□ 問 天

行星科學與深空探測（二）
——行星科學研究的國際現狀和發(fā)展趨勢

□ 問 天

歐空局的“火星快車號”探測器（Mars Express）

早期的太陽系（美術概念圖）

國際天文學聯(lián)合會（IAU）在2006年第26界大會通過了新的行星定義決議，將冥王星降級，與谷神星、鬩神星（Eris）等一起歸類為“矮行星”，其余的大行星稱為行星。也可以將矮行星、小行星、彗星等質量較小的天體統(tǒng)稱為“小天體”。

行星的內部結構和重力場

行星內部結構與重力場是行星物理研究的基礎性科學問題，主要研究類地行星內部在靜力學平衡下的物質分布狀況。行星內部結構與行星內部動力學密切相關，不同性質的內部結構將導致不同的內部動力學過程，從而導致不同的磁場性態(tài)。利用探測器的軌道變化和行星磁場等資料并根據相關理論可以獲得其與內部結構有關的物理參數，如引力場、潮汐形變和速度場等。這些參數不僅可以反映它們的內部分層結構，還可以反映出物質的密度和性態(tài)。類地行星內部物理學中有許多未解決的重要問題，例如，行星內部狀態(tài)、核的大小和礦物學特征（如氫元素的組成和比例）。

行星的重力場反映行星內部物質的分布，高精度重力場的測定可以提供關于行星的殼和幔的有用物理信息，并進一步研究行星殼厚度的地理差別及其演化意義。精確的行星重力場模型對確保探測計劃的成功也是必不可少的。由于對行星重力場的測定并不需要在衛(wèi)星上增加任何有效載荷，而僅僅需要對其軌道變化進行跟蹤測量，因此深空探索的早期階段就已經開展了行星重力場測定和內部密度推測并一直持續(xù)到目前，它是深空探測的基本科學內容。

行星重力場的研究重點集中于月球和火星。以美國的Lunar Prospecto（LP）計劃為例，它在進行重力場解算時主要采用了較高精度的多普勒數據，其精度都足以探測月球重力的大多數球諧展開項。我國的月球探測計劃事后處理定位精度可達米的量級，可以用于探測月球重力場的部分球諧系數并進而開展月球內部物理的研究。到目前為止，最好的火星重力場模型（MGS75D）是基于美國宇航局的“水手9號”（Mariner 9）、“海盜1號”（Viking 1）、“海盜2號”（Viking 2）和MGS不同高度飛行的地基測軌測高數據綜合得到的。其空間分辨率約180千米，精度在兩極約為10厘米/秒2，在赤道區(qū)域約為20厘米/秒2，在火星塔爾西（Tharsis）和奧林匹斯（Olympus）等大尺度地形顯著變化地區(qū)約為100厘米/秒2。

地球的結構

行星的磁場

一般來說，行星均具有以下基本性質：近球形、分層結構、快速自轉以及存在大氣、液核和磁場。從整體上看，目前人們對行星物質組成、分布結構以及所屬演化階段等方面已有了一定的了解，但對于大行星內部復雜的流體與磁流體動力學過程仍然知道得不多。

根據其產生機制，觀測到的行星磁場可分為兩類：一類被稱為固有磁場，它是由行星內部磁流體運動過程導致的發(fā)電機效應而產生的，在此過程中流體運動的能量轉變成磁場能量；另一類叫剩余磁場，它是由行星過去的（現在已停止）固有磁場對其外部巖石圈磁化造成的。大多數太陽系行星在過去都存在固有磁場，其中有些行星的發(fā)電機過程已經停止，只有剩余磁場，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場，并且不同行星的磁場有不同的物理特征和結構。

1981年生于江西省贛州市。本科、碩士畢業(yè)于廣州美術學院。現為中國藝術研究院博士研究生，贛南師大美術學院教師，中國工筆畫學會會員，贛州市七鯉陶瓷藝術研究院副院長。作品多次入選全國性美術和設計展覽，作品被中國駐法國大使館、國家林業(yè)局、胡一川美術館、廣州美術學院、廣東科學館、嶺南畫派紀念館和贛州市博物館等單位收藏。

