比较行星学或行星科学是一个非常基础和前沿的学科, 是由天文学和地球科学交叉发展而形成的。在欧美国家, 比较行星学或行星科学早已发展成为一门独立的学科和研究领域, 但在我国, 比较行星学目前还是一个相当薄弱的科学领域, 还没有形成较为独立和完善的人才培养和科研机构, 这也许与我国还没有进行较大规模的深空探测有关。但随着我国经济的迅速发展, 太空探测将很有希望逐步地实施, 嫦娥探月工程是我国太空探测的第一步, 在不远的将来必将开展火星、金星以及气态巨行星的探测, 这亟需基础行星科学研究为未来的探测计划提出科学目标。为促进比较行星学的发展, 并加强我国学者之间交流比较行星学的最新研究成果, 我们在第三届地球系统科学大会上组织了比较行星学分会场。

本次会议的比较行星学分会场共收到会议论文摘要25份, 其中, 学生13人(本科生3人), 学者12人, 包括来自美国的学生2人和学者3人。分会场安排了2个邀请报告, 报告人分别是来自美国亚利桑那大学的Adam Showman教授和中国地质大学(武汉)的肖龙教授, 18个口头报告, 7张海报。与其他分会场相比, 虽然比较行星学分会场提交的论文摘要不多, 但比较行星学分会场的听众却非常多, 最多时保守估计有80人, 会场后面和两边都站满了听众。另外, 这次会议报告的质量很高, 有几项研究成果都是已发表或待发表的代表了该领域国际最高水平的研究成果。报告内容大致可分为3个部分：太阳系行星、太阳系外行星和月球探测。我们在下面按顺序介绍这些报告。

太阳系有8大行星, 靠近太阳4颗行星(水星、金星、地球和火星)是固态星球, 外围的4颗行星(木星、土星、天王星和海王星)是气态的。内卫的4颗固态星球中, 除了水星只有极为稀薄的大气层, 其他3颗都有大气层, 这3颗行星的内部构造和大气环流特征、物理和化学特性与地球的内部构造和大气性质既有相同之处, 也有很大的差异^{[1, 2]}。例如, 金星和火星的大气成分都以CO₂为主, 浓度均高达95%, 而地球大气以氮气和氧气为主, CO₂含量很低; 金星的大气层很厚重, 大约是93个大气压, 而火星大气较为稀薄, 只有大约0.007个大气压。金星和火星都没地球所拥有的板块构造, 但金星有很强的火山活动。4颗外围气态星球的大气成分很类似, 都以氢和氦为主, 均含有少量的甲烷、氨气和水汽, 但气体成分的含量有差异^{[1, 2]}。4颗气态星球的风速都比较大, 土星的赤道上空急流风速高达500 ms^-1, 但他们的大气环流特征也有显著的不同^{[1, 2]}, 木星和土星多急流, 而且在赤道上空有超级旋转急流(西风气流), 而天王星和海王星每个半球只有一个急流, 木星和海王星多涡旋, 分别有长生命期的大红斑和大暗斑, 土星每隔大约30年出现一次可环绕土星一周的超级风暴。太阳系性所展现的丰富现象需要我们运用地球物理和大气科学基本原理来研究, 对这些现象的研究反过来也有助于我们进一步认识地球科学中的关键科学问题。

关于太阳系4颗外围气态巨行星, Showman教授用流利和准确的中文综述了有关四个巨型气态星球(木星、土星、天王星和海王星)的大气动力、物理和化学过程以及内部结构的最新的成果和未解决的关键科学问题^[3]。他们根据最近的三维数值模拟试验结果, 总结和阐述了目前关于这些急流和涡旋形成的各种物理机制, 同时提出了人们对大气内部对流和大气湍流对急流形成的相对重要性以及湍流的来源等方面仍然知之甚少, 另外, 急流能够延伸到星球内部的深度也是未知的。Showman认为, 深入地理解这些问题还有待于NASA的朱诺(Juno)和卡西尼(Cassini)飞船提供更多的观测结果。Showman也介绍到, 这些气态星球大气都具有复杂的化学反应, 甲烷、氨等气体经过光化学反应产生很多复杂的有机化合物, 一些光化学产物凝结, 形成霾, 并呈现不同的颜色; 此外, 木星、土星与海王星自内向外辐射的热通量是其吸收太阳辐射的两倍左右, 表明这些星球还在失去它们形成时的原始热能; 所有四个星球均具有很强的磁场; 但是否存在岩石核心仍是个未解决的重要问题。来自加州理工学院的博士生李成报告了他的关于土星超级风暴的最新研究成果。该风暴大致每30年出现一次, 自西向东传播, 能够环绕土星一周后逐渐消失。他们的研究表明图形的超级风暴是由于大气对流有效势能超出了土星大气中因氢和水汽分子量的差异形成的大气层结稳定性, 其每30年一次的时间尺度是由于土星大气的辐射平衡时间尺度决定。北京大学闻新宇老师及其研究组汇报了使用浅水模式模拟木星大红斑的模拟结果。

