行星物理學(xué)

行星物理學(xué)是研究行星及其衛(wèi)星的物理狀況和化學(xué)性質(zhì)的學(xué)科，它是太陽系物理學(xué)的一個(gè)主要分支。

　　行星物理學(xué)的任務(wù)是：測(cè)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(gòu)造、表面覆蓋物的特性、表面溫度及其周期變化；對(duì)有大氣的行星和衛(wèi)星，研究它們的大氣的構(gòu)造、物理狀態(tài)和化學(xué)組成；研究行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；研究行星的磁場(chǎng)、磁層以及太陽風(fēng)與行星的相互作用。地理學(xué)和地球物理學(xué)一般不包括在行星物理學(xué)中。

　　十七世紀(jì)初，望遠(yuǎn)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(cè)受到地球大氣抖動(dòng)等因素的影響，但用望遠(yuǎn)鏡通過目視觀測(cè)還是發(fā)現(xiàn)了行星表面的許多特征。

　　十九世紀(jì)中葉以后，照相術(shù)、測(cè)光術(shù)、分光術(shù)被廣泛地應(yīng)用到行星及其衛(wèi)星的觀測(cè)和研究中來。例如：用照相方法拍攝行星的照片；用測(cè)光方法測(cè)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(guān)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(jìn)而確定行星大氣的成分，根據(jù)譜線位移量測(cè)定行星的自轉(zhuǎn)周期等。隨后，偏振測(cè)量也被廣泛地應(yīng)用到行星物理研究方面，對(duì)行星表面不同部分所反射的光的偏振測(cè)量，對(duì)于了解行星表面結(jié)構(gòu)和特性有十分重要的價(jià)值。

　　二十世紀(jì)上半葉，射電天文學(xué)誕生后，開始對(duì)行星進(jìn)行射電觀測(cè)，擴(kuò)大了對(duì)行星及其衛(wèi)星觀測(cè)的波段。這種觀測(cè)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(duì)行星而言，已經(jīng)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(dá)觀測(cè)，用雷達(dá)方法可以測(cè)定和研究行星表面的特征，甚至可以測(cè)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(cè)器，以逼近飛行、繞轉(zhuǎn)飛行、硬著陸、軟著陸、載人飛行等方式，通過照相、自動(dòng)測(cè)量、采樣分析以及宇航員的實(shí)地考察和取回樣品，對(duì)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(shí)代的到來，行星物理學(xué)已成為當(dāng)代科學(xué)研究的活躍領(lǐng)域之一。

　　通過研究，現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)行星的大氣、表面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)和磁層等方面有了一定程度的了解。此外，對(duì)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(zhǎng)期保有大氣層。行星際探測(cè)器“水手”10號(hào)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(xué)波段直接觀測(cè)，對(duì)顏色、反照率和相效應(yīng)的測(cè)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(zhì)�！八�手”10號(hào)攝得的水星照片證實(shí)了水星表面和月球表面的相似性�！八�手”9號(hào)進(jìn)入繞火星的軌道以后，已經(jīng)對(duì)火星作了非常精確的地貌調(diào)查。

　　無線電波可以穿透金星濃密的云層直達(dá)表面。通過雷達(dá)觀測(cè)已繪制了金星表面地形圖。行星際探測(cè)器已在金星表面軟著陸，獲得了高分辨率的資料。通過對(duì)金星局部地區(qū)作精細(xì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要目的是揭示行星的總體組成，和行星內(nèi)部存在的物理化學(xué)性質(zhì)均不相同的分層。目前還不能直接用觀測(cè)手段來探測(cè)行星內(nèi)部，而只能根據(jù)行星質(zhì)量；半徑和密度；扁率和動(dòng)力學(xué)橢率；自轉(zhuǎn)等觀測(cè)資料來推斷行星的結(jié)構(gòu)模型。

　　行星內(nèi)部的高壓使得行星內(nèi)部的凝聚物質(zhì)的狀態(tài)方程極為復(fù)雜，因而行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論的進(jìn)展，遠(yuǎn)不如恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論迅速。幸而關(guān)于冷的固態(tài)氫和固態(tài)氨的狀態(tài)方程已經(jīng)相當(dāng)精確地計(jì)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(zhuǎn)變，提出了木星和土星的結(jié)構(gòu)模型。木星和土星間的密度差可以直接用它們的質(zhì)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(zhì)在土星的總質(zhì)量中只占有較小的份額。雖然在模型計(jì)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(gè)行星結(jié)構(gòu)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(duì)它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，目前研究得還很少。

　　關(guān)于行星磁場(chǎng)，除地磁場(chǎng)外，只有零星的初步知識(shí)。由于空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，情況正在迅速改變。到目前為止，已對(duì)水星、金星、火星、木星和土星的磁場(chǎng)作了空間探測(cè)。

　　“水手”10號(hào)發(fā)現(xiàn)水星具有遠(yuǎn)比火星、金星強(qiáng)大得多的磁場(chǎng)。水星磁極的極性與地球相同，偶極矩指向南�，F(xiàn)已肯定水星磁場(chǎng)是這個(gè)行星本身所固有的，但對(duì)其起源的解釋還有爭(zhēng)議。

　　迄今為止，行星際探測(cè)還沒有發(fā)現(xiàn)金星擁有固有磁場(chǎng)的充足證據(jù)，只是發(fā)現(xiàn)金星附近的太陽風(fēng)激波-這種激波的位形可以用太陽風(fēng)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(chǎng)是由太陽風(fēng)同金星相互作用引起的。行星際探測(cè)器“火星”2號(hào)、3號(hào)和5號(hào)對(duì)火星的探測(cè)獲得了火星擁有磁場(chǎng)的證據(jù)。

　　在太陽風(fēng)作用下，行星磁場(chǎng)被限制在一定的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱為行星磁層。磁層內(nèi)充滿等離子體，其物理性質(zhì)和過程受所在行星的磁場(chǎng)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(fēng)流動(dòng)的動(dòng)壓與行星磁場(chǎng)的磁壓相等處就是界面。在背日方向行星磁力線與太陽風(fēng)場(chǎng)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(qiáng)的、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的磁層，同地球磁層差別較大。