木星磁場的對稱軸與它的旋轉軸之間有一個大約10°的夾角，反映了旋轉效應對磁場的影響，這與地球磁場的特征很相似；土星磁場的對稱軸幾乎與其旋轉軸重合，它的磁場相對其赤道平面具有高度對稱性；天王星和海王星的磁極與其旋轉軸之間的夾角很大，大約50°～60°。雖然金星和火星的內部結構與地球相似，但它們現在并沒有固有磁場。行星固有磁場是目前能提供行星內部結構以及動力學過程研究的有效途徑之一，可以利用磁場性質對行星內部物質運動及其物理性質給出有效推斷。

行星磁場問題是目前國際上非?；钴S并且可能取得突破性進展的研究領域。20世紀50年代，愛因斯坦將行星磁場的產生問題列為五大沒有解決的物理問題之一。近年來宇宙飛船對太陽系行星的探測使人們對行星內在磁場有了新的認識和理解。例如，“伽利略號”對木星及其衛(wèi)星的觀測，發(fā)現了木衛(wèi)一（Io）的固有磁場和木星內部流場的變化，使得國際上對行星磁場的關注程度日益增強。盡管對于較強內在磁場的產生、維持和變化國際上已有較多研究，但是到目前為止，許多重要科學問題仍沒有解決，如行星固有磁場是如何產生的？為什么不同的行星有不同的磁場結構？行星磁場與其內部動力學的關系如何？等等。

天王星的磁場，自轉軸與磁軸夾角達59°，磁軸不通過球心

國際上，對于剩余磁場以及行星發(fā)電機為何會停止運行的研究處于剛興起階段。最新研究結果表明，火星內部存在液核，但為什么地球目前仍有較強的內在磁場，而火星現在卻只有剩余磁場？目前對水星的來自“水手10號”（Mariner 10）的有限觀測資料表明，水星具有較強的內在磁場，其表面平均強度只有450納特斯拉，不到地球的1%，它的磁場為什么與地球磁場強度相差這么大？目前，國際上對火星的探測處于一個高潮期。2011年3月18日，信使號（Messenger）進入圍繞水星運轉的軌道，初步觀測數據表明，水星北半球的磁場強度比南半球大三倍。未來幾年，信使號（Messenger）將對水星進行更細致的觀測。水星雙探測器（Bepi-Colombo）也將于2016年發(fā)射，它也會對水星進行全面的觀測。因此，對于火星和水星的磁場研究在未來5年內也將成為國際行星動力學的熱點問題之一。

地球磁場示意圖，地球磁軸與地球自轉軸夾角為11.5度

行星的磁層

地球具有自己的固有磁場，它的磁場廣泛分布于地球表面之外，太陽風與地球磁場相互作用，使得地球磁場局限于地球周圍的一定區(qū)域內，包含地球磁場的這一區(qū)域被稱為地球磁層。理論預言的地球磁層的各個層次結構都逐一為空間探測器的觀測所證實。磁層現象不是地球所獨有的，太陽系其他行星也有相同或類似的磁層結構。

木星磁層是太陽系中除地球磁層以外，人類了解得最多的行星磁層。由于木星比地球距離太陽遠得多，因此太陽風與木星磁層的相互作用比地球的要弱得多。二氧化硫正離子和電子是木星磁層中等離子體的主要成分。這些等離子體吸附在木星磁層的磁力線上，隨之繞木星一起旋轉。木星磁場的對稱軸與木星的自轉軸有約10度的夾角，因此在木星赤道面運動的木衛(wèi)一不斷穿越木星磁層的不同殼層，在距木星5～6個木星半徑處形成一個等離子體環(huán)。木星磁層可延伸到約100個木星半徑的遠處。

金星、火星的全球性固有磁場強度較弱，因此它們與太陽風的相互作用過程同地球與太陽風的相互作用有很大不同。火星與太陽風相互作用形成的感應磁層，無論是從尺度或結構上都與地球磁層有著根本性的區(qū)別。金星與太陽風相互作用產生的磁場結構非常穩(wěn)定。金星和火星大氣為我們研究空間等離子體基本過程提供了一個獨特的天然實驗室。2006年歐洲空間局發(fā)射的“金星快車”探測到了金星某些磁場結構以及太陽風被金星大氣的吸收作用。將金星、火星和地球進行比較研究，才可以深入了解太陽風與磁化和非磁化行星大氣相互作用的基本特征。

