行星科学与深空探测（二）——行星科学研究的国际现状和发展趋势

□ 问 天

行星科学与深空探测（二）
——行星科学研究的国际现状和发展趋势

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欧空局的“火星快车号”探测器（Mars Express）

早期的太阳系（美术概念图）

国际天文学联合会（IAU）在2006年第26界大会通过了新的行星定义决议，将冥王星降级，与谷神星、阋神星（Eris）等一起归类为“矮行星”，其余的大行星称为行星。也可以将矮行星、小行星、彗星等质量较小的天体统称为“小天体”。

行星的内部结构和重力场

行星内部结构与重力场是行星物理研究的基础性科学问题，主要研究类地行星内部在静力学平衡下的物质分布状况。行星内部结构与行星内部动力学密切相关，不同性质的内部结构将导致不同的内部动力学过程，从而导致不同的磁场性态。利用探测器的轨道变化和行星磁场等资料并根据相关理论可以获得其与内部结构有关的物理参数，如引力场、潮汐形变和速度场等。这些参数不仅可以反映它们的内部分层结构，还可以反映出物质的密度和性态。类地行星内部物理学中有许多未解决的重要问题，例如，行星内部状态、核的大小和矿物学特征（如氢元素的组成和比例）。

行星的重力场反映行星内部物质的分布，高精度重力场的测定可以提供关于行星的壳和幔的有用物理信息，并进一步研究行星壳厚度的地理差别及其演化意义。精确的行星重力场模型对确保探测计划的成功也是必不可少的。由于对行星重力场的测定并不需要在卫星上增加任何有效载荷，而仅仅需要对其轨道变化进行跟踪测量，因此深空探索的早期阶段就已经开展了行星重力场测定和内部密度推测并一直持续到目前，它是深空探测的基本科学内容。

行星重力场的研究重点集中于月球和火星。以美国的Lunar Prospecto（LP）计划为例，它在进行重力场解算时主要采用了较高精度的多普勒数据，其精度都足以探测月球重力的大多数球谐展开项。我国的月球探测计划事后处理定位精度可达米的量级，可以用于探测月球重力场的部分球谐系数并进而开展月球内部物理的研究。到目前为止，最好的火星重力场模型（MGS75D）是基于美国宇航局的“水手9号”（Mariner 9）、“海盗1号”（Viking 1）、“海盗2号”（Viking 2）和MGS不同高度飞行的地基测轨测高数据综合得到的。其空间分辨率约180千米，精度在两极约为10厘米/秒2，在赤道区域约为20厘米/秒2，在火星塔尔西（Tharsis）和奥林匹斯（Olympus）等大尺度地形显著变化地区约为100厘米/秒2。

地球的结构

行星的磁场

一般来说，行星均具有以下基本性质：近球形、分层结构、快速自转以及存在大气、液核和磁场。从整体上看，目前人们对行星物质组成、分布结构以及所属演化阶段等方面已有了一定的了解，但对于大行星内部复杂的流体与磁流体动力学过程仍然知道得不多。

根据其产生机制，观测到的行星磁场可分为两类：一类被称为固有磁场，它是由行星内部磁流体运动过程导致的发电机效应而产生的，在此过程中流体运动的能量转变成磁场能量；另一类叫剩余磁场，它是由行星过去的（现在已停止）固有磁场对其外部岩石圈磁化造成的。大多数太阳系行星在过去都存在固有磁场，其中有些行星的发电机过程已经停止，只有剩余磁场，比如火星、金星以及月球；而地球、木星、土星、天王星目前仍有固有磁场，并且不同行星的磁场有不同的物理特征和结构。

1981年生于江西省赣州市。本科、硕士毕业于广州美术学院。现为中国艺术研究院博士研究生，赣南师大美术学院教师，中国工笔画学会会员，赣州市七鲤陶瓷艺术研究院副院长。作品多次入选全国性美术和设计展览，作品被中国驻法国大使馆、国家林业局、胡一川美术馆、广州美术学院、广东科学馆、岭南画派纪念馆和赣州市博物馆等单位收藏。

