我國行星化學(xué)學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀與展望

惠鶴九 秦禮萍

1 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院 月球與行星科學(xué)研究所 內(nèi)生金屬成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京 210023

2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 中國科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心 合肥 230026

3 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院 中國科學(xué)院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230026

近半個(gè)世紀(jì)以來，受益于美國“阿波羅登月計(jì)劃”帶回的月球樣品，以及同期大量關(guān)于隕石的研究，歐美及日本等主要科技強(qiáng)國的行星化學(xué)學(xué)科得到了快速發(fā)展。自此，行星化學(xué)一直是主要科技強(qiáng)國最活躍的科學(xué)研究前沿之一。我國由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的種種限制和不足，僅開展了少量的行星化學(xué)研究。因此，我國的行星化學(xué)的教學(xué)和研究一直嚴(yán)重落后于世界主要發(fā)達(dá)國家。

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，國家越來越重視深空探測，對其投入也越來越大，國家明確提出以月球、火星和小行星為主要目標(biāo)的深空探測計(jì)劃。正在實(shí)施的以月球?yàn)樘綔y目標(biāo)的“嫦娥工程”，已經(jīng)完成了“繞”—“落”—“回”三步中的兩步，目前正著手“月球樣品取樣和返回”這一最后也是最重要的步驟。這標(biāo)志著我國也已經(jīng)進(jìn)入了國際航天大國行列。2016 年，習(xí)近平總書記明確提出了要努力建設(shè)航天強(qiáng)國。從航天大國到航天強(qiáng)國的一個(gè)重要標(biāo)志是科學(xué)目標(biāo)引領(lǐng)深空探測工程的發(fā)展?？茖W(xué)目標(biāo)的設(shè)立離不開行星科學(xué)研究，行星科學(xué)研究則離不開一支強(qiáng)大的專門從事行星化學(xué)研究的隊(duì)伍，而人才隊(duì)伍的建設(shè)離不開我國行星化學(xué)學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展。基于行星化學(xué)學(xué)科在我國深空探測計(jì)劃中的重要性，本文將著眼于行星化學(xué)學(xué)科的內(nèi)涵，探討相關(guān)學(xué)科的差異，比較國內(nèi)外學(xué)科建設(shè)差距，提出我國行星化學(xué)學(xué)科建設(shè)的建議。

1 行星化學(xué)的內(nèi)涵

1.1 行星化學(xué)學(xué)科內(nèi)容

（1）行星化學(xué)的定義。行星化學(xué)是以太陽系組成物質(zhì)為基礎(chǔ)，分析其化學(xué)元素及同位素組成，包括分析返回及隕石樣品和遙感就位探測，研究太陽系元素及同位素的起源與分布，結(jié)合太陽系中行星及衛(wèi)星的物理化學(xué)演化過程，反演太陽系星云的物質(zhì)來源、太陽系的形成和演化過程的學(xué)科。它是行星科學(xué)的一個(gè)主要分支。

（2）行星化學(xué)的專業(yè)方向?；谄渲饕芯繉ο螅行腔瘜W(xué)主要包括：①元素行星化學(xué)。主要研究太陽系中元素的起源和豐度，以及元素在太陽系演化過程中的分異和分布，而太陽系物質(zhì)的化學(xué)組成主要包括行星物質(zhì)樣品的化學(xué)成分、行星地表和內(nèi)部的化學(xué)成分以及行星大氣的組成等。②行星年代學(xué)。通過放射性同位素和放射成因同位素確定太陽系形成和重要演化事件的時(shí)間序列，尤其是太陽系和各天體的形成時(shí)間、行星及衛(wèi)星演化過程中各重要事件的年齡、隕石母體的形成、地質(zhì)演化以及撞擊破碎等重要事件的年齡，從而準(zhǔn)確限定太陽系起源和演化的時(shí)間。③穩(wěn)定同位素行星化學(xué)。通過穩(wěn)定同位素有效示蹤太陽系及其各天體的物質(zhì)來源和不同天體間物質(zhì)的相互關(guān)系，定量研究太陽系物質(zhì)的同位素分餾和行星及衛(wèi)星地質(zhì)演化的物理化學(xué)過程，反演太陽系各核素的起源與太陽系物質(zhì)的分異演化過程。

（3）行星化學(xué)的研究方法。可以分為行星物質(zhì)樣品（包括地外返回樣品和隕石樣品）的實(shí)驗(yàn)室分析研究、在軌探測器的遙感測量和在行星表面進(jìn)行的就位探測。

