关于行星物理学介绍

[拼音]：xingxing wulixue

[外文]：planetary physics

研究行星及其卫星的物理状况和化学性质的学科，太阳系物理学的一个主要分支。它的任务是：

（1）测定行星及其卫星的各种物理参数，如大小、质量、扁率、平均密度、表面重力加速度、逃逸速度、反照率等；

（2）研究行星及其卫星表面的构造、表面覆盖物的特性、表面温度及其周期变化；

（3）对有大气的行星和卫星，研究它们的大气的构造、物理状态和化学组成；

（4）研究行星的内部结构；

（5）研究行星的磁场、磁层以及太阳风与行星的相互作用。地理学和地球物理学一般不包括在行星物理学中，但地球是一个行星，从研究行星的角度对地球所作的研究则属于行星物理学。

研究方法

十七世纪初，望远镜的诞生为行星及其卫星的物理研究提供了条件。虽然行星的视圆面很小，而且观测受到地球大气抖动等因素的影响，但用望远镜通过目视观测还是发现了行星表面的许多特征。十九世纪中叶以后，照相术、测光术、分光术被广泛地应用到行星及其卫星的观测和研究中来。例如：用照相方法拍摄行星的照片；用测光方法测定行星和卫星的累积星等、明度星等（见天体光度测量）、色指数、光度与位相的关系、反照率及表面的有效温度；用分光方法拍摄行星的光谱，并进而确定行星大气的成分，根据谱线位移量测定行星的自转周期等。随后，偏振测量也被广泛地应用到行星物理研究方面，对行星表面不同部分所反射的光的偏振测量，对于了解行星表面结构和特性有十分重要的价值。二十世纪上半叶，射电天文学诞生后，开始对行星进行射电观测，扩大了对行星及其卫星观测的波段。这种观测通常分为两类，一类是直接接收行星和卫星表面发出的射电辐射，例如对行星而言，已经接收到的有水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星的射电辐射（见行星射电），其中木星、天王星、海王星还有射电爆发；另一类是雷达观测，用雷达方法可以测定和研究行星表面的特征，甚至可以测绘表面图。五十年代末以来，相继向月球、金星、火星、水星、木星和土星发射了各种探测器(见空间天文观测航天器)，以逼近飞行、绕转飞行、硬着陆、软着陆、载人飞行等方式，通过照相、自动测量、采样分析以及宇航员的实地考察和取回样品，对月球和行星作了深入的研究。新的发现接踵而至。随着宇宙航行时代的到来，行星物理学已成为当代科学研究的活跃领域之一。

主要成果

通过研究，已经对行星的大气、表面、内部结构、磁场和磁层等方面有了一定程度的了解。此外，对于地球的天然卫星──月球，也获得了更加丰富的资料（见月质学）。

行星上大气的存在和保持取决于其组成成分的逃逸率。根据金斯经验规则，如逃逸速度vp高于热运动均方根速度vt的5倍，则给定分子(分子质量为μ)的逃逸可以忽略，行星表面上这种分子的大气成分实际上将永远地存在下去。这个条件可用方程表示为vp≥5vt，式中vt=(3kT/μ)1/2，T为绝对温度，玻耳兹曼常数k=1.38×10-16尔格/度。

由于水星引力小而表面温度高，根据上述金斯规则，水星上很难长期保有大气层。行星际探测器“水手”10号果然确证水星上只有极微量的大气，其主要成分是中性氦。至于冥王星有无大气，因资料很少，至今还不能断定。其他行星都存在着大气。此外，木卫一、木卫三、土卫六、海卫一等卫星也有大气。

用分光方法证认出来的大气组成是：

金 星：CO2，N2，Ar，CO，H2O，HCl，HF，H，He，O

火 星：CO2，CO，N2，H2O，Kr，Xe，O2（微量）

木 星：CH4，NH3，H2，He，C2H2（微量），C2H6，PH3

土 星：CH4，NH3，H2，C2H6（微量）

天王星：CH4，H2

海王星：CH4，H2

土卫六：CH4，H2

木卫一：Na，He必须指出，这里证认出的原子和分子只是行星大气组成的一部分。可能还有一些重要成分没有检测到。例如，木星大气中含量占第二位的元素氦，以前用分光方法并未证认出来，直到1973年才被行星际探测器“先驱者”10号发现。火星上的氮是行星际探测器“海盗”1号首先发现的。

