本章里，我会聊聊我们居住的行星——地球，还有与地球类似的天体——水星、金星和火星这三颗类地行星，以及月球。对国际天文学联合会(IAU)的天文学家来说，月球只是一颗卫星，但从地质学家或地球物理学家的角度来看，月球的成分和内部结构使其能与类地行星相提并论。图3是相同比例下的这五个天体，相关数据在表3里。在这一组天体中，水星和月球其实没有大气层。金星的体积、质量和密度只比地球小一点点，所以金星的表面重力也只比地球小一点点，但是大气密度比地球要大得多。火星的体积比水星大，密度比水星小，由此产生的两种效应相互抵消，所以火星和水星的表面引力非常接近，不过由于火星更冷，所以它能够保持稀薄却像样的大气层。月球的表面重力为地球的六分之一，是这些天体中表面重力最低的，这是月球漫步者会以奇怪的方式四处走动的原因。表中的平均表面温度略去了这五个天体的地表温度随纬度的巨大变化，在某些情况下，还略去了昼夜之间地表温度的变化。例如在白天，水星的最高温度超过400℃，而漫长的水星之夜后，水星黎明的温度低于-180℃。
表3 类地行星的基本数
图3 上图：以相同的比例从左到右展示——水星、金星、地球、月球和火星。下图：更大的巨行星、木星、土星、天王星和海王星，还有和它们同样比例的类地行星
核
类地行星的特点是外表有很多岩石，主要是硅酸盐矿物类。但它的密度很大，里面不可能全部都是岩石，所以我们认为类地行星中心有一个富含铁的内核。没有一颗行星的核可以被直接看到或取样，但有几条彼此独立的证据链可以证明类地行星有一个富含铁的内核。其中之一是密度，即使考虑到类地行星内部会在高压下压缩，类地行星内部的密度也必须比岩石大。并且，轨道飞行器的轨道分析结果证明，沿着指向行星中心的各个方向，密度对称地增加。模拟岩质行星内部可能状况的化学模型表明，岩质行星内部深处的氧不足以使所有铁被氧化结合在硅酸盐矿物中。因此，如果行星的内部曾经熔融，金属铁因为比岩石密度更大，将向中心下沉。这是一种分化过程。
地球和水星的富铁核外侧一定是熔融状态的，证据是这两颗行星现在都有很强的磁场。地球和水星的磁场显然是由导电流体的发电机运动产生的。对于如此小的行星来说，水星的密度非常高，所以它的核一定非常大，估计占据了水星体积的40%和质量的75%。金星、月球和火星内部没有产生磁场，所以它们的核可能是完全凝固的。
研究地球时，我们通过研究地震波如何穿过地球，获得了很多关于地核的证据。地震波是由地震(或地下核试验)引发的振动，它证实了地球有一个半径为1215千米的固态内核和一个半径为3470千米的液态外核，这两者的成分似乎都主要是含有5%~10%镍的铁合金，但地球的密度参考值说明地核含有密度小于铁的物质，它只占地球外核的6%~10%，内核的2%~5%。对此最可能的解释是地核里混进了氧、硅和硫。
总的来说，地核约占地球体积的16%。金星和火星的核分别约占各自体积的12%和9%，这两个数值主要是根据两颗行星的平均密度估算出来的。另外关于月球有限的地震数据来自阿波罗计划，它们暗示着月球有一个相对较小的核，半径在220~450千米之间(不到月球总体积的4%)。大约每20颗陨石中就有1颗成分是含4.5%~18%镍的铁合金，这与小行星带中小行星的核一样，这些核在碰撞分解前就已经在内部分化了。
幔和壳
类地行星核周围的硅酸盐部分被称为幔。幔占据了类地行星的大部分体积和大部分质量(除了水星)。壳是覆盖在幔上相对较小的部分，也是由各种硅酸盐组成的，不过在成分上与幔略有不同。
行星目前的幔是由熔化的岩石演化来的，这些岩石曾在最终的巨大撞击时覆盖整个行星，地质学家称之为“岩浆海洋”。在岩浆海洋冷却的过程中，它的表面会向太空辐射热量，使其冷却成坚硬的外壳。然而，由于来自下层的湍流和上层的撞击，这层外壳会不断地反复破裂然后被搅动。岩浆海洋会持续冷却，但不像水球会最终冻结，类地行星上没有使整个岩浆海洋变成固体的特定凝结温度。熔融硅酸盐物质的性质就是这样，各种成分的矿物会在不同的温度和压力下结晶。行星科学家们还不确定岩浆海洋的分层结晶程度，也不确定密度高的矿物是否能够下沉，密度较低的矿物是否能够上浮，或许它们还会粘在一起形成巨大的“岩石冰山”，能使其自身更有效地浮起。
这些聚集的漂浮物质在化学成分上与其下方的岩浆海洋不同，它们形成了月球最早的真正意义上的壳。如今，聚集的漂浮物质在月球上以高地(月球表面的苍白区域)的形式存在。在更大的类地行星上，最古老的地壳的性质还没有被确定，部分原因是最古老的地壳很多被后来的壳所取代(至少被覆盖了)。要想知道这是如何发生的，我们必须把注意力转回幔。当一颗年轻的行星冷却下来时，它的幔会完全凝固，硅酸盐物质的两个重要特性随之开始作用。其中之一是：足够热的硅酸盐固体既不是完全不动的，也不是完全定型的。行星内部的热岩石能够以每年几厘米的速度(和指甲生长的速度一样)流动，就像一块沥青会随着时间变形一样。对一个坚固的幔来说，如果存在驱动力，在固体地幔中会发生缓慢的，但在地质学上来说是实实在在的移动。在行星内部，推动幔的动力来自热量。深层幔，其密度将略低于较冷的上部地幔，因此它们有交换位置的趋势。这种运动被称为对流，你可以在加热的汤锅中观察到它，但在行星内部，“固态对流”要慢得多。
想象一条由热幔形成的“饰带”或“羽流”在向上流动，并将较冷的幔向下置换。离地表越近，上升幔所经受的压力就越小，这就用上了硅酸盐的第二个相关特征。随着压力下降，硅酸盐开始熔化，这一过程被称为“部分熔融”，因为只有部分固体会熔化。这样形成的岩浆里二氧化硅的含量会略高于形成岩浆的固体。由此产生的岩浆密度也比固体低，浮力会把岩浆向表面挤压，尤其在覆盖在岩浆上的岩石受张力或已经断裂形成通道时。除非岩浆成为侵入物滞留在地下，否则它会通过火山向外喷发。
