太陽(yáng)系是我們生存的大家園，除了地球之外還有7個(gè)行星圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。這八大行星按照離太陽(yáng)距離從近到遠(yuǎn)分別為：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，按照行星的物理性質(zhì)劃分為類地行星和類木行星。
太陽(yáng)及系內(nèi)八大行星比較
類地行星包括水星、金星、地球和火星，它們距離太陽(yáng)較近，表面溫度高，大小與地球相近，體積小、密度大，且結(jié)構(gòu)大致相似，都是由核、幔、殼的圈層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中殼和幔主要由硅酸鹽巖石構(gòu)成，核主要由鐵構(gòu)成。類地行星與地球特征類似，由含氧、硅、鐵和其他金屬成分的巖石組成，具有固體巖石表面，可用地質(zhì)學(xué)方法進(jìn)行研究。
類地行星比較（從左往右：水星、金星、地球、火星）
而類木行星包括木星、土星、天王星和海王星，它們質(zhì)量大，平均密度小，它們與木星的特征類似，自轉(zhuǎn)比較快，衛(wèi)星多，有光環(huán)，溫度較低，大氣稠密。類木行星主要由氫、氦、氮和其他輕元素組成，揮發(fā)性元素豐度很高。
類木行星比較（從左往右：木星、土星、天王星、海王星）
對(duì)于類地行星內(nèi)部的物質(zhì)組成以及結(jié)構(gòu)，我們無(wú)法直接測(cè)定，但可通過(guò)一系列的物理、化學(xué)約束，建立一系列的行星物質(zhì)組成模型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，對(duì)其內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行估算。如行星重力場(chǎng)、行星密度、行星的地震波速度和地震波傳播特征、行星磁場(chǎng)、太陽(yáng)系的元素豐度、太陽(yáng)系的化學(xué)演化理論、行星地質(zhì)學(xué)調(diào)查和礦物成分分析等。研究類地行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有助于我們了解類地行星本身乃至太陽(yáng)系的形成與演化。
類地行星的各種性質(zhì)比較
這里我們將介紹常見(jiàn)的測(cè)量行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的地球物理方式：地震學(xué)、測(cè)地學(xué)和電磁學(xué)。假定行星處于流體靜平衡態(tài)，將其由球心至外沿半徑方向分成一系列的同心球殼層，根據(jù)物理模型建立內(nèi)部壓強(qiáng)、質(zhì)量、引力的一系列微分方程，由邊界條件進(jìn)行數(shù)值積分；或根據(jù)地震學(xué)、測(cè)地學(xué)、電磁學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行貝葉斯反演，得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型。
水星的結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)分布
地震學(xué)是研究固體地球介質(zhì)中地震的發(fā)生規(guī)律、地震波的傳播規(guī)律以及地震的宏觀后果等課題的綜合性科學(xué)。通過(guò)對(duì)地震波測(cè)量和分析，我們能夠獲得地震的發(fā)生過(guò)程，地下介質(zhì)的彈性性質(zhì)、速度和密度等物理變化，以及和地球相關(guān)的各種震動(dòng)的信息。
地震學(xué)觀測(cè)示意圖
例如，利用遍布全球的地震儀使得我們對(duì)地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有更加清晰認(rèn)識(shí)，獲得了目前常用的地球一維速度模型：PREM、AK135、IASP91。這些模型不僅有明確的一級(jí)速度間斷面：Moho面（地殼與地幔的界面）、古登堡面（地幔與地核的界面）、萊曼面（內(nèi)核與外核的界面），還有內(nèi)部詳細(xì)的地幔轉(zhuǎn)換帶等速度間斷面。
PREM模型
測(cè)地學(xué)，全稱大地測(cè)量學(xué)，其基本目標(biāo)是測(cè)定和研究地球空間點(diǎn)的位置、重力及其隨時(shí)間變化。測(cè)地學(xué)的約束主要包括行星質(zhì)量、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、固體潮LOVE數(shù)k2、重力場(chǎng)等。其中，重力場(chǎng)反映了行星內(nèi)部物質(zhì)及密度分布信息，當(dāng)行星內(nèi)部物質(zhì)分布處于非平衡狀態(tài)以及出現(xiàn)密度異常時(shí)，就會(huì)被探測(cè)到重力異常，而重力異常是探索行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段之一。常見(jiàn)測(cè)量行星重力場(chǎng)方式有兩種：直接在軌道器上搭載重力儀或者加速度計(jì)，即可直接得到天體的空間重力場(chǎng)分布，如地球上空的CHAMP和GRACE衛(wèi)星、月球上空的GRAIL衛(wèi)星上便搭載有這樣的儀器，可直接得到地球、月球的空間重力場(chǎng)分布；而對(duì)于不直接測(cè)量重力場(chǎng)的天體，可以通過(guò)對(duì)航天器繞天體的運(yùn)行軌道及其變化的精確測(cè)定來(lái)解算天體的空間重力場(chǎng)分布。對(duì)類地行星的探測(cè)中，由于受到載荷和科學(xué)目標(biāo)等因素的限制，目前常選用第二種方法進(jìn)行重力場(chǎng)的測(cè)量。