1.2 行星化學(xué)研究內(nèi)容

（1）研究太陽系歷史——“我們從何而來？”近半個(gè)世紀(jì)以來，行星化學(xué)的研究已經(jīng)建立了太陽系演化模型的基本框架（圖 1）。太陽系在約 45.67 億年前，繼承早前恒星系物質(zhì)，形成太陽系星云，經(jīng)歷星云氣體和塵埃的聚集、吸積，形成了太陽系行星盤，通過撞擊、吸積形成太陽系中各行星及衛(wèi)星（圖 1）。但是，關(guān)于太陽系起源和行星形成等早期演化過程中有關(guān)“我們從何而來”的根本性問題，仍需通過行星化學(xué)的深入研究來解決。行星物質(zhì)的同位素異?？梢灾甘咎栂滴镔|(zhì)的起源，區(qū)別超新星和 AGB（asymptotic giant branch）星物源，從而厘清類地行星的不同物質(zhì)來源。對于人類直接相關(guān)的地球水圈和大氣圈的起源與形成時(shí)間等行星內(nèi)部的化學(xué)分異及圈層形成的關(guān)鍵科學(xué)問題，也需要通過行星化學(xué)分析研究來解決。行星表面生命相關(guān)物質(zhì)的特征和演化，需要行星化學(xué)相關(guān)的分析，從而直接為生命起源和演化提供確切證據(jù)。

（2）尋找宜居行星——“我們要去哪里？”地球誕生于約 45 億年前，孕育了生命、人類和文明。但是，地球生命賴以生存的環(huán)境卻不單單是地球本身提供的，而是和太陽系這個(gè)獨(dú)特的母星系直接相關(guān)。而茫茫宇宙之中，類似太陽系的星系可能不止一個(gè)。這些星系，也許存在生命，也許有適合生命居住的環(huán)境，都令人向往。行星化學(xué)研究可以解譯行星宜居的關(guān)鍵因素，提供行星能量演化相關(guān)的元素同位素指標(biāo)。因此，可以根據(jù)行星化學(xué)相關(guān)的宜居指標(biāo)尋找適宜生存或者生命形成的環(huán)境，從而幫助人類尋找太陽系之外的宜居環(huán)境。

（3）引領(lǐng)深空探測目標(biāo)——“我們要干什么？”

科學(xué)目標(biāo)牽引的探測計(jì)劃在當(dāng)今月球和深空探測的全球性熱潮中成為主流模式。探測的科學(xué)目標(biāo)和被探測天體的相關(guān)關(guān)鍵科學(xué)問題直接相關(guān)。關(guān)鍵科學(xué)問題的提出離不開行星化學(xué)。深空探測返回的地外樣品以及在地表收集的隕石樣品將為行星化學(xué)提供研究材料，并為太陽系的起源和演化提供新的關(guān)鍵信息。

圖1 太陽系演化過程的簡化模型[1-3]

2 行星化學(xué)的獨(dú)特性

行星化學(xué)通常被認(rèn)為是地球化學(xué)的一個(gè)分支。1984 年，我國著名地球化學(xué)家涂光熾定義“地球化學(xué)”是研究地球（包括部分天體）的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化的科學(xué)。但是，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，行星化學(xué)學(xué)科與經(jīng)典地球化學(xué)學(xué)科之間的差異性越來越明顯。

（1）研究對象的不同。經(jīng)典地球化學(xué)目前主要以地球?yàn)檠芯繉ο螅行腔瘜W(xué)主要研究地外物質(zhì)的化學(xué)元素和同位素組成及其演化過程。利用這些地外物質(zhì)所攜帶的化學(xué)信息，反演太陽系的物質(zhì)來源、星云氣體和塵埃的聚集和吸積、行星及衛(wèi)星的形成與演化過程（圖 1）。行星化學(xué)或多或少地遵循地球上的化學(xué)演化規(guī)則，但是這些規(guī)則必須修改以適應(yīng)太陽星云和不同行星的物理化學(xué)條件或起始成分[4]。

（2）研究物質(zhì)的不同。行星化學(xué)研究對象的物質(zhì)組成變化更大，包括返回的不同天體樣品、來源于不同母體的隕石以及在隕石中發(fā)現(xiàn)的前太陽系顆粒物質(zhì)。前太陽系顆粒是來源于其他恒星系的物質(zhì)。不同星系物質(zhì)的同位素組成是由恒星的核反應(yīng)所決定的。因此，前太陽系顆粒是認(rèn)識恒星內(nèi)部核合成過程的探針，而且其礦物學(xué)和化學(xué)組成特征可以制約恒星的物理化學(xué)條件。此外，球粒隕石的形成和地球巖石的成因也有非常大的差別。