关于金星和火星, 中国科大的李陶教授报告了火星赤道大气中水冰云的准半年周期变化的观测结果。李陶教授还与其学生吴兆鹏使用火星轨道探测器观测数据和模式模拟结果研究了火星中层大气温潮汐波变化和极区温度反转现象。加州理工学院的博士生潘璐使用火星轨道探测器携带的成像光谱仪研究了火星北部平原区含水硅酸盐矿物^[4], 她们的发现不支持火星北部平原曾存在海洋的假说。清华大学赵金锦报告了她们关于早期火星大气的光化学氧逃逸的研究成果^[5], 发现早诺亚纪火星大气中氧的光化学逃逸率低于前人的估计达一个数量级以上, 说明光化学逃逸率不能解释早期火星可能发生的脱水过程。中国地质大学(武汉)的博士生程子烨报告了她们关于智利Atacama沙漠Salar Grande 盆地的沉积及有机物记录。该盆地就其干燥度和高盐度来讲, 很类似火星的某些区域的环境, 是国际上开展天体生物学和探寻火星表面是否存在生命的研究基地。与地球的内部构造不同, 金星虽然有火山活动, 但却没有板块构造, 因此, 研究金星的内部结构有着特殊的意义。中国科大黄金水教授使用 Magellan 任务确定的金星地形和重力场模型资料, 在分析了金星的地形和大地水准面特征的基础上, 结合金星地幔对流数值模拟结果, 提出了金星高原地形主要与其地幔热对流柱动力过程相关的观点。

截至2014年6月, 已有将近1 800颗太阳系外行星被确认, 其中有20颗被认为是可能适宜生命存在的星球, 另外还有3 000颗候选行星有待确认^[6]。系外行星的发现大大地改变了我们对行星的认识, 尽管我们现在还缺乏直接的观测证据, 但基本可以确认, 这些系外行星与地球或太阳系行星有很大的不同, 它们展现了丰富的多样性：行星的“ 海洋” 很可能是极端高温条件下的固态星球表面岩石溶化形成的岩浆, 其“ 大气” 很可能是岩石在高温下蒸发的产物, 并非太阳系行星的大气成分, 而“ 冰” 和“ 降水” 很可能是岩石蒸汽冷却后的沉降物, 而不是我们习以为常的液态或固态水, 类地球生命是否存在于太阳系外行星同样是令人着迷的^[7]。因此, 系外行星研究在最近几年已成为行星科学研究的一个热点领域, 也同样是本次会议的一个热点。

北京大学胡永云教授探讨了位于红矮星宜居带内的类地行星是否适宜生命存在的问题^[8~11]。因为红矮星的辐射比类太阳恒星弱得多, 其宜居行星因距离母星较近而被引力潮汐锁相, 一边永远背对恒星, 而另一面永远面对恒星。人们担心该类行星的背阳面可能因为极端寒冷而导致大气和水完全冻结在背阳面, 以至于该类行星是非宜居的。他们的模拟结果表明, 大气和海洋可输送足够多的热量自朝阳面到背阳面, 从而可以避免大气成分和水气被冻结。生命存在取决于许多因素, 液态水被认为是类地生命存在的最为关键的条件。因此, 一个行星是否具有液态水时期是否是宜居行星的先决条件。北京大学博士生王玉玮结合行星轨道动力学理论和数值模拟试验研究了具有大偏心率轨道的红矮星宜居行星的气候态^[12]。他们的研究结果表明, 如果一个行星的自转角速度和公转角速度相等或前者是后者的2倍, 该行星的气候态是“ 眼球” 状气候态, 亦即无冰的区域是一经纬度固定的近圆形区域; 而当前者是后者的共振状态是半整数时, 整个热带区域都将是开放海域, 形成“ 带状” 气候态。根据这些可能的气候态, 清华大学博士生崔夺等模拟了系外行星的可能植被分布状态, 这些可能的植被空间分布为将来探测太阳系外生命的存在提供了理论上的准备。

