比較惑星科学

地球上の火山活動は主に溶岩を基盤としている。他の地球型惑星にも溶岩を基盤とする火山地形が見られるが、これは地球上で容易に研究できる類似例と比較して評価されている。例えば、木星の衛星イオには溶岩流を含む火山活動が現存している。これらの溶岩流は当初、ボイジャー探査機による画像解析に基づいて、主に様々な形態の溶融した元素硫黄で構成されていると推測されていた。^{[ 3 ]}しかし、1980年代と1990年代に行われた地球からの赤外線研究により、硫黄は二次的な役割を担う、主にケイ酸塩を基盤とするモデルを支持するコンセンサスへと変化した。^{[ 4 ]}

火星の表面の大部分は、スペクトルや現地化学分析（火星隕石を含む）からハワイの玄武岩に類似していると考えられる様々な玄武岩で構成されている。 ^{[ 5 ] [ 6 ]}水星と地球の月も同様に、古代の火山活動によって形成された広大な玄武岩地帯を特徴としている。極域の表面は、地球でも見られるような多角形の形態を示している。^{[ 7 ] [ 8 ]}

金星には玄武岩溶岩流に加えて、粘性の高いシリカに富む溶岩流によって形成されたパンケーキドーム火山が多数存在する。これらのドームは地球上には類例がない。形態的には地球の流紋岩-デイサイト溶岩ドームといくらか似ているが、パンケーキドームははるかに平坦で均一に丸い。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

太陽系の外縁部には、地球上では見られない低温火山活動が見られる領域があります。低温火山活動は、実験室での実験、概念モデルや数値モデル、そしてこの分野の他の事例との比較によって研究されています。低温火山活動が見られる天体の例としては、彗星、一部の小惑星やケンタウルス族天体、火星、エウロパ、エンケラドゥス、トリトン、そしておそらくタイタン、ケレス、冥王星、エリスなどが挙げられます。

エウロパの氷の微量添加物には硫黄が含まれていると現在推測されている。^{[ 12 ]}これは、将来のエウロパ探査機に備えて、カナダの硫酸塩泉を類似物として評価されている。^{[ 13 ]}一方、彗星、一部の小惑星、塵の粒などの小さな天体は反例となる。これらの物質は加熱をほとんど、あるいは全く受けていないと考えられており、地球や他の大きな天体からその後消滅した初期の太陽系を表すサンプルを含んでいる（あるいはサンプルである）可能性がある。

太陽系外惑星の中には、全体が溶岩の海に覆われているものもあれば、潮汐固定された惑星で、恒星に面した半球全体が溶岩でできているものもある。

月面で観測されたクレーターは、かつては火山活動によるものと考えられていました。それに対し、地球では同様のクレーター数や、近接する2つの天体であれば同様の衝突率を経験すると予想されるような、大型隕石の衝突頻度の高さは見られませんでした。最終的に、この火山活動モデルは覆されました。地質学的時間スケールで侵食された多数の地球クレーター（例えば、シャッターコーン、衝撃を受けた石英やその他の衝突岩、そしておそらくは剥離物によって実証されている）が発見されたからです。ますます大型化する兵器によって形成されたクレーターもモデルとして用いられました。一方、月には大気圏も水圏も存在しないため、いかなる時点においても衝突率が低くても、数十億年にわたって衝突クレーターを蓄積し保存することができます。さらに、より優れた機器を備えたより多くのグループによるより多くの調査により、小惑星の膨大な数が明らかになり、太陽系の初期の時代にはさらに多数存在していたと考えられています。^{[ 14 ] [ 15 ]}

地球と同様に、他の天体でもクレーターの数が少ないということは、表面が若いことを示しています。これは、近くの領域や天体にクレーターが多い場合に特に当てはまります。表面が若いということは、大きな天体や彗星では大気、地殻変動、火山活動、または水文学的プロセスが起こっていること、小惑星では塵の再分布や比較的最近の形成（つまり、母天体からの分裂）が起こっていることを示しています。^{[ 16 ]}