重力異常分布圖（來(lái)自GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)）
除了地形的測(cè)繪，磁場(chǎng)的測(cè)量對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的約束也十分的重要。電磁學(xué)可通過(guò)測(cè)量行星的磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)的頻譜分析確定相應(yīng)層的導(dǎo)電系數(shù)，進(jìn)而根據(jù)導(dǎo)電系數(shù)與物質(zhì)組成、溫度、壓強(qiáng)等物理量的關(guān)系來(lái)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)予以約束，特別是對(duì)天體淺層結(jié)構(gòu)的探索有較好的分辨率。
巖石圈垂直分量磁場(chǎng)分布（來(lái)自CHAMP和Swarm衛(wèi)星的綜合模型
在行星表面進(jìn)行的地震測(cè)量可以確定物質(zhì)的彈性性質(zhì)、密度、核幔邊界的位置等，能判斷行星核的狀態(tài)。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的行星軌道探測(cè)器已成功發(fā)射。目前在火星、金星、月球已有地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于獲得地外星體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有重要的意義。
北京臺(tái)記錄到的2008年汶川地震主震的地震信號(hào)
GL-CS60三分向小型寬頻帶地震計(jì)
月震記錄（lunar seismic）
阿波羅計(jì)劃帶到月球上的地震儀
火震儀的記錄（紅色是火星風(fēng)、綠色是火震事件、淺綠色是機(jī)械手臂震動(dòng)）
InSight的火星地震儀（火震儀）
但是大部分的星球上目前是沒(méi)有地震儀的。水星是離太陽(yáng)最近的行星，它在赤道的半徑為2439.7km，但密度為5.427g/cm3，在太陽(yáng)系中是第二高的，僅次于地球的5.515g/cm3，水星由大約70%的金屬和30%的硅酸鹽材料組成。目前對(duì)水星比較成功的探測(cè)僅限于水手10號(hào)(Mariner10)和信使號(hào) (MESSENGER) ，其中水手10號(hào)僅對(duì)水星進(jìn)行了三次飛越式探測(cè)。
水手10及其攜帶對(duì)科學(xué)儀器
水手10號(hào)上搭載了近紅外輻射測(cè)量?jī)x(Infrared radiometer)、大氣-掩星紫外光譜儀(Ultraviolet spectrometers)、磁力計(jì)(Magnetometers)、成像儀(Television photography)，以及帶電粒子望遠(yuǎn)鏡(Charged particle telescopes)和等離子體探測(cè)儀(Plasma detectors)。
水手10探測(cè)到的水星表面主要的地質(zhì)構(gòu)造（a皺紋脊；b葉狀懸崖；c高凸浮脊）
信使號(hào)（MESSENGER）搭載了激光高度計(jì)（Mercury Laser Altimeter, MLA）、γ射線-中子探測(cè)儀(Gamma-Ray & Neutron Spectrometer, GRS & NS) 、X射線光譜儀(X-Ray Spectrometer, XRS) )、磁力計(jì)/磁強(qiáng)計(jì)(Magnetometer, MAG)、水星大氣和表層成分光譜儀(Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer, MASCS)、雙成像系統(tǒng)(Mercury Dual Imaging System ,MDIS)，以及高能粒子和等離子體光譜儀(Energetic Particle and Plasma Spectrometer, EPPS)。
信使號(hào)上的激光高度計(jì)(MLA)繪制的水星北半球地形圖
信使號(hào)繪制的水星地圖（含斷層涯）
金星的大小和地球最像，兩顆行星的內(nèi)部構(gòu)造可能也很相似。關(guān)于金星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還沒(méi)有直接的資料，據(jù)行星模型的理論推算，金星中心應(yīng)有一個(gè)可以流動(dòng)的鎳-鐵核，外核是熔融的，內(nèi)核是固態(tài)的。地幔為熔融的上幔和固態(tài)的下幔。地殼和巖石圈都很薄。
沒(méi)有大氣圈的金星內(nèi)部結(jié)構(gòu)（基于麥哲倫探測(cè)器的偽彩色全球雷達(dá)圖）