（3）研究體系的不同。行星物質(zhì)的定年體系與地球物質(zhì)的定年相比更為多樣化。除了常規(guī)的放射性同位素外，短壽命放射性同位素也被應(yīng)用于行星化學(xué)的年代學(xué)中。滅絕核素被廣泛地應(yīng)用于太陽系早期演化過程的定年，可以利用182Hf-182W 體系測定包括類地行星核-幔分異時(shí)間和小行星金屬-硅酸鹽分異事件的時(shí)間，也可以利用26Al-26Mg 體系測定太陽系早期物質(zhì)的形成時(shí)間[1]。形成于太陽系演化歷史的最初始階段的隕石物質(zhì)，包括球粒隕石中的富鈣鋁難熔包體（CAI），可能保存了一些沒受擾動(dòng)的滅絕核素衰變的信息。滅絕核素不僅是太陽系早期演化的精確時(shí)間標(biāo)尺，其衰變還提供了行星演化早期階段的能量，因此隕石中滅絕核素的研究一直是行星化學(xué)的前沿領(lǐng)域[5]。金屬穩(wěn)定同位素的非質(zhì)量分餾研究一直是探索太陽系物質(zhì)起源與演化的重要方法。在行星形成過程中（包括早期的凝聚吸積、后期的核幔分異等），穩(wěn)定同位素可能會發(fā)生質(zhì)量分餾，因此穩(wěn)定同位素的非質(zhì)量分餾有助于了解太陽系物質(zhì)的來源和各天體物質(zhì)的相關(guān)性。因此，隕石中的短壽命放射性同位素衰變、宇宙射線輻射以及核合成異常產(chǎn)生的同位素非質(zhì)量相關(guān)分餾為限定早期太陽系的演化歷史、反演太陽系形成時(shí)的環(huán)境和示蹤天體物質(zhì)的來源及其關(guān)系提供了重要手段。

3 行星化學(xué)的學(xué)科現(xiàn)狀

行星化學(xué)作為行星科學(xué)的分支學(xué)科，誕生于 19 世紀(jì)初，在對太陽光譜的拍攝以及對少量隕石的研究中誕生了行星化學(xué)。20 世紀(jì) 60 年代末—70 年代初，“阿波羅登月計(jì)劃”的成功促進(jìn)了行星化學(xué)的快速發(fā)展。南極隕石和沙漠隕石的收集也使得行星化學(xué)獲得快速發(fā)展的動(dòng)力?？傮w而言，“阿波羅登月計(jì)劃”返回的月壤樣品和收集的各類隕石，為行星化學(xué)的發(fā)展提供了直接的物質(zhì)研究來源，奠定了行星化學(xué)研究的基礎(chǔ)[6]（圖 2）。

“地球和行星科學(xué)”這一專業(yè)學(xué)科名詞于 20 世紀(jì)70—80 年代風(fēng)靡于美國高等院校，當(dāng)時(shí)該國大部分地質(zhì)專業(yè)院系都改用這一名稱以跟上行星科學(xué)研究的時(shí)代潮流[7]。由此可見，“阿波羅登月計(jì)劃”對行星科學(xué)及美國高等教育的深遠(yuǎn)影響。美國各著名高校也開設(shè)了一大批相關(guān)的行星學(xué)科課程，并在美國國家航天航空局（NASA）及美國國家科學(xué)基金會（NSF）為主的資助下，建立了一批由登月計(jì)劃所帶動(dòng)并以當(dāng)時(shí)的高新技術(shù)為標(biāo)志的世界級實(shí)驗(yàn)室[7]。同期，國際學(xué)術(shù)界還創(chuàng)辦了地球科學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《地球化學(xué)與宇宙化學(xué)學(xué)報(bào)》（Geochimica et Cosmochimica Acta）和《地球和行星科學(xué)通信》（Earth and Planetary Science Letters），極大地推動(dòng)了基于月球樣品研究成果的發(fā)表和相關(guān)學(xué)術(shù)交流的需求[7]（圖 2）。在科研經(jīng)費(fèi)的支持下，“阿波羅登月計(jì)劃”返回的月球樣品在美國和其他一些主要發(fā)達(dá)國家得到了充分的測量和分析，積累了大批行星化學(xué)數(shù)據(jù)，在此過程中也培養(yǎng)出了大批行星化學(xué)人才。同期，隕石的研究也得到了充足的發(fā)展，特別是發(fā)展出了一些行星化學(xué)獨(dú)有的研究體系[1,4,5]。