太陽系の複数の領域にある複数の天体のクレーターの記録を調べると、後期重爆撃期が示唆され、それが太陽系の初期の歴史の証拠となる。しかし、現在提案されている後期重爆撃期にはいくつかの問題があり、完全に受け入れられているわけではない。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

水星が他の地球型惑星に比べて非常に高い密度を持つ理由の一つとして、極めて激しい衝突によって地殻やマントルが大量に剥ぎ取られたことが挙げられる^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] 。}

地球は巨大な天体であるため、太陽系の長い時間スケールにわたって、内部の熱（形成時の熱と放射性同位体の崩壊による熱）を効率的に保持することができます。そのため、地球は溶融した核を保持し、分化が進んでいます。密度の高い物質は核に沈み、軽い物質は浮遊して地殻を形成しています。

それに比べて、他の天体は、形成履歴、放射性同位体含有量、衝突によるさらなるエネルギー入力、太陽からの距離、大きさなどに基づいて、分化している場合もあれば、していない場合もある。さまざまな大きさで太陽からの距離にある天体を研究することで、分化プロセスの例が得られ、制約が課される。分化自体は、天体の表面の鉱物組成と予想される体積密度および鉱物組成との比較、または重力のわずかな変化による形状効果によって間接的に評価される。^{[ 23 ]}分化は、フライバイまたは重力アシストによって測定される天体の重力場の高次項、および場合によっては秤動によって直接測定されることもある。^{[ 24 ]}

例外的な例としては、ベスタや一部の大型衛星が挙げられます。これらは分化の痕跡を示していますが、その後完全に固化したと考えられています。地球の月が固化したのか、あるいは溶融層を保持しているのかという疑問は、まだ明確には解明されていません。さらに、分化プロセスは連続的に変化すると予想されています。天体は、太陽系の低温領域では、より軽い岩石や金属、より重い岩石や金属、高濃度の水氷や揮発性物質（機械的強度は低い）で構成されている場合もあれば、太陽からさらに遠い領域では、主に氷で構成され、岩石や金属の含有量が低い場合もあります。この連続性は、初期太陽系の化学組成の変化を記録していると考えられており、高温領域では難揮発性物質が残存し、若い太陽によって揮発性物質が外向きに押し出されたと考えられます。

惑星の核は直接観測することができず、地震計、重力計、場合によっては磁気計を用いて間接的に研究されている。しかし、鉄隕石や石鉄隕石は、母天体の核が部分的または完全に分化して砕け散った破片である可能性が高い。したがって、これらの隕石は、惑星深部の物質とその形成過程を直接的に調べる唯一の手段となる。

ガス惑星は、密度による複数の流体層を持つ別の形態の分化を表しています。太陽からさらに遠い真のガス惑星と氷惑星を区別する人もいます。 ^{[ 25 ] [ 26 ]}

溶融した核はプレートテクトニクスを可能にする可能性があり、地球はその主要な特徴を示している。火星は地球よりも小さい天体であるため、現在のテクトニクス活動や地質学的に最近の活動による山脈は見られない。これは、内部が地球よりも速く冷却されたためと考えられている（後述の地磁気を参照）。例外的なケースとして金星があり、現存するテクトニクスは見られない。しかし、金星の歴史においては、テクトニクス活動があったが、それが失われた可能性が高い。^{[ 27 ] [ 28 ]}金星のテクトニクス活動は、長期間の堆積の後、再開するのに十分な可能性がある。^{[ 29 ]}

イオは火山活動が活発であるにもかかわらず、地殻変動は見られません。これは、高温の硫黄系マグマ、あるいは単に体積流量が多いことが原因である可能性があります。^{[ 30 ]} 一方、ベスタの窪地は、その天体の小ささと低温にもかかわらず、地殻変動の一形態とみなすことができます。^{[ 31 ]}

エウロパは外惑星のテクトニクスの重要な実証例である。その表面には氷塊や氷筏の移動、横ずれ断層、そしておそらくダイアピルが見られる。現存するテクトニクスの問題ははるかに不確実であり、局所的な低温マグマ活動に取って代わられた可能性がある。^{[ 32 ]} ガニメデとトリトンにはテクトニクスまたは低温火山活動によって表面が再形成された領域が含まれている可能性があり、ミランダの不規則な地形はテクトニクスによるものかもしれない。

