空間化學
正文
研究化學元素及其同位素的起源和分布，以及宇宙空間物質的化學組成和化學演化規律的學科，即研究元素與核素的空間分布以及隨時間的演化歷程，又稱宇宙化學。空間化學是空間科學的重要組成部分，並與空間物理學、天文學和地球化學等學科互相滲透，交錯發展。發展簡史 19世紀初對太陽光譜的拍攝以及對隕石礦物和化學成分的研究為空間科學的誕生奠定了基礎，這一研究開拓了對恆星、太陽系各天體化學組成的測定途徑。1917年哈金斯（W.D.Harkins）綜合了318個鐵隕石和 125個石隕石的化學成分，發現 7種元素的豐度占98.6％，這些元素均為偶元素(質量數為偶數)，提出了元素豐度的偶數律──偶元素的豐度比相鄰兩個元素的豐度值高。1930年諾達克夫婦(I.Noddack & W.Noddack)根據大量隕石的化學成分數據，報出了元素宇宙豐度。相繼於1937年戈爾德施米特 (V.M.Goldschmidt)、1956年修斯 (H.E.Suess)和H.C.尤里等提出了元素及核素的宇宙豐度。
50年代以來，由於人造地球衛星和一系列空間探測器的相繼發射,使空間化學的研究領域大為擴展。對地球高層大氣、磁場、輻射帶作了精細測定；對行星大氣層的結構和成分、行星表面的化學成分與物理環境、行星的內部結構進行了探測；編制了一些行星的“地形圖”和“地質圖”；對銀河宇宙線和太陽風粒子的通量、能譜和成分進行了測量；對太陽系中各類小天體作了觀測和研究。20多年來行星探測的豐碩成果，推動了空間化學的蓬勃發展。
對全世界已收集的2000多次隕石和南極洲的5000多塊隕石進行了多學科的綜合研究，根據研究結果，對元素豐度和元素起源以及太陽系起源的理論作了修正，對太陽系演化歷史提出了新的時間序列，對宇宙線的時空變化和生命物質前期的化學演化取得了新的實驗證據，對來自月球和火星的隕石(ALHA-81005、EETA-79001)的分析，地外物質衝擊地球引起生物滅絕災變事件的證實，引起科學界的極大關注。
自1969年“阿波羅”11號登月實施以來,相繼有9次登月取樣，使人類從整體上對月球的化學成分、岩漿活動，內部結構，演化歷史和地月系的起源增添了許多新的認識，空間化學的研究內容也更加豐富和成熟。
研究內容 空間化學研究的基本內容是元素與核素的空間分布及其隨時間的演化歷程，主要有以下幾個領域：
元素的豐度和起源 探討元素與核素的空間分布，首先必須闡明元素與核素在各類天體中的豐度，即研究化學元素在太陽、地球、月球、太陽系的其他天體、恆星和宇宙線中的分布。元素的宇宙豐度通常是指元素的太陽系豐度，為了解釋所觀測的元素宇宙豐度的格局和精細的豐度特徵，建立了一系列的元素起源理論，以闡明各類元素的形成條件、形成過程和起源場所。目前流行的元素起源理論認為，宇宙核素合成氫、氦，恆星的靜態和爆炸核合成形成一系列元素，而宇宙線與星際物質的核反應形成少量輕元素。恆星的演化階段反映了元素的形成和演化過程。
宇宙年代學 探討元素與核素隨時間演化歷程，必須測定宇宙演化重大事件的年齡，建立天體事件的時間序列。宇宙年代學的研究提供了元素與核素演化歷史的時間標尺，如宇宙年齡，銀河系年齡，元素年齡，太陽系年齡（包括形成間隔年齡、凝聚年齡、固結年齡），行星和衛星各演化階段和重大事件的年齡，隕石母體的氣體保留年齡、裂變徑跡保留年齡、宇宙線暴露年齡和落地年齡等。
太陽系化學 當代空間化學研究的主要內容為太陽系化學，即探討元素與核素在太陽系各天體中的豐度及其演化歷程。太陽系化學中最主要的研究領域有：
①太陽系的物質來源 20世紀70年代以前傳統的觀念認為太陽系的物質僅來自太陽星雲，而近10年來隕石中同位素組成異常的研究證明，當太陽星雲凝聚時，有鄰近超新星爆發產生的外來物質加入，使太陽星雲的同位素組成發生變異。
②太陽星雲中化學元素的分餾和凝聚過程 隕石、月岩的礦物組成和微量元素的研究，提供了太陽星雲中元素產生凝聚並形成各種礦物相的先後順序、礦物共生組合以及溫度、壓力變遷的歷史，從而使我們能夠推斷太陽星雲凝聚的物理化學過程。太陽星雲凝聚和吸積的結果形成了太陽系中不同化學組成、結構和質量的各類天體。
③行星化學 研究太陽系各行星的化學組成與化學演化。太陽系各行星處於不同的演化階段，它們的大氣層組成、表面特徵、物理場、地質過程、內部結構和化學組成均有較大的差異。行星化學研究在以下幾方面取得了豐碩的成果和飛速的發展：太陽星雲盤內元素的分布與各行星形成區的化學成分；行星起源與形成方式；行星大氣層的化學成分與演化過程；行星內部化學元素的分異、調整及各圈層的形成過程。行星化學的另一重要方面是研究行星演化能源與熱歷史，即研究行星內部能源的產生方式，傳導與釋放過程。行星的能源制約著行星內部結構的演化，各種地質營力的作用以及行星的熱演化歷史。