在行星化學(xué)教學(xué)方面，美國已經(jīng)發(fā)展出很完備的行星化學(xué)教育體系，亞利桑那大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院、約翰 · 霍普金斯大學(xué)等眾多著名大學(xué)都已開設(shè)了行星化學(xué)課程或與行星化學(xué)相關(guān)的課程。除美國的大學(xué)之外，英國的帝國理工學(xué)院、倫敦大學(xué)學(xué)院，以及日本東京大學(xué)等也相繼開設(shè)了行星化學(xué)課程或與行星化學(xué)相關(guān)的課程。

與歐美及日本等主要科技強(qiáng)國相比，我國從事深空探測的工程技術(shù)人員不少，但從事相關(guān)科學(xué)研究的人員卻相對較少，尤其是從事行星化學(xué)研究的人員更少。顯然，我國科學(xué)家已經(jīng)意識到這一點(diǎn)，并開始努力改善現(xiàn)狀。目前，國內(nèi)行星化學(xué)教育已經(jīng)在相關(guān)高校逐步開展。中國科學(xué)院和教育部等所屬的中國科學(xué)院大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)等多所高校已經(jīng)設(shè)立了 10 多家行星科學(xué)相關(guān)的院系或研究機(jī)構(gòu)。一些大學(xué)相繼開設(shè)了行星化學(xué)課程或與行星化學(xué)相關(guān)的課程。但是，總體而言，我國行星化學(xué)的發(fā)展起步較晚，從事行星化學(xué)研究的人員不足，缺乏完備的人才培養(yǎng)體系，在技術(shù)、設(shè)備、管理、經(jīng)費(fèi)和人才資源等方面與國際行星科學(xué)強(qiáng)國均有一定差距。目前，當(dāng)務(wù)之急是加快建設(shè)行星科學(xué)研究平臺，培養(yǎng)和發(fā)展從事行星化學(xué)研究的隊(duì)伍。

4 行星化學(xué)的發(fā)展建議

無論是行星化學(xué)的科學(xué)研究，還是行星化學(xué)的學(xué)科建設(shè)，我國都遠(yuǎn)晚于歐美及日本等行星科學(xué)主要發(fā)達(dá)國家（圖 2）。這個(gè)現(xiàn)狀和我國要發(fā)展成為航天強(qiáng)國的目標(biāo)并不相稱。為了加速我國行星化學(xué)的發(fā)展，建議可以從 3 個(gè)方面開展建設(shè)。

圖2 國際和國內(nèi)行星化學(xué)學(xué)科相關(guān)重要事件的時(shí)間序列

（1）加強(qiáng)行星化學(xué)學(xué)科的課程建設(shè)。鑒于我國將開展一系列深空探測任務(wù)，行星化學(xué)的學(xué)科建設(shè)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行前瞻性的部署和建設(shè)。目前在國內(nèi)大學(xué)中，行星化學(xué)課程一般只對少數(shù)相關(guān)專業(yè)的研究生開設(shè)，受眾很少，學(xué)生專業(yè)面狹窄，這對于學(xué)科的發(fā)展是極大制約因素。而行星化學(xué)本身，具有交叉前沿學(xué)科的特性，需要多學(xué)科的交叉融合，才能更有效地教育學(xué)生，使得學(xué)生具備綜合研究素養(yǎng)，培養(yǎng)激發(fā)其科研創(chuàng)新能力。在國際行星科學(xué)研究領(lǐng)域具有極高聲望的美國亞利桑那大學(xué)，應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、大氣科學(xué)、地球科學(xué)等專業(yè)的本科生都可以選修行星科學(xué)系的課程；而該校月球與行星實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建者杰拉德 · 柯伊伯教授實(shí)際上是一名天文學(xué)家，在該實(shí)驗(yàn)室工作的科學(xué)家也都具有不同的學(xué)科專業(yè)背景。正是因?yàn)閬碜圆煌瑢W(xué)科專業(yè)背景的研究者無壁壘地參與行星科學(xué)的教學(xué)與科學(xué)研究，因而使該校一躍成為國際行星科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍高校之一。就我國現(xiàn)狀而言，在有條件的大學(xué)和學(xué)院的本科教育中，應(yīng)當(dāng)自上而下，著眼于從宏觀層面布局并開設(shè)行星化學(xué)的相關(guān)課程，這些課程可以同時(shí)開放給地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等專業(yè)的本科生選修。在擴(kuò)大影響力的同時(shí)，讓更多的學(xué)生了解行星化學(xué)并產(chǎn)生興趣，繼而投身于行星化學(xué)的專業(yè)學(xué)習(xí)中。而對于行星化學(xué)專業(yè)方向的本科生和研究生課程，必須以國際高水平學(xué)科建設(shè)體系為指導(dǎo)，依托我國深空探測任務(wù)的需要，建立適合我國國情的完整的行星化學(xué)課程體系。這些課程也可以開放給多種專業(yè)背景的研究生。不同學(xué)科、不同知識背景的研究生之間的碰撞交流可以促進(jìn)行星化學(xué)這一交叉學(xué)科的發(fā)展。