地球上では地震は十分に研究されており、複数の地震計や大規模なアレイを用いて多次元的な地震波形を導出することができる。地震計アレイの設置に成功した天体は月だけであり、「火星地震」や火星内部構造は、単純なモデルと地球から得られた仮定に基づいている。金星では地震観測データがほとんど得られていない。

ガス惑星は、熱伝達と混合のさまざまな形態を示す可能性がある。^{[ 33 ]}さらに、ガス惑星は、大きさや太陽からの距離によって熱の影響が異なる。天王星は宇宙への正味の熱収支がマイナスだが、他の惑星（さらに外側の海王星を含む）は正味の熱収支がプラスである。

地球と水星という2つの地球型惑星は磁気圏を持ち、溶融金属層が存在する。同様に、4つの巨大ガス惑星もすべて磁気圏を持ち、導電性流体の層が存在することを示している。ガニメデも弱い磁気圏を示しており、これは地下に塩水の層が存在する証拠とみなされている。一方、レアの周囲には対称的な効果が見られ、これは環または磁気現象である可能性がある。これらのうち、地球の磁気圏は地表からも含めて最もアクセスしやすい。そのため、地球の磁気圏は最も研究されており、地球外の磁気圏はこれまでの地球の研究を踏まえて検討されている。

とはいえ、磁気圏には違いがあり、さらなる研究が必要な分野がいくつか存在する。木星の磁気圏は他の巨大ガス惑星よりも強く、地球の磁気圏は水星よりも強い。水星と天王星は磁気圏がずれており、その原因はまだ十分に解明されていない。天王星は自転軸が傾いているため、磁気尾部が惑星の背後でらせん状に伸びており、これに類似する例は知られていない。今後の天王星の研究によって、新たな磁気圏現象が明らかになるかもしれない。

火星には、地球と同様に縞模様のある、かつての惑星規模の磁場の痕跡が見られます。これは、火星がかつて溶融金属の核を持ち、地球と同様に磁気圏と地殻変動の両方が可能であったことの証拠とみなされています。これらはどちらもその後消滅しました。地球の月には局所的な磁場があり、これは大きな溶融金属の核以外の何らかのプロセスを示しています。これは、地球では見られない月の渦模様の原因である可能性があります。^{[ 34 ]}

太陽からの距離以外にも、様々な天体は化学組成に違いがあり、それが形成過程や歴史を物語っている。海王星は天王星よりも密度が高く、これは太陽系初期に両者の位置が入れ替わった可能性を示す証拠の一つとされている。彗星は揮発性物質を多く含む一方で、難揮発性物質を含む粒子も存在する。これは、彗星形成時に太陽系全体で物質が混ざり合ったことを示唆している。水星の揮発性物質組成は、その形成過程やその後の変化に関する様々なモデルを評価するために用いられている。

同位体存在比は、太陽系の歴史における様々な過程を示しています。すべての天体は、ある程度、太陽系形成以前の星雲から形成されました。その後、様々な過程を経て、元素および同位体比が変化します。特にガス惑星は、二次大気の後のガス放出や反応とは異なり、主に太陽系形成以前の星雲から取り込まれた一次大気を保持するのに十分な重力を持っています。ガス惑星の大気と太陽系における同位体存在比の違いは、その惑星の歴史における何らかの過程を示しています。一方、金星や火星のような小惑星のガスには、大気散逸過程を示す同位体の違いが見られます。

表面鉱物の様々な変化、すなわち宇宙風化は、隕石や小惑星の種類と年代を評価するために用いられます。大気（特に厚い大気）によって遮蔽された岩石や金属、あるいはその他の鉱物は、風化作用や化学反応、宇宙線飛跡の影響を受けにくいです。小惑星は現在、表面特性や鉱物組成を示すスペクトルによって等級分けされています。比較的最近の形成年代や「リフレッシュ」現象など、様々な要因によって宇宙風化作用が少ない小惑星も存在します。地球の鉱物は十分に遮蔽されているため、宇宙風化作用は地球外天体、できれば複数の事例を通して研究されています。

