行星物理學

行星物理學是研究行星及其衛(wèi)星的物理狀況和化學性質的學科，它是太陽系物理學的一個主要分支。

　　行星物理學的任務是：測定行星及其衛(wèi)星的各種物理參數(shù)；研究行星及其衛(wèi)星表面的構造、表面覆蓋物的特性、表面溫度及其周期變化；對有大氣的行星和衛(wèi)星，研究它們的大氣的構造、物理狀態(tài)和化學組成；研究行星的內部結構；研究行星的磁場、磁層以及太陽風與行星的相互作用。地理學和地球物理學一般不包括在行星物理學中。

　　十七世紀初，望遠鏡的誕生為行星及其衛(wèi)星的物理研究提供了條件。雖然行星的視圓面很小，而且觀測受到地球大氣抖動等因素的影響，但用望遠鏡通過目視觀測還是發(fā)現(xiàn)了行星表面的許多特征。

　　十九世紀中葉以后，照相術、測光術、分光術被廣泛地應用到行星及其衛(wèi)星的觀測和研究中來。例如：用照相方法拍攝行星的照片；用測光方法測定行星和衛(wèi)星的累積星等、明度星等、色指數(shù)、光度與位相的關系、反照率及表面的有效溫度；用分光方法拍攝行星的光譜，并進而確定行星大氣的成分，根據(jù)譜線位移量測定行星的自轉周期等。隨后，偏振測量也被廣泛地應用到行星物理研究方面，對行星表面不同部分所反射的光的偏振測量，對于了解行星表面結構和特性有十分重要的價值。

　　二十世紀上半葉，射電天文學誕生后，開始對行星進行射電觀測，擴大了對行星及其衛(wèi)星觀測的波段。這種觀測通常分為兩類，一類是直接接收行星和衛(wèi)星表面發(fā)出的射電輻射，例如對行星而言，已經接收到的有水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星的射電輻射，其中木星、天王星、海王星還有射電爆發(fā)；另一類是雷達觀測，用雷達方法可以測定和研究行星表面的特征，甚至可以測繪表面圖。

　　五十年代末以來，相繼向月球、金星、火星、水星、木星和土星發(fā)射了各種探測器，以逼近飛行、繞轉飛行、硬著陸、軟著陸、載人飛行等方式，通過照相、自動測量、采樣分析以及宇航員的實地考察和取回樣品，對月球和行星作了深入的研究。新的發(fā)現(xiàn)接踵而至。隨著宇宙航行時代的到來，行星物理學已成為當代科學研究的活躍領域之一。

　　通過研究，現(xiàn)在已經對行星的大氣、表面、內部結構、磁場和磁層等方面有了一定程度的了解。此外，對于地球的衛(wèi)星——月球，也獲得了更加豐富的資料。

　　由于水星引力小而表面溫度高，根據(jù)金斯規(guī)則，水星上很難長期保有大氣層。行星際探測器“水手”10號果然確證水星上只有極微量的大氣，其主要成分是中性氨。至于冥王星有無大氣，因資料很少，至今還不能斷定。其他行星都存在著大氣。此外，木衛(wèi)一、木衛(wèi)三，土衛(wèi)六、海衛(wèi)一等衛(wèi)星也有大氣。

　　月球、水星和火星的表面可以通過光學波段直接觀測，對顏色、反照率和相效應的測量表明，月面和水星表面情況相似。水星表面可能覆蓋著粗糙不平類似月壤的物質。“水手”10號攝得的水星照片證實了水星表面和月球表面的相似性。“水手”9號進入繞火星的軌道以后，已經對火星作了非常精確的地貌調查。

　　無線電波可以穿透金星濃密的云層直達表面。通過雷達觀測已繪制了金星表面地形圖。行星際探測器已在金星表面軟著陸，獲得了高分辨率的資料。通過對金星局部地區(qū)作精細的研究，發(fā)現(xiàn)金星赤道區(qū)有像火山口一樣大而淺的圓形圈和南北向穿過赤道綿延1200公里的大裂谷、山系等。

　　研究行星內部結構的主要目的是揭示行星的總體組成，和行星內部存在的物理化學性質均不相同的分層。目前還不能直接用觀測手段來探測行星內部，而只能根據(jù)行星質量；半徑和密度；扁率和動力學橢率；自轉等觀測資料來推斷行星的結構模型。

　　行星內部的高壓使得行星內部的凝聚物質的狀態(tài)方程極為復雜，因而行星內部結構理論的進展，遠不如恒星內部結構理論迅速。幸而關于冷的固態(tài)氫和固態(tài)氨的狀態(tài)方程已經相當精確地計算出來了，其他某些元素和化合物也有類似的狀態(tài)變化。

　　馬庫斯根據(jù)太陽型組成及分子氫與金屬氫之間的相轉變，提出了木星和土星的結構模型。木星和土星間的密度差可以直接用它們的質量不同來解釋：與木星相比，壓力造成的向金屬相的過渡發(fā)生在土星的更深處，從而使金屬相物質在土星的總質量中只占有較小的份額。雖然在模型計算中還在作這樣或那樣的修正，但上述圖像目前仍然是討論這兩個行星結構的基本前提。

　　至于天王星和海王星，它們的密度比土星要高得多，意味著含有更高濃度的氨和重元素。但對它們的內部結構，目前研究得還很少。

　　關于行星磁場，除地磁場外，只有零星的初步知識。由于空間探測技術的發(fā)展，情況正在迅速改變。到目前為止，已對水星、金星、火星、木星和土星的磁場作了空間探測。

　　“水手”10號發(fā)現(xiàn)水星具有遠比火星、金星強大得多的磁場。水星磁極的極性與地球相同，偶極矩指向南。現(xiàn)已肯定水星磁場是這個行星本身所固有的，但對其起源的解釋還有爭議。

　　迄今為止，行星際探測還沒有發(fā)現(xiàn)金星擁有固有磁場的充足證據(jù)，只是發(fā)現(xiàn)金星附近的太陽風激波-這種激波的位形可以用太陽風直接同金星大氣的頂部碰撞來解釋。激波后的湍流和小尺度磁場是由太陽風同金星相互作用引起的。行星際探測器“火星”2號、3號和5號對火星的探測獲得了火星擁有磁場的證據(jù)。

　　在太陽風作用下，行星磁場被限制在一定的區(qū)域，這個區(qū)域稱為行星磁層。磁層內充滿等離子體，其物理性質和過程受所在行星的磁場的支配。一般說來，磁層的外邊界只在向日方向是清晰的，而在背日方向則模糊不清。在向日方向，可以回到行星表面的磁力線與不能回到行星表面的磁力線之間存在著截然的界線，太陽風流動的動壓與行星磁場的磁壓相等處就是界面。在背日方向行星磁力線與太陽風場連在一起，沒有明確界面。

　　現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)水星、地球和木星有磁層，水星的磁層很像地球的磁層，不過規(guī)模較小。木星有更強的、結構更復雜的磁層，同地球磁層差別較大。