木星磁场的对称轴与它的旋转轴之间有一个大约10°的夹角，反映了旋转效应对磁场的影响，这与地球磁场的特征很相似；土星磁场的对称轴几乎与其旋转轴重合，它的磁场相对其赤道平面具有高度对称性；天王星和海王星的磁极与其旋转轴之间的夹角很大，大约50°～60°。虽然金星和火星的内部结构与地球相似，但它们现在并没有固有磁场。行星固有磁场是目前能提供行星内部结构以及动力学过程研究的有效途径之一，可以利用磁场性质对行星内部物质运动及其物理性质给出有效推断。

行星磁场问题是目前国际上非常活跃并且可能取得突破性进展的研究领域。20世纪50年代，爱因斯坦将行星磁场的产生问题列为五大没有解决的物理问题之一。近年来宇宙飞船对太阳系行星的探测使人们对行星内在磁场有了新的认识和理解。例如，“伽利略号”对木星及其卫星的观测，发现了木卫一（Io）的固有磁场和木星内部流场的变化，使得国际上对行星磁场的关注程度日益增强。尽管对于较强内在磁场的产生、维持和变化国际上已有较多研究，但是到目前为止，许多重要科学问题仍没有解决，如行星固有磁场是如何产生的？为什么不同的行星有不同的磁场结构？行星磁场与其内部动力学的关系如何？等等。

天王星的磁场，自转轴与磁轴夹角达59°，磁轴不通过球心

国际上，对于剩余磁场以及行星发电机为何会停止运行的研究处于刚兴起阶段。最新研究结果表明，火星内部存在液核，但为什么地球目前仍有较强的内在磁场，而火星现在却只有剩余磁场？目前对水星的来自“水手10号”（Mariner 10）的有限观测资料表明，水星具有较强的内在磁场，其表面平均强度只有450纳特斯拉，不到地球的1%，它的磁场为什么与地球磁场强度相差这么大？目前，国际上对火星的探测处于一个高潮期。2011年3月18日，信使号（Messenger）进入围绕水星运转的轨道，初步观测数据表明，水星北半球的磁场强度比南半球大三倍。未来几年，信使号（Messenger）将对水星进行更细致的观测。水星双探测器（Bepi-Colombo）也将于2016年发射，它也会对水星进行全面的观测。因此，对于火星和水星的磁场研究在未来5年内也将成为国际行星动力学的热点问题之一。

地球磁场示意图，地球磁轴与地球自转轴夹角为11.5度

行星的磁层

地球具有自己的固有磁场，它的磁场广泛分布于地球表面之外，太阳风与地球磁场相互作用，使得地球磁场局限于地球周围的一定区域内，包含地球磁场的这一区域被称为地球磁层。理论预言的地球磁层的各个层次结构都逐一为空间探测器的观测所证实。磁层现象不是地球所独有的，太阳系其他行星也有相同或类似的磁层结构。

木星磁层是太阳系中除地球磁层以外，人类了解得最多的行星磁层。由于木星比地球距离太阳远得多，因此太阳风与木星磁层的相互作用比地球的要弱得多。二氧化硫正离子和电子是木星磁层中等离子体的主要成分。这些等离子体吸附在木星磁层的磁力线上，随之绕木星一起旋转。木星磁场的对称轴与木星的自转轴有约10度的夹角，因此在木星赤道面运动的木卫一不断穿越木星磁层的不同壳层，在距木星5～6个木星半径处形成一个等离子体环。木星磁层可延伸到约100个木星半径的远处。

金星、火星的全球性固有磁场强度较弱，因此它们与太阳风的相互作用过程同地球与太阳风的相互作用有很大不同。火星与太阳风相互作用形成的感应磁层，无论是从尺度或结构上都与地球磁层有着根本性的区别。金星与太阳风相互作用产生的磁场结构非常稳定。金星和火星大气为我们研究空间等离子体基本过程提供了一个独特的天然实验室。2006年欧洲空间局发射的“金星快车”探测到了金星某些磁场结构以及太阳风被金星大气的吸收作用。将金星、火星和地球进行比较研究，才可以深入了解太阳风与磁化和非磁化行星大气相互作用的基本特征。