香港大学李一良教授根据地球生命起源的各种假说和演化历史, 综合了目前天体生物学的最新观点, 展望了未来发现火星和其他地外生命的可能性。李一良还讨论了其研究组最新的关于类地行星早期大气中水汽和二氧化碳反应生成碳酸盐的试验结果及其对类地行星演化的意义^[13]。与清华大学田丰结合行星形成和大气逃逸模拟结果研究在行星形成和早期演化阶段类地系外行星水(冰)含量的变化, 他们的结论是红矮星宜居带的固态行星要么是水世界的超级地球, 要么是贫水的岩石星球^[14]。田丰还总结了其研究组过去几年对行星大气逃逸^{[15, 16]}, 宜居系外行星HD40307g的大气特征^[17]和行星大气生命信号探测^{[18, 19]}方面的工作。

褐矮星是一类介于行星与恒星之间的天体, 体积与木星相仿, 其质量大约是木星质量的13~80倍。因其质量较小, 无法产生氢核聚变反应, 而只能发生氘核聚变反应。虽然它能够向外辐射能量, 但其辐射温度比红矮星低得多^[20]。褐矮星快速自转, 但一般不围绕恒星旋转。这一特殊的星体的大气环流也是目前系外行星的一个研究热点。美国亚利桑那大学的张曦博士使用数值模式研究了褐矮星的大气环流结构, 他们特别关注两个问题：褐矮星大气环流是快速的大尺度纬向急流为主导, 如同木星, 或者潮汐锁定的系外行星比如热木星的大气?亦或是被各种小尺度的涡流和湍流所主导?他们认为这两种环流形态与有效位能的强弱有关, 有效位能较强, 有利于产生纬向急流, 反之, 产生涡旋。这些结论对进一步的观测有重要理论意义。

嫦娥探月工程的实施极大地促进了我国太空探测和行星科学的发展。我们期望我国未来的月球及火星等行星探测计划能够逐步实现, 并进一步促进比较行星学学科的发展^[21]。本次会议, 我们特意邀请了中国地质大学(武汉)行星科学研究所的肖龙教授报告嫦娥三号月球探测计划。虽然关于月球探测方向只有这一个报告, 但肖龙教授的报告把会场气氛推向了高潮。肖龙教授简单介绍了嫦娥工程绕、落、回三步走的探测计划及科学目标, 重点介绍了嫦娥三号着陆区地质背景^{[22, 23]}, 着陆器和玉兔月球车所取得的初步科学探测成果。我国第一个在地外天体上行走的玉兔号月球车, 于 2013 年12 月15 日走下着陆器后, 利用两个月昼的时间, 行走了约110 m, 完成了一个似“ D” 形路线的行走和探测任务^[24]。玉兔所搭载的地形地貌相机、测月雷达、红外光谱仪和X射线光谱仪对沿途进行了摄影测量、成分探测和地下结构的探测。根据初步的探测数据分析, 着陆点之下具有多层结构, 包括月壤层、连续撞击溅射毯、两类月海玄武岩等。计划于2017年实施是嫦娥三期月表采样返回工程, 将有望进一步解开月球科学之谜。肖龙教授还呼吁年轻的科学工作者积极投身于行星科学这个充满前途和希望的领域, 为探索行星科学之奥秘及服务于我国的深空探测重大科学工程做出贡献。

总体来说, 比较行星学分会场是相当成功的。但有几点值得我们思考：①与地球科学和天文学一样, 比较行星学研究最为重要的是第一手观测资料, 但本次会议只有3个报告涉及观测, 其他基本都是理论或数值模拟研究, 这主要是因为我们还没有自己的太空探测项目; ②亟需培养比较行星方面的青年人才, 可喜的是这次会议的大部分是青年学者, 包括博士后和博士研究生, 还有在美国留学的部分青年学者, 我们迫切需要对国内的青年学者大力支持和培养, 也要大力吸引海外青年学者回国工作; ③据我们所知, 我国从事或部分从事比较行星学研究的学者还有许多, 分散在不同的领域和单位, 但还没有一个会议场所让大家聚在一起充分交流, 我们希望未来举办全国性的比较行星学会议, 吸引全部或大部分学者参加会议, 逐步形成一个完整的比较行星学学术团体。