少，岩石圈厚度薄，核心較大，大部分的表面被年輕的岩石所覆蓋，如地球的3/4表面積被5億年或更年輕的岩石所覆蓋。
火星介於上述兩者之間，具有過渡型的特徵。早期急劇加熱熔融，分異形成殼、幔和核，內部物質的分異程度高於水星，低於地球。熱量的積累和失散以及演化程度也介於水星和地球之間，火星形成后的20億年，構造岩漿活動最激烈，通過連續的構造、岩漿活動和火山噴發，逐漸形成火星上的各種火山地形、斷岩和峽谷。火星現今沒有明顯的構造岩漿活動和火山噴發，接近於地質上的寧靜期。內部物質除氣過程產生的氣體僅部分被火星捕獲，構成稀薄的大氣層。火星表面有明顯的風蝕和堆積作用，火星地形受到一定程度的改造，古老地形和環形坑地形的保存程度比地球好。
太陽系探測的進展與比較行星學的主要科學問題