以这种方式形成的岩石被称为火成岩。岩浆活动所产生的壳可以通过渗透或覆盖的方式取代行星原有的壳。月球上的黑斑，也就是月球上的“月海”——是低洼地带，那里颜色较浅的原始地壳被以这种方式产生的熔岩流掩埋了。现在地球上壳的来源一个是地幔部分熔融形成的海洋地壳，还有多代海洋地壳熔融、再循环形成的大陆地壳。地球的海洋地壳厚6~11千米，而大陆地壳的厚度可以从较薄拉伸地带的25千米左右上升到主要山脉下面90千米。总的来说，地壳只占地球总体积约1%。月球的壳的平均厚度约为70千米(占月球体积的13%)，范围包括高地地区大于100千米到某些主要撞击盆地下的20千米。
总之，在化学成分上，壳与下面的幔类似，不同之处在壳从幔中提取的方式。壳的密度较低，一般来说二氧化硅含量比幔高。壳比幔更多样化，壳中有岩石，它能与任何大气或液态水发生化学反应。这些岩石被分解或溶解，被重力、风、水或冰带走，沉积在其他地方。这些沉积物叫作沉积岩。埋藏、变形和加热可导致沉积岩或火成岩再结晶，通过这种过程形成的岩石被称为变质岩。
内部热量
行星的内部很热，部分原因是吸积过程留下了热量。对更大的行星来说，这种“原始热量”现存的比例会更大。因为含热量与行星体积有关，行星体积取决于半径的立方，热流失受表面积的限制，表面积只取决于半径的平方。
行星内部也会因为放射性同位素的衰变产生热量。会衰变的放射性同位素有很多，但只有四种会产生明显的热量：钾-40、铀-238、铀-235和钍-232。由于它们的化学特征，这些元素在岩石壳中的含量比在幔中更为丰富。在地球上，地壳所产生的辐射热(放射性衰变)与体积比地壳大得多的地幔所产生的辐射热大致相同。
类地行星产热元素的总量取决于它的质量(也取决于体积)。就像原始热量一样，在更大的行星上，放射热会被更有效地保留下来。以地球为例，现今散发到地表的热量仅有一半左右是原始热量，其余几乎都是放射热。
岩石圈
在壳和幔交界以下到达一定深度之后，物质通常会发生由冷而硬到热而流动的转变，壳和最上层幔构成了一个均一的力学层——一层坚硬的外壳。它被称为“岩石圈”，我们用希腊单词lithos （岩石)来表示这层岩石具有普通岩石的力学特性。岩石圈下面是幔，虽然幔的成分也是岩石，但它足够热，足够脆弱，可以产生对流。这个区域有时也被称为软流圈(asthenosphere，包含希腊语a-sthenos表示，意思是“没有力量”)。
地球的岩石圈大约有100千米厚，被分成了许多板块。由于底层软流圈特别脆弱，这些板块会被“冲散”。作为“板块构造”过程的一部分，岩石圈在板块被拉开的地方(通常是海洋深处，我们看不到)形成，然后会在一个板块被拉到另一个板块下方之后(也就是海沟标记的俯冲带)被破坏。大多数地震是由一个板块被邻近板块碾压所引起的。如果有人告诉你地球板块构造是“地壳在地幔上滑动”，那他们就错了，他们犯了许多学校教科书和考试大纲上常见的错误。事实上，地球板块是由地壳和与其连接的最上层坚硬地幔组成的，它们一起滑过更深、但不那么坚硬的软流圈地幔。
岩石圈是脆弱的，当一块岩石碾过另一块岩石时，就会发生断层。断层在地球上很常见，尤其是在两个板块相遇的区域。我们在其他行星上也发现了断层(图4)。
图4 500千米宽水星局部图。太阳光来自右边。影子标出一个千米级的陡坡，它的一侧有一个开放的字母M的形状。这是一个名叫猎犬悬崖的古老逆冲断层，它标志着右边(东边)的地面被推到左边(西边)的地面之上。图中一些陨石坑比这个断层更古老，而另一些则比这个断层更年轻
板块构造似乎是地球特有的。水星、月球和火星是更容易冷却的较小天体，它们的岩石圈也更厚，这无疑是仅在地球有板块构造的原因之一。但另一个更重要的因素在于，要使板块具有可移动性，软流圈的顶部需要足够脆弱。在地球内部，岩石当中含有少量水，这不仅让它们更脆弱，还形成了少量能润滑颗粒边界的熔化物。金星没有水分，所以它的软流圈是干燥的，岩石圈板块无法在其上自由滑动。
行星的软流圈或是干燥或是非常深厚，这对行星表面产生了两个主要影响：第一个是影响山脉的高度和盆地的深度。如果山脉和盆地的落差太大，软流圈就会使覆盖在上面的岩石圈流动并弯折，将地形反差度降到足以仅靠岩石圈的强度来支撑。第二个是影响软流圈带来的大冲击导致的裂纹。直径几十千米的冲击物以排山倒海之势冲击岩石圈，将其破坏，形成了盆地状的陨石坑，并带有同心裂缝环这一特征。在较薄的岩石圈中，这些同心裂缝环往往更加致密，因此可以用一些多环碰撞盆地来估计软流圈形成时的深度。当一颗行星慢慢冷却时，其岩石圈会逐渐变厚。
火山活动
岩浆是熔岩爆发前的名字，它主要有三个产生原因。热量可以直接作为岩浆的第一个成因，但也是最不重要的一个。行星岩石圈以下的热量积累缓慢，这可能导致大量的火山活动，行星内部强烈变化的潮汐应力又会造成星体内部的摩擦，导致“潮汐加热”，形成岩浆。压力的突然降低也有可能导致熔融，这可能是岩浆的第二个成因，这一情况只发生在大型撞击盆地所在的幔上。幔的上升区压力降低会导致熔岩部分熔化(例如，导致地球海洋地壳的形成)。岩浆形成的第三个原因是将水引入地幔或地壳，下层水会降低硅酸盐熔化的初始温度。地球俯冲带的上方有一串火山，因为被向下拖拽的俯冲板块的岩石中含有水，这些水向上渗入了俯冲板块上的覆盖板块底部。覆盖板块底部的温度没有热到足以使熔岩直接熔化，但即使温度没有上升，只要引入水，熔岩就会开始熔化。
月球
自从人们通过望远镜看到月球上的火山口，就开始推测月球火山活动。但他们错了，因为我们现在相当肯定，月球上几乎所有的环形山都是由撞击造成的。事实上，月球上主要的火山区域是那些曾被认为是干涸海床的黑色区域，尽管它们的名字仍然是mare(发音为mah-ray)，意思是“海”。黑色区域的名字的复数是“maria”(发音为mah-ri-a)。火山区覆盖了约17%的月球表面，大部分位于月球离我们近的那面，也就是一直面向地球的那个半球。在这里，与陆地玄武岩成分相似的熔岩已经淹没了大多数多环碰撞盆地。