月球、水星和火星的表面可以通过光学波段直接观测，对颜色、反照率和相效应的测量表明，月面和水星表面情况相似。水星表面可能覆盖着粗糙不平类似月壤的物质。“水手”10号摄得的水星照片证实了水星表面和月球表面的相似性。“水手”9号进入绕火星的轨道以后，已经对火星作了非常精确的地貌调查。

无线电波可以穿透金星浓密的云层直达表面。通过雷达观测已绘制了金星表面地形图。行星际探测器已在金星表面软着陆，获得了高分辨率的资料。通过对金星局部地区作精细的研究，发现金星赤道区有像火山口一样大而浅的圆形圈和南北向穿过赤道绵延 1，200公里的大裂谷、山系等。

已知木星是个流体行星，没有固体表面。

研究行星内部结构的主要目的是揭示行星的总体组成和行星内部存在的物理化学性质均不相同的分层。目前还不能直接用观测手段来探测行星内部，而只能根据下述有关观测资料来推断行星的结构模型：

（1）行星质量：对内部结构来说，是个重要的量。根据行星、卫星、小行星的运动和摄动已经计算出各大行星的质量，而且大多较为精确。

（2）半径和密度：从计算得到的质量以及测量到的半径可以求得平均密度。有的行星半径本来是较难定准的，通过行星际探测，情况大为好转。

（3）扁率和动力学椭率：这两个量同行星内部的物质分布有密切关系。一个质量较集中在中心的转动着的行星，要比一个密度均匀分布的相似行星扁些。扁率（或称椭率）定义为ε =(a-b)/a，式中a和b为行星的长轴和短轴。对于有一定的扁率而且有近距卫星的行星，可以根据该行星的赤道隆起对卫星的摄动求得动力学椭率ε┡=(C-A)/C。式中C 为对于自转轴的惯量矩，而A为对垂直于自转轴的任一轴的惯量矩。

（4）自转:迄今为止，所有行星都已有自转数据。如果将扁率和自转速率合在一起，可以导出量I/MR2。其中I和R为行星的惯量矩和半径，M为行星质量。量I/MR2表示物质向中心集中的程度，是对行星模型正确程度的一种量度。

（5）地震学研究：地震学研究使人们得知地球内部具有分层结构，并且存在着几个间断面。地球内部大致由不同性质的同心层──地壳、地幔、外地核和内地核所构成（见地球内部结构）。这一分层结构模型目前已被用来研究某些行星的内部结构。

行星内部的高压使得行星内部的凝聚物质的状态方程极为复杂，因而行星内部结构理论的进展，远不如恒星内部结构理论迅速。幸而关于冷的固态氢和固态氦的状态方程已经相当精确地计算出来了。氢在2×106～2.5×106大气压时产生了重大的状态变化，从分子形式过渡到金属形式，密度增加大约40％。其他某些元素和化合物也有类似的状态变化。

雷姆塞提出了一个假设，他用橄榄石（硅酸盐幔中所含的一种重要矿物）在高压下过渡到金属相来解释地表下 2，900公里处（地幔与地核交界面）密度突然增加的现象。这一假设被推广到所有类地行星上，即试图寻求关于所有类地行星化学上匀质的模型，将幔与核之间的差别仅仅归之于同一物质的高压相变。但是关于水星的较新资料得出其平均密度与地球相近这一点，证明类地行星不会是完全匀质的。在行星中间，水星的质量最小，但它的密度却和地球相近。因此显然不能用高压硅相来解释，而必须假定重元素占有相当高的份量。这就再次回到水星具有铁-镍核的概念。关于类地行星的结构问题，目前还有较大的争论。

类木行星的情况要好得多。木星和土星的平均密度较低（分别为1.33和0.70克/厘米3），表明这些行星主要由氢、氦组成，核的内部有少量的重元素。

马库斯根据太阳型组成及分子氢与金属氢之间的相转变，提出了木星和土星的结构模型。木星和土星间的密度差可以直接用它们的质量不同来解释：与木星相比，压力造成的向金属相的过渡发生在土星的更深处，从而使金属相物质在土星的总质量中只占有较小的份额。虽然在模型计算中还在作这样或那样的修正，但上述图像目前仍然是讨论这两个行星结构的基本前提。

