NREE：探索太空以理解地球
大約兩個世紀以來，地球科學的進步通常遵循一個共同的基本理念：地球的現在是了解其過去和未來的關鍵。這個理念是理解地球科學領域相關知識的基礎。類似的，在研究其他行星的演化歷史時，這些在地球上已知的知識也可以被用於進行相關的推測。然而，科學家們發現對其他行星的觀測又可以加深我們對地球的理解。從這個角度看，科學家們認為很多關於地球的奧秘必須要通過研究例如金星、火星或月球等地球之外的星體來得到解答。未來的太空任務提供了豐富多彩的行星觀測，對行星的探索可以在對地球的研究過程中起到重要作用。
我們對地球的大部分認識來自對地球當前狀態的觀測，以及從物理學和生命科學的視角對地球過去的推測。假設我們所知道的物理學和化學定律在整個宇宙中都是通用的，那麼地球地質學和大氣科學也可以用來理解其他行星的過去、現在以及未來。最早應用這個思想進行的科學研究可以追溯到伽利略通過對比地球和月球的山谷來研究月球。1980年，R. Sharp提出：行星探測是條雙行道。在接下來的40年內，研究者們廣泛應用來自太陽系天體的新知識來理解地球。例如在理解地球大氣、核物理、火山噴發和溫室效應等問題上，科學家都通過研究行星來尋找答案。多種多樣的太陽系行星和系外行星為解決地球最基礎的奧秘提供了重要的觀測依據。圖1展示了金星、地球、月球和火星的磁場、火山活動、板塊構造、表面液態水隨著時間的演化歷史。這些星體可以類比地球的過去，現在以及未來從而了解地球過去發生過的一些物理過程。另外，行星、衛星以及一些其他小天體可能記錄了地球本身沒有保存下來的有關地球歷史的關鍵信息。未來的行星科學探測將為地球的探索提供新的思路。美國Stanford University的Mathieu G. A. Lapotre教授及其合作者在Nature Reviews Earth & Environment期刊發表綜述文章 (Lapotre et al., 2020) ，整理了一系列科學問題來展示如何通過行星探索來了解地球。
圖1 目前推測的金星、地球、月球和火星的磁場、火山活動、板塊構造、表面液態水隨著時間的演化過程（Lapotre et al., 2020）
一、行星可以作為地球的參照物
地球的歷史有幾個重要時間節點，包括地核的形成；發電機的產生；早期大氣層的產生；板塊運動的開始；生命的出現。太陽系其他行星可以作為地球不同時期星球環境的參照物。由於持續進行的板塊運動，地球早期的演化歷史在地表的痕跡都被抹除了，迫使人們把目光轉移至其他行星。以下4個科學問題可以通過類比早期地球和其他行星來進行研究。
1. 地核與發電機形成
古地磁記錄表明地球磁場從35億年前就開始了持續不斷的活動，在大多數時間下磁場強度與現代磁場強度相近。然而地球熱力學演化模型推測地核發電機的開始應晚於15億年前。這個差異被稱為「地核悖論」，其關鍵問題是地核發電機為何能開始得那麼早並且持續存在（例《顆粒鋯石古地磁研究揭示冥古宙地球發電機狀態》）。由於冥古宙到古太古宙時期的古地磁觀測較為模糊，解決地核悖論應著眼於其他星球。月球與火星的大小不能支持其產生類似地球發電機的物理過程，但火星和月球觀測到了40億年前的古磁場記錄。金星目前未觀察到全球性磁場，但尋找金星的地殼剩餘磁場可以揭示地球與金星是否有一個相似的早期演化過程。
2. 地球大氣層演化
地球大氣層演化模型依賴於大氣層形成時的地球原始成分，但地質記錄極其有限。形成於太陽系早期的小行星隕石可以為大氣層原始成分提供記錄（例《小行星Bennu和Ryugu的新發現對小行星起源和演化的新認識》）。因此地球早期的大氣層演化模型可以通過隕石進行研究，隕石提供了行星形成時的原始成分。
3. 地球板塊運動的開始
由於缺乏地球形成早期的地質記錄，理解地球何時啟動板塊構造是困難的。一個可行的做法是把目光放在地球的鄰居——金星上。金星的表面相比地球更加年輕。現今金星表面巖石圈類似於地球的太古宙巖石圈，其地幔比地球目前更熱約200K且其巖石圈更薄。若地球板塊運動起源於太古宙，金星表面的構造特徵能為研究地球何時開始板塊運動提供線索。
4. 生命形成前的地球化學循環
生命行為深刻影響了地球的表面過程。生命活動顯著影響著巖石風化，土壤形成和侵蝕，長期氣候變化等地球表面過程。通過地球化學循環，生命活動影響著地球表面沉積物的通量。但在生命存在之前，地球地質記錄相對匱乏。相反的，火星表面有豐富的地質構造，提供了獨特的窗口來研究地球在生命形成前的地質過程、地球化學循環與地球古氣候（例《火星生命探索——「好奇號」發現古老的火星有機物與季節性變化的甲烷》）。
二、行星可以作為天然實驗室
完備的地質或大氣模型需要知道所有控制變量。然而在地球上的觀測不可能測試所有變量，因此模型的預測能力往往受到未知變量的限制。不同行星的物理化學特性多種多樣，可以在一些地球環境無法實現的變量空間為我們提供獨特的實驗環境。以下三個科學問題就可以利用太陽系行星的多樣性來研究。
1. 構造活動