④太陽系小天體化學 太陽系中的彗星、小行星、隕石和宇宙塵等，由於個體小,母體的熱變質效應低,因而保留有太陽星雲初始的化學組成的特徵，它們是太陽星雲初始成分的代表性樣品，也稱為太陽系的“考古標本”。彗星化學側重研究彗核、彗發、彗尾的化學成分、化學反應過程及其起源。小行星化學主要探測小行星的化學類型及隕石的成因。當前隕石的研究比較集中在以下幾個方面：系統地研究礦物、化學成分以推演太陽星雲的凝聚過程；測定同位素組成，以探討太陽系的物質來源和演化年齡，探索新元素和已“滅絕”的元素；測定宇宙成因核素及隕石礦物中保存的宇宙線徑跡，以探討宇宙線和隕石物質的高能核反應過程以及宇宙線在時間、空間上的穩定性；研究稀有氣體同位素以闡明隕石母體的熱歷史與宇宙線照射史。從空間探測器、高空氣球、深海沉積物和古老地層中收集星際塵埃和行星際塵埃（統稱宇宙塵），研究它們的粒徑大小、形態特徵、通量譜、化學和礦物組成，證明宇宙塵有一部分屬星際塵埃物質或是原始太陽星雲的殘留物，但絕大部分來自小行星、彗星、隕石瓦解的產物，或是當隕石穿過大氣層時熔融散落的產物。太陽系小天體化學的研究，對探討太陽系的化學演化具有特殊重要的意義。
⑤空間有機質 到1979年底已證認出的星際分子有50多種，星際分子的發現，為探索空間有機質的來源與存在狀態，開闢了新的途徑。在碳質球粒隕石中已發現有多種胺基酸、烷烴、烯烴、芳烴、嘌呤和嘧啶等有機化合物。人工模擬有機質的合成實驗，提供了這些有機質在太陽星雲中的形成方式和存在狀態的依據。空間有機質的研究，為探索這些最原始的有機化合物，如何發展為具有新陳代謝能力的生命物質的化學演化過程，開拓了新的途徑。關於隕石中有機質的成因，多數研究者認為是太陽星雲中的催化過程或放電過程所形成，並非生物合成，也有人認為是地球以外生命物質的遺蹟。
宇宙線化學 研究宇宙線中元素與核素的豐度及其隨時間的變化。宇宙線與天體物質相互作用及其效應尤其引起人們的關注。宇宙線與行星大氣、行星表面物質和隕石中的各種元素相互作用，形成近百種穩定的和放射性的宇宙成因核素。對這些核素的產率和深度分布研究表明：銀河系宇宙線在幾千萬年以來，它的組成、通量和能譜基本上是穩定的；太陽活動的周期性對銀河宇宙線有調製作用。隕石的宇宙線暴露年齡的頻譜分析證明，行星際空間小天體之間的碰撞、瓦解和衝擊變質作用是不斷發生的。宇宙成因核素的研究還有助於計算隕石在空間的運行軌道，並可推算隕石母體的原始形狀和大小。礦物中保存的宇宙線重核徑跡的研究，可推算宇宙線中重核的成分和能譜，論證隕石通過大氣層時的飛行姿態和燒蝕量。
天體撞擊引起的地球災變 用天體撞擊地表引起災變的理論，能較滿意地解釋生物演化過程中發生大規模滅絕的事實。大型隕石、小行星或彗星撞擊地球，可以產生全球性災變事件，引起地表環境突變、海水漫溢、冰期出現和生物大滅絕，或產生區域性災變事件，如地表已確證的近百個隕石撞擊坑,全球的4次玻璃隕石事件，1906年發生在西伯利亞的通古斯事件和衝擊成礦的肖德貝里（加拿大）事件，等等。發生在白堊紀末，第三紀初（6500萬年前）的生物大滅絕事件中，有50％的生物屬或75％的生物種從地球上突然消失，恐龍、菊石、箭石等都絕跡了。世界各地的白堊系－第三系界面上均發現有銥、鉑、鋨、金、鉻、鎳、鈷等元素富集的異常。由於這些元素主要來自天體物質，因而推測是由一個直徑為10～30公里的小行星或彗星衝擊地球產生的後果。隕石坑的研究證明，大約每一億年有一個直徑為20～30公里的小行星撞擊地球，因此地外物質的撞擊會使地球產生一系列的災變事件。
問題和展望 近10多年來，空間科學技術的發展，尤其是對太陽系各天體探測的成果，新的觀測事實不斷湧現，新的資料爆炸性地增長，人們還來不及進行系統的理論分析與綜合，許多舊的概念和理論在大量事實面前遇到了嚴重的挑戰，而新的理論有待於提出和完善。空間化學所涉及的時間尺度為10-44～10-17秒，空間尺度為10-28～1029厘米，質量為10-23～1045克，溫度由近於絕對零度到1032K，涉及到各種物理、化學、生物和核過程。各種假說相繼提出，但還有一些領域仍處在模糊不清的探索階段。
隨著空間科學技術的進一步發展，人類除對自然降落在地球的地外物質（如隕石、宇宙塵等）作精細研究外，將更多地對太陽系各天體的樣品進行“就地”分析或帶回地面作精細研究，將使空間化學得到更快速的發展和提高。
參考書目
歐陽自遠：天體化學，《地球化學》（塗光熾主編），上海科學技術出版社，上海，1984。