（2）深化行星化學(xué)學(xué)科教學(xué)與科研的結(jié)合。行星化學(xué)科學(xué)研究的發(fā)展可以顯著促進(jìn)行星化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。以 20 世紀(jì) 70 年代的月球樣品研究為例，“阿波羅登月計(jì)劃”的宇航員將大量的月球巖石和土壤樣品帶回地球，科學(xué)家通過對這些月球樣品的分析，獲得了突破性的科學(xué)成果。同時(shí)，這些研究也將大量學(xué)生培養(yǎng)成了行星科學(xué)家。直到半個(gè)世紀(jì)后的今天，“阿波羅登月計(jì)劃”時(shí)代培養(yǎng)的行星化學(xué)家還在對這些月球樣品進(jìn)行分析，新的科學(xué)成果依然不斷涌現(xiàn)。這也導(dǎo)致“阿波羅登月計(jì)劃”對行星化學(xué)學(xué)科的影響一直延續(xù)至今。像這樣由數(shù)量眾多的科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)共同協(xié)作完成的大規(guī)模行星科學(xué)研究項(xiàng)目對行星化學(xué)學(xué)科發(fā)展有顯著推動(dòng)作用。我國已批準(zhǔn)或計(jì)劃進(jìn)行一系列的深空探測任務(wù)。這些任務(wù)勢必引起一系列行星化學(xué)相關(guān)的科學(xué)研究。通過有效規(guī)劃，這些研究必然為我國行星化學(xué)的學(xué)科發(fā)展帶來非常好的機(jī)遇，極大地促進(jìn)學(xué)科發(fā)展。行星化學(xué)學(xué)科的快速發(fā)展也必將增強(qiáng)我國行星化學(xué)研究隊(duì)伍的建設(shè)，提高我國行星化學(xué)研究的水平。

（3）重視行星化學(xué)學(xué)科與探測工程的結(jié)合。以科學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向的工程技術(shù)研發(fā)可以促進(jìn)行星化學(xué)學(xué)科發(fā)展?？茖W(xué)家和工程師可以合作，共同制定切實(shí)可行且具有重要科學(xué)意義的探測目標(biāo)，而工程專家可以根據(jù)科學(xué)需要，研發(fā)儀器以實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。例如，美國的“好奇號”火星車幾乎整合了一個(gè)全面的行星化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，可以對火星表面進(jìn)行原位的采樣，并對樣品進(jìn)行多種化學(xué)分析以及數(shù)據(jù)處理等工作。行星科學(xué)與工程技術(shù)的有效結(jié)合，一方面有助于推動(dòng)工程技術(shù)的進(jìn)步，另一方面工程技術(shù)的進(jìn)步又有助于推動(dòng)并產(chǎn)生新的科學(xué)成果。更重要的是，在這個(gè)過程中培養(yǎng)的行星化學(xué)家兼具行星化學(xué)研究和深空探測工程經(jīng)歷，能夠更大程度上促進(jìn)行星化學(xué)的學(xué)科發(fā)展。學(xué)科建設(shè)與工程技術(shù)之間的相互推動(dòng)作用也將有助于促進(jìn)我國從航天大國向航天強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)語

新一輪月球和深空探測已成為當(dāng)今世界科學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿，越來越多的國家加入了深空探測俱樂部，民間資本也開始進(jìn)入太空探索與開發(fā)，太陽系中不同天體的樣品將被陸續(xù)返回，地球上更多不同母體的隕石樣品也將被發(fā)現(xiàn)。此外，分析儀器的快速革新和天體演化模型的不斷創(chuàng)新，使得國際行星化學(xué)又進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。

受益于我國深空探測項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，我國行星化學(xué)學(xué)科也將進(jìn)入第一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。為使我國能夠躋身于國際行星化學(xué)研究強(qiáng)國的行列，行星化學(xué)研究隊(duì)伍的建設(shè)極其重要。中國科學(xué)院大學(xué)率先設(shè)立“行星科學(xué)”一級學(xué)科，將會極大地促進(jìn)我國行星化學(xué)研究隊(duì)伍的建設(shè)。