地球是太陽系行星中唯一一個有明顯板塊運動的星體。地球的軟流圈含有豐富的水，被認為在板塊構造中起到了重要的作用。然而這種理論最近受到了質疑（Fei et al., Small effect of water on upper- mantle rheology based onsilicon self-diffusion coefficients. Nature, 2013），有研究表明在上地幔流變學中水只起到了很小的作用。金星大小與地球類似，但其地表缺乏水且沒有板塊構造的跡象。火星大小比地球小得多，但其內部和地表都富含水，卻也沒有板塊構造。因此對不同大小、含水量和水分布的行星進行構造活動觀測將有助於理解水對板塊構造影響的物理機制。
2. 失控的溫室效應
地球表面覆蓋著藍色的海洋，是太陽系中唯一表面穩定存在液態水的行星（如圖2所示）。但是隨著太陽的衰老，地球的海洋與可宜居性將發生變化。金星失控的溫室效應是一個經典的例子。年輕太陽的亮度逐漸增加，當達到某一光度閾值時，金星表面迅速熱化，水蒸氣聚集到金星大氣中，引起的溫室效應使金星地表溫度急劇上升，最終使海洋全部蒸發。儘管人們堅信今天的地球可以避免這種災難性的後果，但金星大氣演化告誡人們太陽微小的變化就可能顯著改變地球的環境。
圖2 隨著溫室效應和太陽活動而移動的「宜居帶」（Lapotre et al., 2020）
3. 底形和沉積物運輸
底形（Bedforms）構造如漣漪或沙丘，是當流體經過顆粒狀地表時產生的地貌形態。例如水流經沙子或礫石，風流經沙子，會產生波紋狀的獨特地貌。由於底形構造與環境息息相關並可以得到保存，一直是地球古環境研究的重要指標。人們對地球底形構造的理解基於地球地表的觀測，但這種理解在其他行星的觀測中受到了挑戰。如圖3所示，火星米級風成沙丘很常見，但在地球卻罕有觀測。對這些沙丘構造的認識不僅為現有的地球沙丘成因機制帶來了考驗，也促使我們對地球河床及風沙底形構造有了新的理解，對地球環境及沉積記錄有重要的應用價值。
圖3 （a）火星上的大型風成沙丘；（b）美國加州的風成沙丘；（c）乾枯河床上的水成漣漪（Lapotre et al., 2020）
三、太空可以作為「檔案館」
由於月球形成時的大撞擊過程、不斷循環的板塊構造、大氣層和水循環的侵蝕等原因，地球的地質記錄中缺少了地球歷史的很多關鍵信息。科學家們認為這些信息並沒有完全丟失，而是可以通過太空探測來找到。以下3個科學問題可以用來闡明如何通過太空探索來重建或推斷地球遺失的歷史記錄。
1. 地球形成
地球與成千上萬系外行星形成於相似的宇宙環境。首先，氣態的原始行星吸積盤將持續1-10 Myr，然後行星胚胎之間相互碰撞持續100 Myr。只有觀測類似年輕太陽的恆星星系才能重構出地球形成早期的重要信息。長期以來，隕石一直被用來推斷太陽系和地球的早期形成歷史（例《地核及地球的碳含量》）。另外觀測系外原始行星吸積盤將幫助人們理解地球形成的過程。
2. 月球檔案館
月球是地球早期歷史的檔案館，因為月球的高地區域自月球形成初期以來還沒有被嚴重的改造過。通過比較地球和月球的Hf-W同位素構成（例《Hf-W體系對月球形成時間的啟示》），阿波羅探測計劃採集的月球樣品可以被用來確定地核形成的時間。月球樣品的鋯石定年結果顯示，月球形成時的大撞擊過程發生在45.1億年附近（例《月球起源與地球巖漿洋》）。地球的隕石撞擊歷史對理解冥古宙地表環境至關重要，但由於地球地質活動的影響該記錄並沒有在地球上成功保存下來。然而，由於月球和地球共享一個環繞太陽的運行軌道，因此，月球提供了一份獨特的關於地球冥古宙時期隕石撞擊歷史的記錄（例《月球與水星上淺隕石坑中的厚冰沉積》）。此外，最近在阿波羅14號樣品中發現了一顆可能來自地球的隕石，如果其地球起源得到證實，那麼該隕石就為冥古宙和太古宙時期的地球提供了一個全新的研究窗口。此外，月壤也可能記錄了地球早期的大氣成分（例《月球背面月壤蘊藏著地磁發電機35億年演化的信息》）。
3. 年輕的太陽
有研究認為，在大約40億年前太陽的亮度只有現在亮度的70%-75%。這帶來了「黯淡太陽悖論（Faint Young Sun Paradox）」：在昏暗的太陽下，液態水如何在地球和火星表面穩定存在而不結冰的。如果地球早期大氣中存在諸如CO2、CH4、NH3或H2之類的溫室氣體，則該悖論可以得到解決。然而長期地質活動導致在地球上無法找到形成早期的沉積記錄來研究當時的大氣成分。火星是驗證這一猜想的理想目標，火星的沉積記錄比地球更長。因此，火星土壤的採樣返回可以解決這一重要問題。
地球科學與行星科學之間的對話是許多基礎問題進步的根本。太空探索可以加深人類對地球的理解。短期內有許多深空探測項目已經啟動，可以預見通過這些深空探測項目我們將更進一步的了解地球。但是太空探索是一項艱巨的工作，在地球上科學家完成的即使是最簡單的工作在另一個星球上想要完成都是無比困難的。不斷努力發展探測技術以及推進行星探測計劃將有助於對地球有更深刻的理解。
（編譯：高佳維，劉迪，魏勇/地星室）
校對：張崧