至于天王星和海王星，它们的密度（分别为1.24和1.66克/厘米3）比土星要高得多，意味着含有更高浓度的氦和重元素。但对它们的内部结构，目前研究得还很少。

关于行星磁场，除地磁场外，只有零星的初步知识。由于空间探测技术的发展，情况正在迅速改变。到目前为止，已对水星、金星、火星、木星和土星的磁场作了空间探测。

“水手”10号发现水星具有远比火星、金星强大得多的磁场。探测结果还表明，与磁强计所得曲线十分符合的水星磁矩为5.2×1022电磁单位，即不到地球磁矩的1/1500。水星磁极的极性与地球相同，偶极矩指向南;磁轴和自转轴交角约12°；赤道表面的场强为4×10-3高斯。业已肯定水星磁场是这个行星本身所固有的，但对其起源的解释还有争议。

迄今为止，行星际探测还没有发现金星拥有固有磁场的充足证据，只是发现金星附近的太阳风激波。这种激波的位形可以用太阳风直接同金星大气的顶部碰撞来解释。激波后的湍流和小尺度磁场是由太阳风同金星相互作用引起的。但1976年C.T.罗素则认为一个磁矩为1.4×1023 电磁单位的偶极场更能说明所获得的空间观测资料。这个问题还有待进一步的研究。行星际探测器“火星”2号、3号和 5号对火星的探测获得了火星拥有磁场的证据。磁矩是2.5×1022电磁单位，是地球磁矩的1/3000；赤道表面磁场强度为0.6×10-3高斯；磁极的极性与地球相反，即偶极矩指向北；磁轴与自转轴交角为15°。但是，C.T.罗素于1978年重新分析了空间探测资料以后，认为观测到的磁场只是围绕火星的被压缩了的行星际磁场。因此，火星是否有固有磁场，尚无定论。

在类木行星中已获得木星磁场和土星磁场的证据。

在太阳风作用下，行星磁场被限制在一定的区域，这个区域称为行星磁层。磁层内充满等离子体，其物理性质和过程受所在行星的磁场的支配。一般说来，磁层的外边界只在向日方向是清晰的，而在背日方向则模糊不清。在向日方向，可以回到行星表面的磁力线与不能回到行星表面的磁力线之间存在着截然的界线，太阳风流动的动压与行星磁场的磁压相等处就是界面。在背日方向行星磁力线与太阳风场连在一起，没有明确界面。

已发现水星、地球和木星有磁层，水星的磁层很像地球的磁层，不过规模较小。木星有更强的、结构更复杂的磁层，同地球磁层差别较大。

磁层物理过程的主要能源是等离子体流。它是不稳定的，随时间而变化的。图中定性地表示行星磁层的拓扑位形。图的平面是由行星磁轴和太阳风速度矢量决定的。按磁力线的拓扑性质可分为四个区域。区域Ⅰ中的磁力线从太阳表面出发并回到太阳表面上的另一点。区域Ⅱ中的磁力线将太阳与行星联结起来。区域Ⅲ中的磁力线与行星表面交于两点。区域Ⅳ中的磁力线完全被包围在等离子体中，既不同太阳也不同行星接触。

按等离子体拓扑来分，可分为A、B、C三区。A区包含的是未受干扰的超声速太阳风等离子体，下边界位于日冕底部。B区是磁鞘，以弓形激波波阵面和磁层顶作为界面，所包含的是被压缩的亚声速（有时是湍流的）等离子体，当它沿磁层边界流动时便变成超声速等离子体。C区是磁层（见地球弓形激波和地球磁层）。

参考书目

1. 沙罗诺夫著，张钰哲等译：《行星物理》，科学出版社，北京，1974。
2. J. C. Brandt and P.W.Hodge， Solar System Astrophysics， McGraw-Hill，New York，1964.
3. T.Gehrels ed.， Jupiter，Univ.of Arizona Press， Tucson， 1976.