月海玄武岩的具体喷发口很难确定(图5)。这些喷发口很明显不是圆锥形火山，很有可能是裂缝。最有可能的是，炽热的熔岩通过裂缝被膨胀的火山气体喷射到高度超过1千米的地方。熔岩掉到地面的过程中，仍然炽热得足以摊开，蜿蜒流下数百千米。随着喷发速度的减弱，大部分裂缝的喷发口自动封闭，或者被后来的火山喷发所掩埋。
图5 200 千米宽的视野下，月海的东南边缘。右边的崎岖地形是盆地边缘部分隆起的高原地壳。左上方较暗、较光滑的区域是月海玄武岩，它淹没了地势较低的地区。一条名为哈德利沟纹（Hadley Rille）的1千米宽的海沟从南到北穿过视野中心。我们认为这是一条通道，熔岩从一个几乎被阴影遮蔽的源头流出后，流经这里。阿波罗15号在接近图像的中间、靠近哈德利沟纹的地方着陆
阿波罗的六次登月计划 (1969—1972年)中，有四次是在月海上登陆的，因为那里地势平坦，比高地更安全。阿波罗号带回了可供分析的月海玄武岩样品，通过其中的放射性物质的衰变情况(放射性年代测定法)，我们进行了高精度年代测定。该样品展示了年龄在39亿年到31亿年之间的月海，这样长时间的火山作用可以对月海做最简单的火山解释——盆地形成直接引发了火山作用。此外，2000年后的研究已经测定了一些重叠陨石坑足够少的月海，这些月海的年龄都小于12亿年。但在2007年，地球上发现了一片被认定为陨石的月球碎片。这个碎片是作为陨石撞击的抛射物被抛出月球的，里面含有已经存在43.5亿年的玄武岩碎片，比晚期重轰击的结束时间提早了5亿年。如此高龄的月海被随后形成盆地的抛射物掩埋，已经看不见了。所以如今我们知道，月球上的火山活动开始得早，结束得晚。
水星
水星的知名度远不如月球。不到一半的水星图片是由美国国家航天局(NASA)的水手10号在1974年至1975年间拍摄的。此后，再没有探测器到达过水星。直到2008年，美国宇航局的信使号探测器开始一系列的多重掠行后，水星才再次被探访。信使号探测器揭示的细节足以消除大多数人对水星上火山活跃程度的怀疑。如图4中右下角光滑的地形和正上方直径为120千米的盆地现在被认定为火山。水星缺乏浅色高地和深色熔岩之间反照率(反射亮度)的对比，人们先前最怀疑的就在这儿。浅色高地和深色熔岩使月球上的月海十分明显，这似乎是因为水星熔岩矿物质里的铁含量比月球(和地球陆地)玄武岩里的铁含量要少得多。熔岩形成的平原可能占了大部分水星表面，其中一些年龄大到可以追溯到晚期重轰击时代，还有密集的陨石坑。另一些熔岩形成的平原年龄比较小，上面的陨石坑较少。
信使号拍摄了一些火山口的照片，还拍摄了一些奇怪的10千米大的斑点。这些斑点有些明亮，有些黑暗，可能是特别年轻的爆炸性喷发点。在宇宙飞船进入水星轨道更系统、详细地记录水星图像之前，水星火山活动的持续时间很可能还无法确定。确认水星火山活动的持续时间的第一个机会将是2011年[1]信使号进入水星轨道的时刻。如果信使号仍然没有解决这个问题，那么水星火山活动的持续时间将由欧洲航天局的贝比科隆博(BepiColombo)水星探测计划来解决，该任务计划2020年抵达水星。但可以肯定地说，水星的大面积熔岩至少是在30~40亿年前形成的，但很可能在过去10亿年内还有熔岩形成。水星上有如此长时间的火山活动是人们没有预料到的，这可能是由同一个神秘热源加热，并且这个热源还使水星的核心至今仍有部分熔融。
金星
金星比水星大得多。它的大小和质量表明，金星产生的热辐射几乎和地球一样多，因此金星上火山活动的频次也和地球差不多。但由于金星没有板块构造，两者火山活动的形式大相径庭。
金星有一个浓密的、永远多云的大气层，这使得我们能用雷达来研究金星之前，它的表面一直是个谜。图6显示了美国国家航天局(NASA)的麦哲伦号探测器获得的部分金星雷达图像。该探测器在1990年至1994年间几乎绘制出了整个金星的地图。通过向地面连续发射一连串雷达脉冲，再对反弹回来的波进行复杂分析、组合，形成了雷达图像。在大多数情况下，你可以像看黑白光学图像一样看雷达图像，但事实上，行星每个特征的亮度主要取决于行星局部表面的粗糙程度，而不是它对可见光的反射率。
图6展现了金星表面的大部分特征，多个从西向东的熔岩流穿过图中，一些更粗糙(更亮)，一些更平滑(更暗)。单个熔岩流的叶状模式与地球和火星上的熔岩流非常相似，但这种模式在月球和水星上却很难辨别，因为月球和水星上的熔岩流边缘已经被撞击分解了。
图6 麦哲伦号拍摄的500千米宽的部分金星图像。该地区部分是熔岩，源自图像中心以西300千米处。但图像东南角是一些崎岖的地形，代表金星上现存的最古老的地壳。图像的西部，从北到南是一个被熔岩流破坏的带脊和断裂地形的山区
除了大约覆盖了表面一半的熔岩流，金星上还有许多清晰可辨的火山。图7显示了一个例子，该图片的背景是一座5千米高的火山，侧翼呈缓坡状。这种火山在地球上被称为“盾状火山”，是玄武岩通过一个火山口反复喷发形成的。在火山的侧面可以看到单个熔岩流。没有人知道这座火山或其他类似火山的上一次喷发是在多久以前。金星近期或现今的火山活动，是否都存在这种形式？对于这些问题，有一些有趣的线索，但都没有证据。因为这些火山活动太小了，无法提供计算陨石坑的可靠统计数据。这座特殊的火山建立在一个较古老的地域上，这个地域更为平坦，上面有许多裂缝。图7前景中的陨石坑可能与它左边明亮的熔岩流无关。
金星上有超过300个被称为“冕”(coronae)的同心环状或椭圆形裂缝。我们认为这些裂缝的起源与月球和水星的多球撞击盆地不同。它们的直径从200米到2000多千米不等，通常与某种形式的火山活动有关。也许每一个冕都标志着一个地点，即软流圈中上升的地幔柱顶住岩石圈的底部。地幔柱仍在这里的冠状抬升为非常宽的圆顶，而较早的冠状区因为缺少地幔柱的支撑，会渐渐塌陷。这种下陷解释了同心断裂。
