在地球上，全球變化的研究將地球科學推向系統(tǒng)科學的高度；走出地球，全球變化的原理同樣可以應用于地外星球的研究。只是缺少了生命，甚至缺少了水，地外星球的環(huán)境比地球簡單得多。有了生命和水，地球才成為你我生活的樂園，可同時也給解譯地球系統(tǒng)之謎出了難題。解剖地外星球簡單的“全球變化”，可以幫助我們認識自己星球演變的奧秘，而這方面內容最為豐富的，當然是火星。

火星上的全球變化

火星上有水流、有沉積巖，我們也了解了火星的兩極冰蓋和軌道周期，這里又來談火星的全球變化，這種“偏愛”的原因是火星和地球的相似性。論距離，火星是地球的近鄰；論半徑，火星是地球的一半；地球一天24小時，火星24小時40分；地軸的傾角23.4°，火星傾斜25.2°。而且對火星的研究程度高，已經編出了地質圖、提出了年代表，兩者的比較對研究地球大有裨益。

從地形上看，火星和地球的南北半球都不對稱。地球的北半球大陸多、南半球大洋多，而火星的南北差異要嚴重得多：南半球比北半球高5 km，是個環(huán)形坑密布的高原，保留著火星形成初期隕石撞擊的表面；北半球可能發(fā)育過海洋，造成了較新也較平的地形。最為突出的地形特色是峽谷和火山：赤道上4 000 km長的水手號大峽谷（Valles Marineris），300 km 寬、7 km深，占據了火星圓周的1/4，是太陽系里最大的峽谷，推測是地幔隆升造成的斷裂；奧林帕斯（Olympus）火山高20 km，直徑600 km，是太陽系里已知的最大火山，推測是因為火星沒有板塊運動，巖漿房在上億年的時間里在同一地點噴發(fā)，形成巨型山體。奧林帕斯可能在2億到1億年前形成，最近的一次噴發(fā)估計距今只有200萬年，對當時火星的環(huán)境產生過重大影響。

從氣候來看，火星的氣候屬于“超級大陸性”：火星上缺水，土壤也是干的，因此表層的熱容量極低；火星的大氣層極其稀薄，表面的大氣壓力只相當地球上3萬米高空的氣壓，因此火星的晝夜、季節(jié)溫差都比地球強烈得多?；鹦悄习肭蛳募景滋炜梢缘?0 ℃，夜里會降到-100 ℃?；鹦堑臏夭钤谟谀媳卑肭蛑g而不是地球上那樣在熱帶與兩極之間；而且稀薄的火星大氣沒有同溫層，這就決定了火星大氣環(huán)流與地球不同。地球上的大氣，從赤道到30°緯區(qū)形成哈德雷環(huán)流圈，南北半球各有一個（圖1左），而火星上卻只有一個哈德雷環(huán)流圈（圖1右）。

火星上的強烈溫差決定了風場的強度，干旱的氣候又造成風塵的發(fā)育，因此風塵作用對于氣候的影響之大，也是地球上所不見的?；鹦巧铣３０l(fā)生巨型塵暴，高達10 km，直徑數十或數百米，向高空輸送塵粒，甚至使天空變色。因此火星上也有季節(jié)性，只不過沒有雨季與旱季，而是“晴空季”和“風塵季”。

圖1 地球（左）和火星（右）大氣圈的哈德雷環(huán)流

現在相信，30億年前的早期火星曾經有過活躍的水圈，很可能還有生物圈。現在火星的“大氣圈”太稀，但正因為稀而“大驚小怪”，容易“激動”；水圈太冷，全變成冰，缺乏活力；巖石圈之下的地幔又不夠熱，沒有板塊運動。所以今天的火星，是個無生命、無板塊、無液態(tài)水的“三無世界”，處在“失控的冰室”狀態(tài)。一顆星球的“全球變化”，關鍵在于圈層相互作用。一旦輕元素逸散，水、氣消盡，剩下孤零零一個巖石圈，對外無法吸收太陽能，對內缺乏深部核反應，便落得“死球”的下場，月球便是一例。如果把圈層相互作用稱作星球的“生命力”，地球與月球居其兩端，火星便是個“中間分子”，在30億年前的“輝煌時期”之后，有時還會有火山活動引起的變化，但只能是些零星出現的尾聲而已。