木星的磁层

行星的大气动力学

研究行星大气动力学，木星是最具代表性的天体。木星表面大气的运动具有如下特点：

① 它具有位于不同纬度、方向交替的稳定带状环流；

② 带状环流之间或之中具有多种尺度的涡流及丝状结构；

③ 木星大气中具有尺度更小的风暴和闪电等现象。

但是，我们至今仍然不清楚形成环流、涡流这些观测特征的原因。对木星的观测、理论、实验和数值模拟研究表明，木星内部的流体动力学机制，极大地影响和决定了木星大气在其最外层的表现形式，例如在其表面观测到的带状环流和涡流（旋涡）。但是直到目前为止，观测还仅限于最外层的几百千米深度，这对于一个半径7万千米的行星来说，我们对它的了解还远远不够，对于木星带状环流的形成机制和它的垂直结构，目前还存在较大争议。

近年来，哈勃空间望远镜和“卡西尼-惠更斯号”对木星和土星大气的结构以及随时间的变化进行了有效观测，虽然人们过去对行星大气较差环流已做过不少理论分析，但新的观测结果不断给研究人员提出新的挑战。“卡西尼-惠更斯号”的图像数据表明：土星大气的小尺度涡动与大尺度带状平均流高度相关。通过1996年和2004年两次对土星的观测发现，其赤道带环流速度正在明显变慢，从1996年的400米/秒到2004年的275米/秒，目前的理论还不能对此给出合理的解释。

木星大气的不同区带和大红斑

“勇气号”火星车发现的富含硅的火星地表土层

行星表面物理

行星表面物理是行星物理的重要问题，国际上主要研究小行星表面岩石类型、反照率、反射光谱性质以及行星在小天体撞击过程中的物质分布性态。按表面的反射光谱，小行星可以分为S型、M型、K型、C型和D型等。小行星表面的反射光谱反映了本身的物质组成。例如，S型小行星的表面主要成分为硅酸盐与金属铁，M型小行星的表面主要成分为金属铁。

小行星在漫长的太阳系演化过程中，相互发生碰撞并破裂成众多碎片。其中有些碎片进入地球引力范围而陨落为陨石。因此，陨石是研究小行星以及太阳系的珍贵样品。目前全世界已收集到4万多块陨石样品，其中80%是普通球粒陨石，其余为碳质球粒陨石、顽辉石球粒陨石和分异陨石（无球粒石陨石、石铁陨石和铁陨石）。长期以来，人们试图寻找陨石与小行星的关系，如果能确定某种陨石来自某一类特定类型的小行星，那么研究这些陨石样品就能了解小行星的形成、内部分异和演化历史。

按常理，普通球粒陨石的小行星母体应该普遍存在于小行星带内，因为普通球粒陨石是最常见的陨石样品。然而长期以来的天文观测并没有在小行星带中找到与普通球粒陨石的反射光谱相似的小行星，这是行星科学面临的一大困惑。因此寻找普通球粒陨石的小行星也成为行星科学的一大目标。

目前有两种理论来解释普通球粒陨石的小行星母体的失踪问题。一种理论认为，普通球粒陨石的小行星过去曾经主导小行星带，后因受热作用而发生熔融分异，其表面被硅酸盐和金属覆盖，形成了S型小行星。另一种理论认为，目前观测到的所有S型小行星，其中25%～50%由普通球粒陨石物质组成，但是由于受到空间风化作用的影响，其表面的反射光谱发生了变化，并不像普通球粒陨石的反射光谱，反而与S型小行星的相似。因此，S型小行星的物质组成研究成为一个关键问题。小行星反射光谱与陨石实验室分析成为行星物理的重要问题。