图7 计算机生成的金星上玛阿特火山（Maat Mons）的三维透视图。该图是通过在雷达测高仪获得的地形模型上覆盖雷达图像来实现的，火山的垂直尺度被放大了10 倍。这两组数据都是由麦哲伦号探测器收集的。右前部分的陨石坑直径23千米
金星上的陨石坑比地球上要多，但远比月球和水星上的少(在图6中你不会发现任何陨石坑)。这其中两个因素在起作用。在金星上是看不到直径小于3千米的陨石坑的，它稠密的大气层保护了其表面不受小撞击。但有一些较大型的陨石坑，因为携带过多能量的物体不受金星大气的影响。较大陨石坑的数量少，可能是因为这平均年龄只有5~7亿年的年轻金星表面。金星地表年龄比较平均，没有特别古老或特别年轻的大片地形。
在20世纪90年代，对这一现象的标准解释是：几乎整个金星的地表都是在一场5~7亿年前，持续不超过几千万年的火山活动中重新塑造的。这与金星缺乏板块构造的原因一致。因为缺乏板块构造，在大部分上层软流圈熔化之前，深层幔的大部分热量都被困在岩石圈盖之下。最终，冷而致密的岩石圈崩塌，而困于岩石圈下面的岩浆将会喷发。自金星形成以来，类似的事情可能已经发生了六次，在接下来的1亿年内可能还会再次发生。
最近，这种让金星有全球灾难性火山爆发的模型遭到了质疑，因为陨石坑的统计数据并不能排除这个塑造过程是在一个更长的时期内发生的，比如在过去的5亿年里，不定时被熔岩覆盖的随机区域越来越小。
地球
在地球上，内部热量的收支是由火山活动和板块构造共同调节的，从而不能使用金星上的软流层温度偏移的假设。在地球岩石圈以下产生的热量中，只有大约三分之一是通过传导发散出去了。其余大部分热量通过大洋中脊的喷发被传递到岩石圈顶部(在大洋中脊，新的物质被添加到分离的板块之间)。此外，在岩石圈以下产生的小部分热量则是通过俯冲带上的火山爆发和地幔柱上的各种“热点”被传递到岩石圈顶部。在俯冲带，岩石圈板块旧的、冷的部分回流融入软流圈，使得它重新冷却。
我们最接近金星火山灾难的是：每隔几千万年，就有一个直径达1000千米的区域会被多达10立方千米的玄武岩熔岩所掩埋，这就是所谓的“洪流玄武岩”。印度西北部的“德干陷阱”(6600万年前)、英国-北极泛滥玄武岩(格陵兰岛和不列颠群岛西北部，5700万年前)、哥伦比亚河洪流玄武岩(美国西北部，1600万年前)都是比较著名的例子。这些重大且罕见的事件可能会向大气中注入大量火山气体，尤其是二氧化硫，以及被称为“火山灰”的火山岩碎片，这会严重影响全球气候。图8显示了地球上熔岩流的一个例子，可以与其他行星的图像进行比较。
图8 这张70千米宽的太空照片显示了美国爱达荷州的“月球火山口”熔岩场。熔岩流的来源是西北部崎岖高地边缘附近的一系列裂缝。可将熔岩流的叶状形态与图6 中的金星流进行比较
地球上的火山活动与其他行星最大的不同之处在于，地球岩浆中气体不断上升、膨胀，往往会使相当大一部分火山喷发具有爆炸性。原因有二：其一是循环水、二氧化碳和二氧化硫会从俯冲带上方逸出，大大增加了原始气体深层的内部泄漏，因此地球上有更多的气体会驱动火山爆发；二是大陆地壳的存在有利于形成硅含量高于玄武岩的岩浆。这些富含二氧化硅的岩浆比玄武岩更黏稠，也更容易破碎。日本富士山(Mount Fuji)这种经典的“画册”式尖顶锥形火山在地球之外的行星上很少见，因为它们是相对富含硅的火山爆发的结果，而且部分尖顶锥形火山的喷发是爆炸性的。
火星
与地球和金星相比，火星上的火山较少，但规模往往很大。大型玄武岩盾状火山主要分布在塔尔西斯地区(大部分位于图9中)和埃律西昂地区。奥林匹斯山是塔尔西斯最大的火山，直径约600千米，从山顶到山底的距离高达24千米，是整个太阳系最大的火山。
火星有这么大的火山的原因有两个。首先，火星是一个“单板块行星”，其岩石圈是一个完整的外壳，即一个单一的板块。相对于底层地幔软流圈，火星的岩石圈实际上是静止的；而在地球上，板块相对于地幔柱四处漂移，因此，仅仅几百万年，由地幔柱补给的火山就会漂走，火山的岩浆供应也就被切断了。与地球不同的是，只要地幔柱保持活跃，火星上的地幔柱就会一直向岩石圈的同一地点提供岩浆。奥林匹斯山可能在10亿多年前就开始成形了，确切日期无从得知，因为我们只能通过陨石坑计数来确定如今火星地表事物的年代，而无法看到更古老的、被埋在地下的火山内部。奥林匹斯山顶有几个相互重叠的火山喷发口，其历史可以追溯到1亿~2亿年前，但其侧翼最年轻的熔岩流大约只有200万年的历史，它可能有一天会再次喷发。塔尔西斯高地的其他火山肯定更古老，但如今可能都已经是死火山了。
图9 这幅3000千米宽的拼接图像显示了火星上几个巨盾状火山。左边是奥林匹斯山，太阳系中最大的火山。图像右边的边缘是塔尔西斯火山。从南部边缘的中心向东北延伸，分布着三座山：帕弗尼斯山、艾斯克雷尔斯山和什洛尼尔斯山
火星上有这么大的火山的第二个原因是“它可以”。火星有一个寒冷而坚硬的岩石圈，约为地球岩石圈的两倍厚。如果你把奥林匹斯山移到地球或金星上，它们的岩石圈就会因为相对较薄而在负荷之下凹陷下来，这座火山也就失去了高度。
高分辨率图像显示了大型火山之间的平原和火星其他几个地区的熔岩流的细节。然而，这些熔岩流因其具有的一些特征，也被认为是火山，这引起了相当大的争议。图10显示了一个值得注意的示例。
图10 这张图片展示了50 千米宽的火星的争议区域，由欧洲航天局的火星快车轨道飞行器拍摄。有人认为这个板块的表面是熔岩流，有着断裂冷却的壳。另一些人则认为这是冰冻海面上破碎的浮冰，现在被灰尘覆盖。两个陨石坑的年龄都超过了板块表面的年龄，它们的边缘足够高，可以防止内部被水淹没。陨石坑实际上是圆形的，但在这张斜视图中被压扁了