金星的大氣圈

在地球各個圈層中，對于全球變化最為敏感的是大氣圈。因此，比較星球間全球變化的切入點，也就在大氣圈。我們知道，太陽系星球間大氣成分不同，現在再以地球為出發(fā)點，對各個星球的大氣圈進行比較。

太陽系四顆內行星，水星太小，和月球一樣留不住大氣圈，水星表面的氣壓只相當地球表面的2×10-12，只是些太陽風帶來的氫和氦。如果將火星、地球和金星的大氣圈相比（表1），可以看出金星的大氣圈最重、溫室效應最強，對于為“全球變暖”發(fā)愁的地球人來說，也最值得研究。

金星的大小和地球最像，半徑都是6 000多千米，可是金星大氣層的總質量是地球大氣層的92倍，大氣層的厚度都差不多，區(qū)別在于金星大氣的濃度大。如果宇航員在金星表面著落，他身上承受的氣壓和地球上900多米深的海底相當，而且這大氣的成分96.5%是二氧化碳，剩下的3.5%主要是氮氣，氧氣只在0.002%以下。大氣里也極少有水，所有的水汽凝聚到地面上也只有1 cm厚，而地球上的水鋪平了厚度會超過2 km，相差十萬倍以上。金星有巨厚的硫酸云層，分布在五六十千米的高處，構成20～30 km的厚層。云層反射掉75%的太陽輻射，因此云層以下的能見度很低，而溫度急劇升高。地球上即便是高層云，離地面也只有幾千米，與金星的差距太大。如果根據大氣壓力比較金星和地球的大氣層，那么地球海平面的大氣層只能和金星五六十千米的高處相比，此層以下金星的氣溫和壓力呈直線上升，高溫高壓將是未來登陸金星所面臨的極大挑戰(zhàn)（圖2）。

表1 太陽系內行星大氣圈比較

圖2 金星和地球大氣圈及其溫度曲線的比較

在太陽系行星形成的早期，金星、地球和火星的情況應當相似，而現在三者的大氣層相差如此懸殊，反映出不同的演化途徑?；鹦堑拇髿鈳缀鯁适ТM，陷入失控的“冰室型氣候”，表層溫度-60℃；金星的二氧化碳濃集，變?yōu)槭Э氐摹芭倚蜌夂颉保F在表層溫度高達+460℃。推測40億年前，早期的太陽光度比現在低25%～30%，金星上也曾有水，和當時地球表層的環(huán)境大同小異，以后隨著太陽的演化，在離太陽較近的金星上液態(tài)水都會汽化，而大氣里的水又被太陽輻射分解為氧和氫，較重的氧可以留在金星表面和巖石圈相互作用，而較輕的氫則逸散到太空，留下其較重的同位素氘，所以今天金星上的氘/氕（D/H）值，比地球上高出100～150倍。失去了水的金星，沒有能力回收火山噴發(fā)產生的二氧化碳和二氧化硫，只能留在大氣圈里造成失控的溫室效應和毒性的硫酸云。回顧當年的內行星同胞“三兄弟”，經過三四十億年的分道揚鑣，現在已經“差之千里”。

外行星衛(wèi)星上的全球變化

太陽系外行星和地球的差別太大，木星和土星主要是氫和氦，在極度高溫高壓下“細小”的固態(tài)內核即便有“石質”成分也不能與地球相比，倒是他們的某些衛(wèi)星，和地球有若干相似之處，值得一比。這里拿來比較的是木星的木衛(wèi)二（Europa），土星的土衛(wèi)二（Enceladus）和土衛(wèi)六（Titan），這三顆衛(wèi)星都有海洋，因此也都有相當有趣的全球變化。水在宇宙里其實并不罕見，氫和氧在宇宙里的豐度排在第一和第三位，但是水呈液態(tài)出現的溫度壓力范圍太小，在宇宙里十分稀罕?？墒且簯B(tài)水不僅是生命存在的條件，也是眾多化學反應和地貌過程的必要條件，全球變化有了液態(tài)水才會豐富多彩。

