除了地球,其他行星有板块运动吗?

太阳系类地行星现在没有。以前?不知道,可能以前有。系外行星?可能很多都有。(下面有彩蛋)

金星地表年龄最老不超过10亿年。如果早期金星存在过板块构造,那它的地质痕迹今天也被移除得差不多了,唯一可保留的是大陆似地壳或地壳剩余磁,在金星此类遗存可能是Tessera地势,但也可能不是,至于地壳剩余磁则还没有找到。

火星地表年龄不超过40亿年,它的最早5亿年可能运转过板块运动,但其遗迹必然已经被后期构造抹除了,我们也就不从得知。板块构造一个作用是可以地幔散热,散热地幔可以冷却地核,冷却地核可以驱动地核对流来制造磁场。静止盖层构造(今天的火星和金星)通常被认为无法支持磁场(Nimmo, 2002),火星地壳剩余磁暗示火星在40亿年之前是存在过全球性磁场的。但考虑到火星质量小,地幔冷却快,或许早期火星磁场不需要早期板块构造启动。所以,我们也不知道。

板块构造条件其实是比较苛刻的,但也不至于就是说地球是个巧合,是天选之星,是上帝的宠儿。完全不是。板块构造是一个全球性系统,不是说哪个行星上有俯冲带就是有板块构造的,金星上其实也有地幔柱引发的俯冲(Davaille et al., 2017)。地球开启板块构造也不是一夜之间的事情,应该是局部地区先发生俯冲,经历过长达几亿年的转换期(Cawood et al., 2018)。

至于板块构造开启条件是什么,发生概率由什么决定,这个问题下不太适合回答。

我就说说如何在系外行星上寻找板块运动

最直接的方法是望远镜成像,绘制系外类地行星的地图。第一步,如果存在着海洋和大陆的双峰式面积分布,靠地表反照率判断,那很有可能行星存在板块构造。再细致清楚一点,大陆和海洋的大致轮廓可以更进一步佐证。至于什么时候我们的望远镜可以做到这两点嘛,第一个或许在2030-2040s的LUVOIR或HabEx望远镜升空后做到。第二个呵呵,说几个想象中的方案吧,100米级大型地面望远镜,太空公里级大型干涉望远镜阵列,月球大型望远镜,星际长途光帆飞船,550AU外太阳引力镜。在这JWST遥遥无期,WFIRST预算面临终止的21世纪,这个不是天文学的世纪,能在90后这一代死之前建成其中一个我就觉得不错了。所以大家一定要多锻炼,多吃鸡肉蔬菜,一定要撑到看被绘制出来的第一张宜居行星地图。

其实更简单的方法还是有的,现存望远镜可行的,没有这么直接,那就是在白矮星大气层里去找。可能有人觉得不可思议,去死掉的恒星大气层里面找行星板块构造的痕迹?嗯??一颗白矮星的质量和橙矮星或太阳相当,但半径只有地球大小,因此它的重力场强得异常可怕,任何比氢氦更重的元素在极短时间内就会沉到恒星核心里,留下“纯氢/氦大气”。坠入白矮星里的小行星会被瞬间气化,使得纯氢大气里短时间内富集小行星元素,称为“污染”,但在不到10年内这些重元素便会快速下沉到恒星核心里。不少白矮星光谱观测发现,它们大气里不同程度污染,元素之间比例暗示坠入恒星的许多污染体都是来自一颗完整分化后的行星碎片,表现出符合岩石圈元素比例,地幔或地核元素比例(Harrison et al., 2018)。如果板块构造存在,它会创造出一种成分非常特别的大陆地壳(花岗闪长安)。如果这块成分独特的大陆岩石圈在撞击后被部分冲击出去,最后坠入白矮星大气里,今天的光谱观测手段是可以区别出普通行星地壳(玄武岩质)和分异大陆地壳的(Jura et al., 2014)。现在已经从 NLTT 43806 白矮星大气中识别出了岩石圈成分,但更符合玄武岩质成分(Zuckerman et al., 2011)。如果有一天我们在一颗白矮星里找到大陆岩石圈元素比例,那很可能说明这个系统曾有一颗板块构造行星。

结尾彩蛋

  • 彩蛋1:寻找板块构造成因的大陆地壳碎片污染初步研究已经在两颗白矮星GD 362和PG 1225−079上进行过,但没有找到(Jura et al., 2014)。
  • 更劲爆的彩蛋2:SDSS J1043+0855白矮星大气里也有成分类似地壳的天体碎片,但不同的是这块地壳非常富集碳,很可能来自碳酸盐沉积。碳酸盐形成要求液态水的存在,地球上最富集碳酸盐的地壳都是海底和湖底,火星上干涸的湖底和地下水也有少量碳酸盐沉积。在地壳里的碳酸盐沉积?SDSS J1043+0855污染体前身是曾被海洋覆盖的地壳遗存(Melis & Dufour, 2017)?

期待未来更多的白矮星大气光谱观测。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:天苑四

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延伸阅读:
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请问木星上的一小时相当于地球上的多少时间?