地球上曾经收集到30多个火星陨石。陨石要么是玄武岩熔岩，它们是火星的撞击物碎片；要么是更粗糙的晶体侵入的等价物，其结晶年龄的跨度从45亿年到1.6亿年不等。由此，我们可以推断，尽管火星表面的大片区域覆盖着各种各样的沉积物，但火成岩在深处构成了火星地壳的大部分区域。
表面过程
风化层和空间风化
火山活动是由行星内部活动驱动的，但行星的地貌可以通过其表面活动来塑造。对一个没有空气，也没有大气层保护的行星来说，直接作用于其表面的过程主要是陨石和微陨石的轰击。从陨石坑中抛出的碎片状物质，即“抛射物”，覆盖了行星地表，深达数米。在这种行星的地表上，有坚实基岩的地方非常罕见(图11)。月球土壤被称为“风化层”，阿波罗号宇航员在其上留下的脚印主要由几毫米大小的颗粒组成，包括晶体碎片、微小的岩石碎片和玻璃球。这些玻璃球是冰冻的液滴，由撞击产生的热量生成。通过火山口挖掘和抛射物扩散，风化层在各种尺度上不断地重新排列，这一过程被称为“冲击成壤”。在撞击速度更快的水星上，风化层的颗粒大小约为月球风化层的三分之一。
图11 阿波罗号宇航员戴夫·斯科特拍摄的哈德利沟纹的远摄照片。左边2米厚的水平层是一个罕见的基岩实例——可能是熔岩流构成的，它暴露在了陡峭的斜坡上。哈德利沟纹的其他地方都被风化层覆盖，风化层的颗粒大小不一，从巨砾到灰尘都有
如果行星没有大气，太阳紫外线就可以直达表面，随着时间的推移，紫外线可能会破坏化学键。如果有微陨石撞击，又或者行星没有磁场，来自太阳风的带电粒子也会影响行星表面的化学性质。这样，无大气的行星会经历一系列被统称为“太空风化”的过程，这些过程会慢慢改变其表面成分。例如，连接铁和氧原子的键可能被破坏，释放出氧气，留下被称为“纳米铁”的亚微观纯金属颗粒。
若一颗行星有大气层，那么只有特别大的罕见撞击物才能以高速到达表面。例如，在地球的大气层中，尺寸小于150米的石质小行星可能会发生解体，由此产生的碎片足够小，会通过摩擦减速。因此，它们到达地面时，几乎已经失去了所有的初始速度，所以不能形成陨石坑。微陨星尘，主要是微陨石，也可能是较大陨石摩擦脱落的碎片，以每百万年0.1~1毫米的平均积累速度沉降到行星地面。这种尘埃对总沉积速率的贡献很小，除了远离陆地的深海海底，微陨星尘通常会完全被其他沉淀物所淹没。
侵蚀和运输
除了对景观产生影响，风、流水和移动的冰(冰川)也会磨损岩石，并将岩石碎片带走。在化学风化过程中，水也能溶解岩石。水中溶解的元素可能会重新出现在其他地方，并在新的矿物质中沉淀。这尤其适用于盐沉积，也适用于许多形式的碳酸盐岩。但是在地球上，大多数石灰石，即碳酸钙，是由海洋生物外壳的碎片形成的，这证明了将溶解的碳酸盐(或溶解的二氧化碳气体)转变成可以变成岩石的固体物质需要一个重要的生物转化步骤。
火星上的沙尘暴很有名，它在1809年首次被望远镜观测到。当火星在近日点时，接收到的太阳能比远日点多40%，火星上速度超过每秒20米的风可以将极其多的尘埃吹到空中，以至于大部分火星表面会持续数周被遮蔽。有时，除了奥林匹斯山的峰顶，几乎看不到火星表面有什么凸出的东西。由于经常有云聚集在奥林匹斯山，它的峰顶通常看起来是白色的，也因此它以前的名字是奥林匹斯之雪(Nix Olympica)，意思是奥林匹斯山上的雪。但这个名字在航天器传回的图像显示这里真正发生了什么以后就被修改了。
从轨道上或地面上都可以看到火星上有许多风的活动迹象(图12)，它们以较小的风波纹的形式出现在沙丘和表面尘埃中。火星上的一些沙丘正在被风不断雕凿，但另外一些的形状可能已经有数百万年没有改变了。风成沙[2]是火星上有侵蚀存在的一个有力证据。大气的低密度意味着火星上能够输送沙粒的风速必须比地球上的风快得多，由于这种磨蚀，一些**在外的岩层形成了奇特的形状。
图12 一些沙丘，只缺些等比例的骆驼或棕榈树就像地球了。事实上，这张照片是由美国宇航局的机遇号火星车在火星表面拍摄的，它从火山口的边缘斜拍到火山口底部的沙丘。可见区域大约有100米宽
金星的大气密度比地球大得多，其地面气压是地球的92倍，因此，即使是缓慢的风也能使沙粒四处移动。金星上也有几处沙丘，然而在这里，当风吹起的颗粒撞击基岩时，侵蚀力十分有限，部分原因是因为稠密空气的冲击速度较慢且具有缓冲作用，还有部分原因则是480℃的地表高温会使材料塑性变形，而不是以易碎的方式磨损。
对地球人来说，流动的水通常是最常见的泥沙运输媒介——比如河流中的水，或者海滩上的波浪。在太阳系中，除了地球，目前没有任何天体的表面条件能让水稳定地保持在液态。金星太热了。火星的正午温度尽管远高于0℃，但它的大气层非常稀薄，表面的冰会直接变成蒸汽，而不是融化成水。有大量的证据表明，火星表面曾经有大量的水流动(图13)。火星至少经历了与地球相同的极端气候，并且在数十亿年前，它的大气密度和湿度足以导致降雨和灾难性的洪水。太阳系最大的峡谷系统是火星水手谷(Valles Marineris，水手9号探测器在1971年传回的图像中发现了这个峡谷，并以探测器的名字给峡谷命了名)。这是一个4000千米长的裂谷系统，始于地壳的破裂。当水流经水手谷时，由于侵蚀作用，水手谷会变宽。它最深的地方到了地面边缘以下的7千米处(亚利桑那州的大峡谷只有2千米深)。水手谷还非常宽，以至于如果你站在峡谷的一边朝对面看时，会发现另一边消失在地平线之外。
图13 一系列东西向的裂缝证明了火星上水手谷复合体的构造起源。在这幅视野为800 千米宽的图中，水手谷只有一小部分被露出。请注意蜿蜒深切的河道从南面进入，这显示了流动的水在拓宽主峡谷中发挥的作用