這三顆衛(wèi)星都有兩個部分：里面是石質的核心，外面包著水冰。其中以木衛(wèi)二的名氣最大，原因是在十來千米厚的冰層底下有個上百千米的深海，海底的水巖相互作用可能產生與地球上相似的化學反應，從而提供了生命存在的可能性。作為大行星的衛(wèi)星，這三顆衛(wèi)星共同的特色在于強烈的潮汐作用。木星的質量是地球的三百多倍，木衛(wèi)二距離木星27萬千米，每三天半圍繞木星轉一圈，受到巨大的潮汐吸引力，這也就是木衛(wèi)二全球變化主要的能量來源。潮汐的能量足以使得衛(wèi)星上的冰層融化為液態(tài)水。不但木衛(wèi)二，靠近木星的木衛(wèi)三（Ganymede）和木衛(wèi)四（Callisto）在冰層地下也都可能有液態(tài)水，推測三顆衛(wèi)星的水量可能相當地球大洋水的30～35倍。至于離木星最近的木衛(wèi)一（Io，相距才3 600 km），已經沒有冰蓋或水層，而是有著數以百計的活火山，最高者逾17 km，是太陽系中地質活動最為活躍的天體。活躍的原因就在于潮汐摩擦產生的熱量，導致木衛(wèi)一的硅酸鹽類融熔產生巖漿。

土星比木星小，但質量還是地球的近百倍，因此土星的衛(wèi)星同樣受到巨大的潮汐引力。土衛(wèi)二最大的特色在于噴氣：土衛(wèi)二的南極有四條“虎紋”狀平行斷裂，每條130 km長，中間是0.5 km深的溝，兩邊為相隔2 km的隆起，羽狀流就從這溝里噴出（圖3）。土衛(wèi)二噴出的氣體柱要是水汽，噴出的顆粒99%是微米級的冰晶，1%是鹽分，大概因為這些噴出物的緣故，土衛(wèi)二的反照率高達80%，是太陽系里反射最強的星體。這種噴氣的動力只能來自潮汐：土衛(wèi)二太小，直徑只及月球的1/7，不可能有核裂變造成的內能，只能依靠潮汐力。推斷由于內潮作用的加熱活動，使得南部的冰層與石核之間形成“海洋”，產生出汽夾冰粒的羽狀流通過狹窄通道，從南極的“虎紋”噴出（圖3）。近年來發(fā)現木衛(wèi)二上也有水氣柱噴出，高達200 km，而且是每當運轉到接近木星的位置方才發(fā)生，顯然也是潮汐作用的產物。

圖3 土衛(wèi)二南極的“虎紋”噴氣口的解釋示圖：A. 土衛(wèi)二的切面；B. 噴氣口的通道

圖4 土衛(wèi)六的甲烷湖：表面和側面有液態(tài)甲烷，兩個甲烷湖之間有河道溝通；甲烷湖保持平衡的兩種解釋：A. 依靠甲烷雨補充；B. 依靠地下液態(tài)甲烷“水位”補充

土衛(wèi)六是顆類似于行星的衛(wèi)星，論體積比水星還大，而且在石質核心、水層和冰層之外還有大氣層。土衛(wèi)六上存在豐富的有機化合物和氮等元素，與地球早期生命形成時的環(huán)境相似。由于溫度過低，也未發(fā)現有液態(tài)水，不大可能會有生命存在，但是土衛(wèi)六有液態(tài)的甲烷。因此土衛(wèi)六和地球相似，有云、有雨、有湖泊，不過成分不是水、都是甲烷。土衛(wèi)六表面溫度極低，平均為-180℃，然而甲烷和土衛(wèi)六表面的其他碳水化合物在這一溫度下仍可以保持液態(tài)，至于與蒸發(fā)作用的平衡，可以由“甲烷雨”或者“甲烷地下水”提供補充（圖4）。土衛(wèi)六表面的大氣壓力是地球表面的一倍半，主要由氮氣和甲烷組成，尤其值得注意的是土衛(wèi)六大氣圈的有機質霧霾層，可能在地球演化的早期也曾出現，因此對于研究地球演變具有特殊價值。

浩瀚太空氣象萬千，遙遠星球上的全球變化并不影響地球人的生活，但可能有助于我們解放思想、拓寬視野，尤其在研究地球早期演化時，說不定會起傳說中牛頓樹上蘋果的作用。

本文根據《地球系統(tǒng)與演變》（汪品先等，2018 年，科學出版社）一書10.3.3 節(jié)改寫而成