木星的磁層

行星的大氣動力學

研究行星大氣動力學，木星是最具代表性的天體。木星表面大氣的運動具有如下特點：

① 它具有位于不同緯度、方向交替的穩(wěn)定帶狀環(huán)流；

② 帶狀環(huán)流之間或之中具有多種尺度的渦流及絲狀結構；

③ 木星大氣中具有尺度更小的風暴和閃電等現象。

但是，我們至今仍然不清楚形成環(huán)流、渦流這些觀測特征的原因。對木星的觀測、理論、實驗和數值模擬研究表明，木星內部的流體動力學機制，極大地影響和決定了木星大氣在其最外層的表現形式，例如在其表面觀測到的帶狀環(huán)流和渦流（旋渦）。但是直到目前為止，觀測還僅限于最外層的幾百千米深度，這對于一個半徑7萬千米的行星來說，我們對它的了解還遠遠不夠，對于木星帶狀環(huán)流的形成機制和它的垂直結構，目前還存在較大爭議。

近年來，哈勃空間望遠鏡和“卡西尼-惠更斯號”對木星和土星大氣的結構以及隨時間的變化進行了有效觀測，雖然人們過去對行星大氣較差環(huán)流已做過不少理論分析，但新的觀測結果不斷給研究人員提出新的挑戰(zhàn)?！翱ㄎ髂?惠更斯號”的圖像數據表明：土星大氣的小尺度渦動與大尺度帶狀平均流高度相關。通過1996年和2004年兩次對土星的觀測發(fā)現，其赤道帶環(huán)流速度正在明顯變慢，從1996年的400米/秒到2004年的275米/秒，目前的理論還不能對此給出合理的解釋。

木星大氣的不同區(qū)帶和大紅斑

“勇氣號”火星車發(fā)現的富含硅的火星地表土層

行星表面物理

行星表面物理是行星物理的重要問題，國際上主要研究小行星表面巖石類型、反照率、反射光譜性質以及行星在小天體撞擊過程中的物質分布性態(tài)。按表面的反射光譜，小行星可以分為S型、M型、K型、C型和D型等。小行星表面的反射光譜反映了本身的物質組成。例如，S型小行星的表面主要成分為硅酸鹽與金屬鐵，M型小行星的表面主要成分為金屬鐵。

小行星在漫長的太陽系演化過程中，相互發(fā)生碰撞并破裂成眾多碎片。其中有些碎片進入地球引力范圍而隕落為隕石。因此，隕石是研究小行星以及太陽系的珍貴樣品。目前全世界已收集到4萬多塊隕石樣品，其中80%是普通球粒隕石，其余為碳質球粒隕石、頑輝石球粒隕石和分異隕石（無球粒石隕石、石鐵隕石和鐵隕石）。長期以來，人們試圖尋找隕石與小行星的關系，如果能確定某種隕石來自某一類特定類型的小行星，那么研究這些隕石樣品就能了解小行星的形成、內部分異和演化歷史。

按常理，普通球粒隕石的小行星母體應該普遍存在于小行星帶內，因為普通球粒隕石是最常見的隕石樣品。然而長期以來的天文觀測并沒有在小行星帶中找到與普通球粒隕石的反射光譜相似的小行星，這是行星科學面臨的一大困惑。因此尋找普通球粒隕石的小行星也成為行星科學的一大目標。

目前有兩種理論來解釋普通球粒隕石的小行星母體的失蹤問題。一種理論認為，普通球粒隕石的小行星過去曾經主導小行星帶，后因受熱作用而發(fā)生熔融分異，其表面被硅酸鹽和金屬覆蓋，形成了S型小行星。另一種理論認為，目前觀測到的所有S型小行星，其中25%～50%由普通球粒隕石物質組成，但是由于受到空間風化作用的影響，其表面的反射光譜發(fā)生了變化，并不像普通球粒隕石的反射光譜，反而與S型小行星的相似。因此，S型小行星的物質組成研究成為一個關鍵問題。小行星反射光譜與隕石實驗室分析成為行星物理的重要問題。