尽管水手谷广阔无垠，却一直没有被前太空时代的望远镜观测人员发现过。1877年，意大利人乔范尼·夏帕雷利(Giovanni Schiaparelli)绘制了臭名昭著的火星“运河”地图，随后得到了美国人珀西瓦尔·洛厄尔(Percival Lowell)的支持。洛厄尔于1916年去世，他一生都认为这些运河是聪明的火星人设计的巨大工程。事实上，这些运河与火星上许多真实存在的河道没有任何关系，其中补充支流分支网络的水可能是由降雨提供的，包括图13中所示的许多长得多的河道。流经其他地方的水可能是永久冻土融化的时候，从地下漏出来的。河道注入平原形成的流线型“岛屿”，表明它们曾被巨大的洪水冲刷过。在这些地方降落的机器人着陆器(1976年的海盗1号和1997年的火星探路者号)发现了大量洪水冲刷之后留下的岩石。
火星上主要的山谷无一例外都有许多撞击坑，所以很明显，它们一定是古老的，并且最后一次流动发生在10多亿年前。在最后一次流动之后，许多山谷的侧壁都发生了山体滑坡，谷底如今布满了由寒风吹成的火星沙丘。在20世纪70年代和80年代，大多数科学家会告诉你，尽管火星在遥远的过去曾经历过至少一个潮湿的时期，但现在除了两极有小水冰覆盖外，其他地方都很干燥。想象一下，在1999年，当一架名为“火星轨道相机”的高分辨率成像仪开始在火星的几个陡坡上发现那些只有几米宽、几百米长的沟壑时，人们会有多么惊讶。这些沟壑缺少重叠的陨石坑，经过观察，其中许多沟壑下游的碎片堆积扇已经开始掩埋沙丘。这些特征表明这些沟壑一定是年轻的，但年轻到什么程度，在“火星轨道相机”发现沟壑不久之后，新的图像开始变化，这证明了一些沟壑在今天仍然是活跃的(图14)。
图14 1999 年8 月（左）和2005 年9 月（右）拍摄的两张照片，展示的是一个1.5 千米宽的区域，这个区域展示了直径6 千米的火星陨石坑内壁。陨石坑边缘穿过左上方，斜向画面右下方。边坡内壁上有许多侵蚀沟壑，其中一条沟壑在这两个日期之间似乎是流动的，一些苍白的碎屑流到了较低的斜坡上
争论的重点已经从质疑火星最年轻的沟壑的年龄转移到关注火星沟壑是如何被开凿上。有一种理论认为，水是开凿沟壑的“罪魁祸首”。在火星地下土中，可能有承压的液态地下水储集层存在。当斜坡(如图14中的火山口壁)在地下水位以下破裂时，土壤中的冰屏障(永久冻土)通常会阻止水逃逸。然而，如果屏障被暂时拆除，水就会涌出来。这种**是稳定的——它在流动时既沸腾又冻结——但它可以在完全蒸发之前穿过这些沟壑的其中之一。持怀疑态度的人认为，沟壑的开凿并不需要**，可以被解释为干燥岩石崩裂的结果。
月球上的河道，如哈德利沟纹(图5)，是熔岩通道。这些河道不是被水冲刷出来的，月球上唯一的水是两极附近风化层中的少量冰。在金星上，人们已经标记了200多条蜿蜒的河道，其中一条长达6800千米。金星不太可能经历过足够极端的气候变化，能让足够近期存在的液态水侵蚀出这些通道，所以这些河道可能也是被熔岩冲刷而成的。
表面特征的命名
我已经多次使用过其他行星地形地物的名称：奥林匹斯山、水手谷、哈德利沟纹等。如果没有这些名字，我就只能说它们是“火星上最大的火山”“火星上巨大的峡谷系统”和“阿波罗15号着陆处附近的那条大沟”。除非使用一个完全无法记住的坐标系，否则对不那么引人注目的那些地物，我将更难描述。
没有人在这些行星上住过，那么谁来制定行星地物的名字？这些名字正式吗？当天文学家们第一次开始用望远镜标记这些行星的地图的时候，有些人思想足够独立，给这些地表特征创造了独特的名字，并且他们通常不会考虑任何前人成果。成立于1919年的国际天文学联合会的早期任务就是整理混乱的行星地表名称，为被多重命名的地表特征制定唯一的官方名称，并为未来的命名建立标准和惯例。这些标准和惯例会被运用到新发现的天体和行星表面的特征上。这里的行星表面特征可能是人们想命名的特征，也可能是由于成像技术的改进而变得可见的特征。最初，成像技术的改进仅仅是指更大更好的望远镜。国际天文学联合会的创始人没有意识到，他们已经建立了一种方法，可以对由宇宙飞行器揭示的行星表面特征的命名进行监督。
一些人会批评国际天文学联合会对冥王星重新分类的处理，但我知道，没有人会对国际天文学联合会管理下，行星表面特征的命名的基本原则有负面意见。这是公平的，非政治性的，并试图体现世界上所有的文化，不只对单一个体，而对整个太阳系保持中立。
国际天文学联合会的命名法以对月球的表面特征的命名作为惯例。给环形山一个“不称职”的名字，但给其他大多数行星地表特征的命名都是一个名词加上一个拉丁描述词，用来表示它的类别。比如，“奥林匹斯山(Olympus Mons)”的意思是“奥林匹斯山(Olympus Mountain)”，这个名字可以立即告诉你，这个地表特征是一个名为奥林匹斯的山。虽然没有人怀疑奥林匹斯山是一座火山，但我们看到描述词并没有这样说。描述词会避免可能是错误的解释，只纯粹地进行描述。
每个星球上的名字都有主题。月球上的环形山是以已故的著名科学家、学者和艺术家的名字命名的，月球上的海则用描述各种气象条件的拉丁语来命名。除了月球，火星是唯一一个在国际天文学联合会参与之前就有大量名称流传的地方。这些名字来自乔范尼·夏帕雷利和欧仁·安东尼亚第(Eugenios Antoniadi)在19世纪晚期的望远镜测绘，后来加上了现代描述词。主要包括一些广阔的区域，如塔尔西斯地区和埃律西昂地区。火星上的每一个大山谷都以不同国家语言中的“火星”命名，小山谷则以地球上的河流命名。在金星上，几乎所有的名字都和女性有关：陨石坑是以历史上著名的女性命名的，其他大部分特征都是以女神命名的。在水星上，陨石坑是以死去的艺术家、音乐家、画家和作家的名字命名的，峭壁(悬崖)则是以科学探险队或船只的名字命名的。比如猎犬悬崖(图4)就取自英国皇家海军的猎犬号，查尔斯·达尔文也乘坐过这艘船。他在航行的过程中收集了大量启发进化论的观察资料。
类似的命名原理也适用于小行星和其他行星的卫星。例如，木星的卫星木卫二上有以凯尔特神和英雄命名的环形山，木卫二其他大部分特征的名字都取自古典神话。
