【元素家族——連載92】尋找人類的第二家園：類地行星的硅酸鹽表面

現在我們對地球的結構很了解了，地球有一個鐵質的內核，中間層是熔融的地幔，主要成分是硅酸鐵、硅酸鎂和少量的硅酸鋁，其表面的地殼主要成分是各種各樣的硅酸鹽，其中硅酸鋁最多。

我們相信，46億年前，地球剛剛形成之時，其化學組分和原初太陽系的平均組份差不多，氫、氦最多，然後是碳、氮、氧、氖、鎂、硅。後來，為什麼只剩下氧和硅最多呢？

我們一個一個看，首先，氦不能組成任何化合物，又很輕，不斷漂浮到大氣最上層，最容易被太陽風帶走。

氫要好一點，雖然它也很輕，但是很容易跟氧組成水，水的分子量只有18，沸點100度，所以一部分散逸到太空，剩下的一部分形成我們現在的海洋。

【地球上為什麼氫和氦這麼少，現在你明白了嗎？】

再看看碳，碳會和氫結合形成甲烷，甲烷的分子量只有16，沸點在零下162度，太容易散逸到太空里了，所以甲烷帶走了一部分氫和一部分碳，現在的地球上很難找到大量的甲烷。好在碳還可以跟氧生成較重的二氧化碳，並進而和其他元素生成碳酸鹽。碳酸鹽基本都是固體，一部分可溶，所以固定下來了一部分碳。碳元素還會搭起長鏈有機物的骨架，分子量大的有機物都不太容易揮發。地球上誕生生命以後，光合作用又將碳元素進一步固定下來，我們才看到現在地球上的各種神奇生命現象。

【煤炭，這種較「純凈」的碳元素，來自於遠古植物的碳固化過程。】

氮和碳類似，最簡單的化合物是氫化物：氨，分子量僅僅比甲烷大1，也容易散逸。氮氣的分子量28，跟空氣的平均分子量差不多，可以勉強保留在大氣圈內。好在氮可以形成硝酸鹽，大多數溶解在海洋里，少部分殘留在礦石內。

氧氣分子量32，比空氣的平均分子量29要大，因此不容易散逸到太空中，氧的反應活性很強，很容易和各種元素形成氧化物，金屬氧化物大多是固體，非金屬的氧化物一般也比較重，容易形成含氧酸和含氧酸鹽。因此地球上的氧元素最多，它還幫忙固定了很多元素。

在氖元素的篇章里我們已經說過了，氖是單原子分子，雖然原子量是20，但是單拳難敵雙手，也逐漸散逸。

鎂是金屬固體，不容易揮發，而且由於硅酸鎂的熔點超級高，當別的礦物已經處於熔融狀態，密度降低的情況下，它卻仍然保持固體本色，不斷往下沉，終於沉底到地幔。所以地球上的鎂元素基本保留，讓它穩坐地球元素排行榜第四把交椅。

【從地幔噴到地面的硅酸鎂，形成了美麗的橄欖石。】

最後到硅，單質硅是固體，其主要的化合物中，只有氟硅烷、氯硅烷和氫硅烷是氣體，這些硅烷的反應活性還很強，很容易生成硅酸鹽或者氟硅酸鹽。此外，硅的氧化物二氧化硅是固體，熔點1650度，碳化硅是超級難熔的固體，熔點大約2700度，各種各樣的硅酸鹽更是固體，也都是超級難熔的物質，只有到了地幔中的高溫才會熔融。

前面提到，氧和很多元素形成氧化物，但很多氧化物仍然具有反應活性，比如氧化鈉、氧化鉀、氧化鈣等，只有硅元素才能讓這些氧化物徹底「安定」下來。

這裡插播一個笑話，硅元素：「來吧，氧mm，不要總在外惹事了，來跟我一起過日子吧。」於是氧元素和硅元素結合成了穩定的硅酸鹽礦物，過起了安安穩穩的小日子，氧順便帶來了一幫硅的小姨子們：「那家美女」（鈉、鉀、鎂、鋁）。

【因為硅酸鹽的存在，才讓我們的地球有一個固體穩定的基底，然後才有萬物繁殖，尤其對我們陸生生物來說。】

所以我們看到，硅元素和氧元素一起，將其他各種元素固定下來，而它們倆本身就是我們星球上最多的元素。這兩種元素形成的硅酸鹽構成了眾多岩石、礦物，讓我們有一個堅實的落腳點。平時我們在奔跑行走的時候毫不在意，但這卻是我們人類文明的基礎，試想一下我們去木星這種氣態星球怎麼走路？如何生存？

宇宙中，由於氫、氦元素最多，所以大部分行星都是氣態，但還有類似地球的行星，這裡的「類似」最主要是指這樣的行星有一個鐵質核心和硅酸鹽的地幔和表面，這種星球叫做「類地行星」。在太陽系內，類地大行星就有四個：水星、金星、地球和火星，此外，小行星：穀神星由於也有一個硅酸鹽表面，所以也勉強算得上類地行星。

「類地行星」表面都會存在山峰、峽谷、火山、環形山等等，跟地球的地貌比較類似。有一些「類地行星」會有大氣，但都屬於「次生大氣」，由火山噴發而來或者由彗星帶來，而大型氣態行星的大氣屬於「原初大氣」，是它們形成的時候就有的，來自於原初太陽系星雲。