类地行星和月球表面所呈现的大尺度多环盆地是行星科学界公认的重要行星地质学结构。地质史上小行星曾经多次撞击地球，留下了巨大的陨击坑，造成全球性的灾害，引起旧物种的灭绝和新物种的诞生，从而推动了生物的进化。早期撞击在各星球上形成的多环盆地是太阳系中尺度最大的地质构造，由于撞击过程中温度、压力等物理参数由中心向外的不同分布，造成了不同矿物生成的条件，因而对撞击问题的深入研究也许还能为地球矿产资源勘探提供重要依据。

近年来的太阳系探测在火星和一些卫星（如木卫二、木卫三、木卫四等）的表面也发现有多环盆地结构。菲尔德尔（Fielder）于1963年最早从月球的观测数据发现多环盆地有明显的特征，即环间距均匀且为中心盆地直径倍；后来的学者发现火星和水星上的很多碰撞盆地也都如此。过去对其解释有两种理论模型：海啸模型和浅水波理论模型，但它们的理论假设均与实际情况有较大不符。近年来提出了深水波理论模型，该方法在计算环半径时效果明显。

火星上的最高山峰——奥林帕斯山

恒星化学研究

行星化学是利用现代化的实验技术和仪器设备，分析地外物质（陨石、宇宙尘埃、月球样品和彗星样品）的矿物岩石组合、化学成分、同位素组成、有机物种类和含量，探索早期太阳系的形成和演化过程。目前全世界收集到的4万多块各类陨石，它们绝大多数代表了太阳系内众多小行星的样本，如第4号小行星灶神星。由于陨石的母体较小，自形成以来没有发生重大地质变化，较好地保留了太阳系史前分子云和早期形成演化的信息，为研究元素的起源、星际介质和分子云的空间环境、恒星的诞生和发育、太阳系原始星云分馏凝聚与化学演化过程、行星系统的形成和内部熔融分异过程提供了珍贵的第一手资料。

近年来，行星化学研究领域取得的重要进展包括：

①在原始球粒陨石中发现了金刚石、石墨、氧化物、碳化物、氮化物和硅酸盐等多种前太阳系尘埃颗粒，这些尘埃的化学和同位素组成特征表明，它们来自红巨星、AGB星、新星和超新星。这使我们对元素的起源，宇宙化学演化趋势，恒星的演化、内部核反应和对流机制有了更深入的认识，也为研究原始太阳分子云的物质来源提供了依据；

②原始球粒陨石中的难熔包体和球粒被确认为太阳系中最古老的物体，它们在太阳系最初的两百万年内形成，是早期所发生的重大天文事件（如双极喷流）的产物，是研究太阳和恒星形成及早期各演化阶段的重要样本；

③在原始球粒陨石中找到了短寿期放射性核素（如26Al、41Ca、36Cl等）的证据，有些核素（如56Fe）来自更早恒星内部的核反应，随着星风来到原始太阳分子云，引起塌缩和原太阳的形成；有些核素（如10Be、36Cl）是受到早期原太阳的高能粒子辐射而产生，它们反映了原太阳的活动强度和物理化学环境；

④对无球粒分异陨石和铁陨石开展微量元素和放射性同位素年代学的研究，发现小行星和大行星（如地球）的内部熔融分异过程发生得很早，在太阳系形成初期的几百万年到几千万年内就完成了；

⑤对月球样品、月球陨石和火星陨石的研究，可以全面地了解月球和火星的地质演化历史；

降落于巴西的球粒陨石

⑥在碳质球粒陨石中发现了多种氨基酸和糖分子，为研究生命起源提供了新的线索；1996年，美国科学家戴维·麦凯（David S Mckay）在一块火星陨石（ALH84001）中发现了火星生命迹象，尽管受到质疑，还是激发起了人们研究地外生命的热情。

（“本文主要内容参考了《中国学科发展战略——天文学》一书中的第四章‘行星科学与深空探测’，对该章作者廖新浩研究员的若干建议表示感谢。”）

（责任编辑 张长喜）