大气
每颗类地行星诞生后，其内部气体都会从岩浆海洋中逸出，类地行星必定都有过大气层。尽管从火山逸出的气体能显示大气曾经的样子，但是这些原始的大气层如今已经不复存在。月球和水星的引力太小，不能抓住大气这张“毯子”。你有时可以看到月球和水星的“大气”加了引号，因为其“大气”压力小到只有地球大气压力的十亿分之一，它们主要由微陨石和宇宙射线撞击表面产生的游离原子组成。这些原子是如此稀少，以至于每个原子都更可能飘向太空，而不是与另一个原子相撞。这种状态形成了行星的“外逸层”，它原本是大多数其他行星的大气中最外层的稀薄地带，却是月球和水星所能聚集的全部大气。
质量更大的类地行星的引力更强，这使它们能够更有效地留住气体，即使这些行星大气的密度和化学成分已经在无数的演化过程中变得面目全非。早期更活跃的太阳风可能带走了大部分原始大气，但这些大气会通过火山活动进行补充。一个重要的、正在进行的过程是短波长的太阳紫外线可以把水蒸气分子分解成氢和氧。氢非常轻，可以逃逸到太空，这使得水的光解成为一个不可逆的过程。金星和火星都以这种方式失去了大部分原本的水分。表4总结了如今金星、地球和火星大气的组成。
*表中展示了六种最常见气体的丰度，以分子总数的百分比(地球大气中的水变化很大)、表面压力以相对地球的倍数形式表示
由于被紫外光分解，大气分子可以通过一系列被称为“光化学”的反应与其他分子结合。这一现象在距地表约100千米的“热层”中尤为明显。之所以将这个区域命名为“热层”，是因为这一层被太阳紫外线能量加热，这种能量要么用于分解分子，要么用于剥离电子，后者被称为电离。离子(主要是地球上的氧和金星、火星上的二氧化碳)在热层的外层中非常常见，它们形成了一个被称为“电离层”的导电层。当太阳风暴将等离子体从太阳带到地球时，这些等离子体会扭曲地球磁场，导致地球电离层中产生异常电流，严重干扰无线电通信，甚至导致电力故障。
大气层较深处，也就是紫外线无法穿透的地方，不受光化学的影响。这里的空气主要是通过与地面的接触变暖，而地面是由太阳加热的。所以在大气层最低的一层对流层中，随着高度的上升大气温度反而下降。大气压力和密度也是同理，这意味着对流层包含了大气的大部分质量。由于空气和岩石之间的化学反应，对流层的成分会变化，这是风化作用的必然结果。再加上生命活动，地球上对流层的成分会演化。植物和原始的单细胞生物仅在这里利用太阳能和大气中的二氧化碳来建造身体，释放出原始大气中极为罕见的气态氧。没有植物，像人类这样靠氧气生存的动物就不能生存，地球对流层的温度也会不同，我稍后会解释这一点。
当对流层底部附近的空气受热时，它们会膨胀，从而有了浮力。于是底部附近的空气上升，取而代之的是来自上方的冷空气。另一个对流的例子就是之前在一颗行星的地幔中。空气对流驱动着地球、金星和火星上的天气变化。但每颗行星对流的环流模式是不一样的，因为对流还取决于行星的自转速度(金星的自转速度缓慢)、大气的旋转速度(金星对流层上部的旋转速度远远超过金星本身的旋转速度)和昼夜温差(火星的昼夜温差大、金星的昼夜温差小)等因素。图15显示了金星南极上方的典型环流。相反，地球大气中的螺旋风暴系统往往始于热带附近。
地球复杂的大气层与它邻居们的不同。在金星和火星处，温度随对流层高度的上升迅速下降，在被称为中间层(非对流层)的地方，温度随高度上升缓慢下降，之后在热层，由于吸收了紫外线，温度再度随高度的上升而上升。但地球在类地行星中是独特的。在地球对流层和中间层之间有一段高度约10~50千米的区域，在这里，温度随高度的增加而增加，这就是平流层。平流层变暖的原因是臭氧分子会吸收230~350纳米波长的紫外光子(热层和中间层对紫外光子是透明的)。臭氧是三个氧原子结合在一个分子(O3)中，而不是两个氧原子结合在一个分子(O2)中。臭氧是由大气中含量较高的氧通过光化学反应组装而成的。两个氧原子(O2)通常是指“氧”。
温室效应和臭氧层空洞
很多人都知道“臭氧层空洞”和“温室效应”，但他们往往把“臭氧层空洞”和“温室效应”混为一谈，认为它们是气候变化的双生子。但是，这两者是截然不同的。
臭氧层(仅)存在于地球的平流层，是吸收230~350纳米紫外线的地方，这对我们和其他生活在地表的生物来说非常重要，因为230~350纳米的紫外线辐射会导致皮肤癌和基因损伤。令人惊讶的是，只需要很少的臭氧就能为地球上的生物提供一个有效的屏障。如果你把平流层中分散的臭氧全部收集起来，在海平面上铺开，只会形成一层3毫米厚的脆弱面纱。因此，在20世纪70年代和80年代，当人们发现南极洲上空的平流层失去了大约一半的臭氧时，人们非常担心，并开始谈论“臭氧层上的空洞”。臭氧丢失的主要原因是它会与一种叫作氯氟碳化合物(CFCs)的工业化学物质反应。这些化学物质现在已被禁止用于气溶胶喷雾剂和制冷剂，以免它们泄漏到大气中。南极的臭氧层空洞和北极上空较小的臭氧层空洞现在已经稳定下来。在极地以外的地区，臭氧只损耗了百分之几，尤其在热带地区根本探测不到。
臭氧浓度与全球平均温度之间没有直接联系。臭氧层被严重损耗会让生活变得不愉快，但这与气候变化或全球变暖几乎没有关系。行星对流层的温度是由低层大气吸收红外辐射的效率来控制的，因为可见光会使地面变暖，而变暖的地面会发出红外线辐射。大气的温度取决于两个因素：(1)它与地面接触时吸收的热量；(2)它能吸收地面反射的红外辐射的量。
大多数气体对红外辐射来说是透明的，但由两种或两种以上不同元素组成的分子吸收红外辐射的能力相当强。因此，氮(N2)、氧(O2)和氩(Ar)不吸收红外线，而水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和甲烷(CH4)则相反。行星大气对红外辐射的吸收就好比把热量困在温室里一样，被称为“温室效应”。在金星、地球和火星的大气层中存在着一种自然的温室效应。金星的大气温室效应使其表面温度保持在惊人的500℃以上，这主要是由于金星含有大量的二氧化碳。水蒸气和二氧化碳将地球温度加热至大约30℃。火星的大气层稀薄，富含二氧化碳，其温室效应仅到6℃左右。
