太陽星雲凝聚模型
正文
研究太陽星雲形成太陽系各天體的化學演化過程的理論模式。20世紀60年代以來，人們根據隕石和行星化學成分的研究資料，在假定的太陽星雲條件下，藉助於物理－化學理論和太陽系起源理論，來探討太陽系各天體形成的化學環境以及化學演化規律，提出的模型主要有 3類：熱凝聚模型、冷聚集模型和電漿凝聚模型。熱凝聚模型 假定具有宇宙豐度的均勻太陽星雲最初溫度很高，其中的物質完全處於氣體狀態。伴隨星雲冷卻，元素按其化合物或自身的難熔程度依次凝聚。
在拉里莫(J.W.Larimer)和安德斯(E. Anders)的熱凝聚模型中，討論了兩種極端情況：
①快冷卻，各種物質隨溫度降低而依次凝聚，固相與氣相之間沒有擴散平衡，是純元素和化合物的凝聚；
②慢冷卻，凝聚物之間以及氣體－凝聚物之間完全擴散平衡，可形成合金和固熔體。實際凝聚情況介於快冷卻和慢冷卻之間。（圖1） 按溫度降低順序，太陽星雲的化學演化可劃分為幾個階段：
①難熔物的凝聚和分餾；
②金屬-矽酸鹽分餾；
③揮發物分餾，各種隕石中揮發成分的差異反映它們形成前溫度、壓力的不同。
巴謝(S.S.Barshay)和劉易斯(J.S.Lewis)用化學熱力學原理研究了星雲凝聚過程中的化學反應和行星的化學成分，討論了氣體凝聚過程的兩種極端情況：
①平衡凝聚模型，溫度下降緩慢，氣體與疑聚物之間以及凝聚物之間在熱力學平衡條件下發生反應，凝聚物成分只同當時星雲的溫度、壓力及化學成分（或者說是熱力學的“態函式”）有關，而同過去的熱歷史無關；
②非平衡凝聚模型，冷卻凝聚進行得很快，氣體與凝聚物之間，甚至凝聚物之間不發生反應，凝聚物依次很快地被吸積到星體上，導致星體上形成由不同凝聚物構成的洋蔥狀層次結構。
兩種模型的凝聚過程和生成物不同（見表）。一般認為，難熔物可能是平衡凝聚產物，大多數揮發物是非平衡凝聚產物。平衡凝聚模型能較好地說明類地行星的密度和化學成分。 圖2表示太陽星雲的一些平衡凝聚物的穩定範圍。圖中各曲線間的區域表示相應凝聚物的穩定範圍,曲線旁的符號代表相應的凝聚物：W曲線之上為氣相區；W為高溫難熔物；CaTiO3為鈣鈦礦和其他難熔氧化物(包括Al、Ca、Ti、V、稀土、U和Th的化合物)；Fe為鐵及 Fe-Ni合金，右上三角區是熔融鐵的穩定範圍；冰為水冰、NH3冰和 CH4冰。絕熱線為卡梅倫星雲模型的溫度和壓力分布，絕熱線上也標出了各行星形成區的溫度和壓力範圍。水星形成於較高溫度區，主要由難熔金屬礦物、Fe-Ni合金和少量頑火輝石組成，因而密度大；金星不但吸積類似於組成水星的物質，還吸積頑輝石和許多鉀鈉矽酸鹽礦物，但不含硫和水；地球吸積大量透閃石、一些含水矽酸鹽，以及金屬鐵、氧化鐵和硫化鐵；火星吸積大量含水矽酸鹽、氧化鐵和硫化鐵；小行星可由各種岩石礦物組成，但不含有冰；小行星區以外的外行星主要吸積氣體（冥王星可能除外）、冰物質和一些岩石物質，它們的大氣可用非平衡凝聚模型解釋，但對於行星本身還不能肯定哪種凝聚模型更適用。 伍德(J.A.Wood)用化學熱力學原理研究了太陽星雲冷卻過程中的礦物平衡凝聚序列（圖3）。圖中標出了各天體的吸積溫度：水星約1400K,金星約900K，地球約600K,火星約450K,小行星及碳質球粒隕石約300K，木星的衛星約200K。
冷聚集模型 克萊頓(D. D.Clayton)認為太陽星云為冷的恆星氣體和塵埃，直接聚集形成太陽系天體。星際介質中的塵埃有 3種來源：超新星爆發拋出的熱凝聚物;巨恆星拋出的熱凝聚物;冷星雲中的非熱結合物。星際物質(“前凝聚物”)中存在化學和同位素分餾。它的主要特徵是：超新星熱凝聚物富含難熔的Ca、Al和Ti氧化物,巨恆星熱凝聚物富含s過程核素(見元素起源)，星際氣體中含Ca、Al和Ti較少,O主要在冷區凝聚為H2O,冷星雲中的非熱凝聚物富含揮發物。這種分餾是決定太陽星雲初始組成的關鍵因素。在溫暖的太陽星雲盤中，只有非熱化合物中的揮發物才發生蒸發和再凝聚作用。由於聚集形成星體的氣體和塵埃的比例不同，加以母體內的固體化學作用，產生隕石的化學和同位素異常。
電漿凝聚模型 H.阿爾文和阿亨尼斯(G. O.S.Arrhenius)認為，實驗室與空間的電漿研究結果表明，傳統的均一、平衡觀念不正確，應代之以磁化電漿的不均一、非平衡凝聚模型。他們提出，在先形成的，有磁場的中心天體（太陽或行星）周圍有“源雲”，源雲中的粒子受中心天體引力作用而加速降落，因粒子之間碰撞電離而成為電漿。由於中心天體的磁場作用，電漿形成A、B、C、 D4個雲，各雲的主要成分由元素的電離電位決定，於是導致元素分餾。實際情況涉及原子-離子-分子-塵粒之間的相互作用。各雲中除主要元素外，還含有其他混合物或雜質。中心天體周圍的電漿極不均勻並處於非熱平衡狀態，形成密度比鄰區大的低溫纖維結構──“超日珥”。超日珥中發生顆粒凝聚，形成軌道相近的顆粒流──“噴流”。噴流可以俘獲與它碰撞的其他顆粒，並聚集形成行星或衛星。由各雲凝聚物質成分的不同可解釋各行星和衛星的化學差異。
近年來發現，星雲正常的化學演化難以解釋同位素組成的異常，可能有外來物質加入正在凝聚的太陽星雲，使星雲的化學成分具有原始的不均一性。因此，非平衡的太陽星雲演化模型目前雖不夠完善，卻更有發展前景。
參考書目
S.F.Dermott ed.,The Origin of the Solar System,John Wiley & Sons,New York,1978.