類地行星和月球表面所呈現的大尺度多環(huán)盆地是行星科學界公認的重要行星地質學結構。地質史上小行星曾經多次撞擊地球，留下了巨大的隕擊坑，造成全球性的災害，引起舊物種的滅絕和新物種的誕生，從而推動了生物的進化。早期撞擊在各星球上形成的多環(huán)盆地是太陽系中尺度最大的地質構造，由于撞擊過程中溫度、壓力等物理參數由中心向外的不同分布，造成了不同礦物生成的條件，因而對撞擊問題的深入研究也許還能為地球礦產資源勘探提供重要依據。

近年來的太陽系探測在火星和一些衛(wèi)星（如木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四等）的表面也發(fā)現有多環(huán)盆地結構。菲爾德爾（Fielder）于1963年最早從月球的觀測數據發(fā)現多環(huán)盆地有明顯的特征，即環(huán)間距均勻且為中心盆地直徑倍；后來的學者發(fā)現火星和水星上的很多碰撞盆地也都如此。過去對其解釋有兩種理論模型：海嘯模型和淺水波理論模型，但它們的理論假設均與實際情況有較大不符。近年來提出了深水波理論模型，該方法在計算環(huán)半徑時效果明顯。

火星上的最高山峰——奧林帕斯山

恒星化學研究

行星化學是利用現代化的實驗技術和儀器設備，分析地外物質（隕石、宇宙塵埃、月球樣品和彗星樣品）的礦物巖石組合、化學成分、同位素組成、有機物種類和含量，探索早期太陽系的形成和演化過程。目前全世界收集到的4萬多塊各類隕石，它們絕大多數代表了太陽系內眾多小行星的樣本，如第4號小行星灶神星。由于隕石的母體較小，自形成以來沒有發(fā)生重大地質變化，較好地保留了太陽系史前分子云和早期形成演化的信息，為研究元素的起源、星際介質和分子云的空間環(huán)境、恒星的誕生和發(fā)育、太陽系原始星云分餾凝聚與化學演化過程、行星系統(tǒng)的形成和內部熔融分異過程提供了珍貴的第一手資料。

近年來，行星化學研究領域取得的重要進展包括：

①在原始球粒隕石中發(fā)現了金剛石、石墨、氧化物、碳化物、氮化物和硅酸鹽等多種前太陽系塵埃顆粒，這些塵埃的化學和同位素組成特征表明，它們來自紅巨星、AGB星、新星和超新星。這使我們對元素的起源，宇宙化學演化趨勢，恒星的演化、內部核反應和對流機制有了更深入的認識，也為研究原始太陽分子云的物質來源提供了依據；

②原始球粒隕石中的難熔包體和球粒被確認為太陽系中最古老的物體，它們在太陽系最初的兩百萬年內形成，是早期所發(fā)生的重大天文事件（如雙極噴流）的產物，是研究太陽和恒星形成及早期各演化階段的重要樣本；

③在原始球粒隕石中找到了短壽期放射性核素（如26Al、41Ca、36Cl等）的證據，有些核素（如56Fe）來自更早恒星內部的核反應，隨著星風來到原始太陽分子云，引起塌縮和原太陽的形成；有些核素（如10Be、36Cl）是受到早期原太陽的高能粒子輻射而產生，它們反映了原太陽的活動強度和物理化學環(huán)境；

④對無球粒分異隕石和鐵隕石開展微量元素和放射性同位素年代學的研究，發(fā)現小行星和大行星（如地球）的內部熔融分異過程發(fā)生得很早，在太陽系形成初期的幾百萬年到幾千萬年內就完成了；

⑤對月球樣品、月球隕石和火星隕石的研究，可以全面地了解月球和火星的地質演化歷史；

降落于巴西的球粒隕石

⑥在碳質球粒隕石中發(fā)現了多種氨基酸和糖分子，為研究生命起源提供了新的線索；1996年，美國科學家戴維·麥凱（David S Mckay）在一塊火星隕石（ALH84001）中發(fā)現了火星生命跡象，盡管受到質疑，還是激發(fā)起了人們研究地外生命的熱情。

（“本文主要內容參考了《中國學科發(fā)展戰(zhàn)略——天文學》一書中的第四章‘行星科學與深空探測’，對該章作者廖新浩研究員的若干建議表示感謝。”）

（責任編輯 張長喜）