地球的温室效应使地球的温度保持在一定范围内，以满足在这里生命进化的需要。在生命的调节下，地球温室效应的强度发生了变化，使地球的温度保持在合适的范围内。40亿年前，太阳的亮度只有今天的70%，所以如果那时地球的大气层和今天一样的话，地球会冷得多。但是，在40亿年前，地球的大气层的主要成分可能是二氧化碳，密度是今天的100倍，所以温室效应会更强。由于原始藻类的存在，地球大气层现在的二氧化碳含量下降到了大约5亿年前的十分之一左右，温室效应肯定也在下降。游离氧(O2)最早出现在22~27亿年前，在2~2.5亿年前达到峰值，浓度约为目前的170%。显然，地球上的生命不仅受大气成分变化的影响，而且还从中受益。
自然温室效应逐步降低抵消了太阳光度的缓慢增强。在自然温室效应普遍逐渐减弱的背景下，地球的气候发生了几次变化，冰河时代是其中最著名的例子。在冰河时代，大部分(甚至全部)的地表水都被冻结了。这些气候的变化与其说是由大气控制的，不如说是由地球轴倾角和轨道偏心的变化控制的，类似的效应可能解释了火星表面湿度随时间的剧烈变化。
云
云层具有很强的反射率，所以云层越厚，直接反射回太空的太阳能就越多。但是，多云的天空也增加了大气对阳光照射到地面的热量的吸收能力，因此云层对全球气温的影响是复杂的。金星上连绵不断的云层并没有使它的表面免受温室效应的加热影响。
当温度和压力使大气的某些成分凝结成液滴或冰粒时，云就形成了。就类地行星而言，形成云的相关成分通常是水。虽然水只占金星大气层的一小部分，但在距金星表面45~65千米的对流层顶部，有足够的水来形成一层连续的云。在那里，水蒸气凝结成直径约2微米的水滴，它们保持悬浮，因为太小无法下落，又被称为气溶胶。金星大气中的二氧化硫溶解在其中，这些水滴就变成了硫酸。但是，如果有人试图告诉你这是“在金星上下硫酸雨”，那他们就错了。无论这些水滴被大气环流拉到45千米以下的什么地方，热量都会使它们再次蒸发，而且它们永远没有机会变成大到足以落向地面的雨滴。
在地球的地表以上大约6千米处，云主要是由微小的冰粒子组成，而在这个高度以下，云的成分主要是水滴。雨云其实不是灰色的，只是看起来像罢了，这是因为雨云足够厚，可以遮挡许多的光。在火星上，云层相对稀少。在火星对流层的大多数地方，云层是由水冰构成的，但在对流层/中间层边界附近约80千米处，我们观察到的是二氧化碳粒子云。
除了凝结成云，大气成分也可能在行星表面凝结成冰或**。地球是目前唯一拥有海洋的类地行星，而海洋当然是由水构成的。在行星的两极附近，水会被冻结形成极冠。年轻的金星可能曾经历过海洋覆盖星球的短暂纪元，在这之后，蒸发的水蒸气加剧了迅速增长的温室效应，导致了目前的干旱。这些水蒸气蒸发后会因为光解作用而消失。
但火星是不同的。有种说法是大约38亿年前，一个巨大的“北欧大洋”(Oceanus Borealis)占据了火星上整个地势较低的北方平原，这在20世纪90年代风靡一时。目前虽存在争议，但许多人接受火星上可能有湖泊的观点。这些湖泊的面积如果足够大，比如在河道流动时期(图13)，就被称为“海洋”，一些冰冻的遗迹甚至能保存下来，只是被灰尘覆盖(图10)。但毫无疑问的是，火星如今的极冠表面有冰存在(图16)。这些冰包括“永久”的水冰和随季节生长和收缩的二氧化碳冰霜。
图16 在早春（左）和盛夏（右）时，1500 千米宽的火星北极冠照片。在夏天，大部分二氧化碳冰霜已经升华（从冰变成蒸汽），只留下残留的“永久”水冰冠
地球和火星的极冠会与大气相互作用。实际上，它们的极冠是大气中“冻结”的气体沉积物，要么以雪的形式从云层中落下，要么直接凝结在地面上。当温度升高时，极地冰冠中的物质会以先融化然后蒸发(地球上的水或过去火星上的水)，或直接从冰升华为蒸汽(如今火星上的二氧化碳和水)返回大气中。
这样的循环不可能发生在像月球和水星这样没有大气的天体上，所以我们也不会指望在月球和水星上出现极地冰冠。但是在20世纪90年代，人们注意到从这两个天体两极附近的陨石坑内部的永久阴影区域反射出来的雷达信号强度不同寻常，与将水冰作为颗粒分散在风化层中反射的雷达信号一致。对此，一种可能的解释是：这些陨石坑的底部很寒冷，以至于任何游离的水分子都倾向于附着在它表面。
极冠的水不一定是这些天体自带的，它可能来自后来的彗星撞击。如果要在月球上建立一个人类殖民地，甚至只是一个永久使用的基地，能否在月球上找到水源至关重要。显然极地是寻找水源的最好选择。2009年，一艘宇宙飞船撞进了一直被阴影笼罩的一个极地陨石坑，抛射出的羽状物证实了月球上有水存在。其他航天器获得的红外光谱也显示出，水和水合矿物分散在月球上很多地区的风化层中，虽然浓度很小，但这让人们发现月球可能没有那么完全不适合居住。
循环
行星内部、表面和大气之间的相互作用，以及它们之间成分的循环是极其重要的。地球的“水文循环”是最常见的例子，它不是一个单一的循环，而是一系列相互连接的循环组合。从本质上说，海洋中的水蒸发形成云，然后凝结成雨或雪的形式，最终通过河流或季节性出现的极冠回到海洋中。水可以被吸入地球内部，通过地面的渗透进入俯冲带深处或浅一些的地方，并通过火山重新出现。水还可以与岩石发生化学反应(风化)，并储存在矿物中。地球还有一个重要的“碳循环”，大气中的二氧化碳、活的动植物、溶解的二氧化碳、海洋石灰岩、碳氢化合物沉积物、火山气体等参与，它们之间形成了循环。
[1] 本书成书于2010年。
[2] 指风力作用形成、搬运、堆积的沙粒及沙丘。