對於這些「類地行星」，人類基於目前的認知，理論上可以將它們改造成宜居的星球，因為好歹它們還有硅酸鹽的基底。我們之前在二氧化碳的篇章里就討論過改造金星、火星，雖然你會跟我說改造水星有點難度，但是你去改造木星、土星試試？

【太陽系內的四顆「類地行星」：水星、金星、地球、火星。】

相對於類地行星，還有一部分行星叫做「類木行星」，太陽系內就有四顆類木大行星：木星、土星、天王星、海王星。它們的特點是體積大，主要由氣體組成，距離太陽較遠。

它們的體積大是相對於類地行星來說的，木星的體積是地球的1300多倍。但是相對於恆星，它們仍不夠格。低於0.1個太陽質量的星球引力還不夠大，因此不能啟動核聚變，只能屈居為一顆類木行星。

它們的氣體成分主要還是氫和氦，一方面由於它們相對較大，有足夠強的引力吸引住較輕的氣體；另一方面它們距離太陽較遠，太陽風吹到它們那裡已是強弩之末，不能帶走較輕的粒子。

【類木行星：木星、土星、天王星、海王星。（自左向右）】

太陽系內，還有一些較大的衛星也有硅酸鹽的表面，跟「類地行星」的概念很類似，未來將它們改造成人類進入更深太空的中繼站，也不是夢想。

地球的衛星月球有一個很小的鐵質核心，但是有一個硅酸鹽的表面，現在的理論認為是在地球形成初期，地球受到小行星撞擊，拋射出去的物質形成了月球。

火星的兩顆衛星太小，不作考慮。

木星最大的四顆衛星，又稱「伽利略衛星」，它們的結構都和類地行星很相似，其中木衛二歐羅巴的表面還有冰層，吸引了很多人的目光，甚至進入眾多科幻小說的場景。

土星最大的衛星土衛六，也是改造為宜居星呼聲很高的候選者。

【太陽系內的類地行星和類似的衛星們。從左到右、自上往下：地球、金星、火星、木衛四（卡里斯托），土衛六（泰坦），水星，木衛三（伽尼墨透斯），木衛一（艾奧），月球，木衛二（歐羅巴），海衛一，冥王星。】

太陽系內，還有一群不速之客：隕石，大多數來自小行星帶，也有一部分來自火星和月球。每年有記錄的落到地球上的隕石有500顆以上。

按照它們的成分，可以分為石隕石和鐵隕石，其中石隕石的主要成分就是硅酸鹽，其礦物組份主要有橄欖石、輝石、長石，這些在地球上也都能找得到。所以從物理、化學的角度去看，宇宙也沒有什麼神秘的。

按照隕石內部的結構，隕石又可以分為球粒隕石和異隕石，90%以上的隕石都是球粒隕石。之所以叫做球粒隕石，是因為其內部含有大量微小的硅酸鹽球體。這些礦物是太陽系內最原始的物質，從原始太陽星雲中直接凝聚而來，它們代表了原始太陽系的化學組分，因此很有科研價值。

【1976年，我國吉林下了一場隕石雨，留下來的最大一顆隕石重約1770公斤，是世界上最大的一顆石隕石。】

天文學家們對太陽系內的天體早已經如數家珍了，他們的視野早已伸到了遙遠的太陽系外。我們的太陽系很熱鬧，有八大行星，還有很多的小行星、矮行星、彗星，其他恆星系會是一番什麼景象呢？是家家門庭若市，還是一個個光桿司令？會不會也有一些「類地行星」，成為我們未來的家園？

這個搜索計劃說起來容易，做起來卻有如登天之難，通過光年尺度的距離去觀察那些不發光的行星，就好像在月亮上架起望遠鏡尋找地球上的一顆細菌。

【想像圖，宇宙中有如此之多的家園嗎？】

對於科學家來說，世上無難事，只要肯思考。他們發展了很多方法，比如：凌日法。行星圍繞恆星旋轉，當行星擋住恆星的時候，恆星的光度會略有下降，通過觀測這些細微的變化，就可以總結出有沒有行星。

還有天體測量法，行星受恆星引力的同時，恆星也在受到行星的引力的作用，因此從觀測看來，它會有輕微的擺動，通過觀測這種細微的擺動，可以計算出有沒有行星在吸引它。

這是最常用的兩種方法，此外還有利用相對論效應、引力透鏡等方法。截至2016年8月份，已經確認的系外行星已經有3310個之多，原來，我們的地球在宇宙中不孤獨。

【向大家推薦這個APP：系外行星（Exoplanet），只要新發現了一顆系外行星，都會更新它的數據。此外還可以用天文尺度的視角來看銀河系之大，3D，感受一下宇宙的浩瀚。】

發現的系外行星中，大多數是氣態的類木行星，因為他們足夠大，容易找得到。現在的天文學家對系外的類木行星基本已經麻木了，因為類木行星畢竟沒有硅酸鹽基底，不適合生存，如果能找到系外的類地行星，則一定是重磅消息！

2016年5月，《Nature》上發布了一篇文章。原來，早在2015年底，科學家們在一顆距離地球約40光年的恆星Trappist附近發現了三顆系外行星，它們極有可能都是類地行星，最外側的那顆行星溫度約為30度，和地球十分接近。

這實在是一個振奮人心的事件，我們相信，隨著科技手段的提升，我們會不斷發現更多的類地行星，這些硅酸鹽表面的星球會不會成為人類今後的殖民地？

【恆星系Trappist的假想圖，三顆行星圍繞它旋轉，最外側的那顆很類似地球。】