カイパーベルト天体は、非常に風化した表面、あるいは場合によっては非常に新鮮な表面を示します。距離が長いため空間分解能と分光分解能が低くなることから、現在、カイパーベルト天体の表面化学は、地球に近い類似の衛星や小惑星を用いて評価されています。

大気散逸は主に熱過程である。そのため、天体が保持できる大気は、太陽系の暖かい内側領域から、より冷たい外側領域まで変化する。太陽系の異なる領域にあるさまざまな天体は、類似または対照的な例を提供する。タイタンの大気は、初期のより冷たい地球に類似していると考えられており、冥王星の大気は、巨大な彗星に類似していると考えられている。^{[ 35 ] [ 36 ]}

磁場の有無は上層大気に影響を与え、ひいては大気全体に影響を与える。太陽風粒子の衝突は化学反応やイオン種を生成し、それが磁気圏現象に影響を与える可能性がある。地球は、惑星磁気圏を持たない金星や火星、そして磁気圏は存在するものの大気がほとんどない水星とは対照的な例である。

木星の衛星イオは硫黄を放出しており、その周囲には硫黄と少量のナトリウムからなる特徴が見られる。同様に、地球の月にも微量のナトリウムが放出されており、その尾ははるかに弱い。水星にも微量のナトリウムを含む大気が存在する。

木星自体は、太陽系外の「スーパー木星」や褐色矮星のいくつかの特徴を持っていると考えられている。

天王星は横に傾いているため、地球よりもはるかに強い季節的影響があると想定されている。同様に、火星は地球よりもはるかに大きな程度で、何十億年もの間、自転軸の傾きが変化してきたと想定されている。これは火星の季節だけでなく気候も劇的に変化させたと考えられており、その証拠もいくつか観測されている。^{[ 37 ]}金星は傾きがほとんどないため季節がなく、ゆっくりとした逆行自転をしているため、地球や火星とは異なる日周効果が生じる。

地球から見ると、金星の可視光スペクトルにおいて、惑星全体を覆う雲層が最も顕著な特徴である。これはタイタンにも当てはまる。金星の雲層は二酸化硫黄粒子で構成されているのに対し、タイタンの雲層は有機物の混合物である。

ガス惑星には、アンモニアやメタンなど、さまざまな組成の雲や帯が見られる。^{[ 38 ]}

金星とタイタン、そして程度は低いものの地球は超回転惑星である。つまり、大気は惑星の表面よりも速く回転している。これらの大気は物理プロセスを共有しているが、多様な特徴を示している。^{[ 39 ]}

地球で最初に提唱され確認されたハドレー循環は、他の大気でもさまざまな形で見られます。地球には赤道の南北にハドレー循環があり、緯度によってさらに循環が広がります。火星のハドレー循環は赤道からずれています。^{[ 40 ]}はるかに小さな天体であるタイタンには、おそらく巨大な循環が1つあり、季節によって北向きから南向きに極性が反転します。^{[ 41 ] [ 42 ]}

木星の縞模様は、緯度ごとに多数のハドレー循環のようなセルから構成されていると考えられている。

巨大ガス惑星で見られる巨大な嵐は、地球のサイクロンに類似していると考えられている。しかし、地球と巨大ガス惑星の間、さらには巨大ガス惑星同士の間でも、大きさ、温度、組成に大きな違いがあるため、これは予想通り不完全な比喩である。

金星と土星では極渦が観測されている。一方、地球の薄い大気では極渦の強さや影響は弱い。

地球での広範な研究の後、他の天体でも雷とオーロラが観測されている。金星では雷が検出されており、地球で火山雷が知られているように、金星の活発な火山活動の兆候である可能性がある。^{[ 43 ] [ 44 ]}木星とその衛星ガニメデではオーロラが観測されている。^{[ 45 ]}

金星と火星の気候の進化の歴史と現在の状態を理解することは、地球の過去、現在、未来の気候の研究に直接関係する。^{[ 46 ]}