自1961年開(kāi)始，蘇聯(lián)和美國(guó)先后發(fā)射了30多個(gè)探測(cè)器探訪金星，其中1989年美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）發(fā)射的麥哲倫號(hào)金星探測(cè)器（Magellan spacecraft）較為成功。麥哲倫探測(cè)器攜帶了高分辨率的合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)，獲得了金星表面圖像、全球重力場(chǎng)、表面地形、隕石坑數(shù)量等寶貴的資料，大大提高了人們對(duì)金星的認(rèn)識(shí)。
麥哲倫探測(cè)器對(duì)金星的五種視角
Maat Mons火山的偽彩色雷達(dá)圖（垂直放大了22.5倍）
金星表面的撞擊坑
火星是太陽(yáng)系由內(nèi)往外數(shù)的第四顆行星，直徑約是地球的一半，表面積相當(dāng)于地球陸地面積，而密度則比其他三顆類地行星（水星、金星、地球）還要小很多?；鹦亲赞D(zhuǎn)軸傾角、自轉(zhuǎn)周期與地球相近，公轉(zhuǎn)周期則為兩倍左右，其橘紅色外表是因?yàn)榈乇肀怀噼F礦（氧化鐵）覆蓋?；鹦窃?jīng)被認(rèn)為是太陽(yáng)系中最有可能存在地外生命的行星，由此火星成為除地球外, 探測(cè)和研究程度最高的太陽(yáng)系行星體。探測(cè)方式從飛越到環(huán)繞遙感探測(cè), 再到無(wú)人著陸器/火星車(chē)就位探測(cè)，積累了大量科學(xué)數(shù)據(jù)。2020年，中國(guó)、美國(guó)、阿聯(lián)酋都發(fā)射火星探測(cè)器，且火星/火衛(wèi)采樣返回和火星載人探測(cè)也可能在未來(lái)10~20年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
地球和火星的比較
火星全球地形圖（含火星著陸器和探測(cè)器的位置）
Mars Global Surveyor(MGS)是火星探測(cè)較成功的設(shè)備之一，其上共搭載了五種科學(xué)儀器，分別是火星軌道攝影儀、火星軌道激光測(cè)高儀、熱輻射光譜儀、磁力儀與電子反射儀、超穩(wěn)多普勒測(cè)量振蕩儀。在對(duì)火星進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)9年（1996年11月7日升空，2006年11月2日失聯(lián)）的探測(cè)后，MGS 成功地獲取了火星地形、重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、地表影像、表面熱輻射等相關(guān)數(shù)據(jù)資料，為火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型的研究提供了更多的約束。
基于MGS上激光高度計(jì)獲得的火星高分辨率地形圖
好奇號(hào)火星探測(cè)器(Curiosity)是世界上第一輛采用核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的火星車(chē)，其使命是探尋火星上的生命元素，調(diào)查火星的氣候和地質(zhì)，評(píng)估火星是否曾經(jīng)為微生物提供過(guò)有利的環(huán)境條件，以及為人類探索行星宜居性研究做準(zhǔn)備。其中的科學(xué)儀器包括：桅桿相機(jī)(Mast Camera, MastCam)、火星樣本分析儀(Sample Analysis at Mars, SAM)、化學(xué)與礦物學(xué)分析儀(Chemistry and Mineralogy, CheMin)、阿爾法粒子X(jué)射線分光計(jì)(Alpha Particle X-ray Spectrometer, APXS)、輻射評(píng)估探測(cè)器(Radiation assessment detector, RAD)、火星車(chē)環(huán)境監(jiān)測(cè)站(Rover Environmental Monitoring Station, REMS)、中子反照率動(dòng)態(tài)探測(cè)器(Dynamic Albedo of Neutrons, DAN)等。
火星上好奇號(hào)的自拍
美國(guó)洞察號(hào)(InSight)是首個(gè)針對(duì)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)的著陸器。洞察號(hào)攜帶3個(gè)核心實(shí)驗(yàn)室, 分別是火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震實(shí)驗(yàn)(SEIS), 用于探測(cè)火震和隕石撞擊活動(dòng)并探測(cè)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)；熱流和物理屬性包(HP3), 用于測(cè)量從地面至5m深度的地面溫度/梯度、熱導(dǎo)率和物理屬性; 自轉(zhuǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)(RISE), 進(jìn)行亞分米級(jí)精確追蹤的行星自轉(zhuǎn)大地測(cè)量。
火星上的洞察號(hào)
我國(guó)行星探測(cè)起步晚，起點(diǎn)高。2020年我國(guó)火星任務(wù)——“天問(wèn)一號(hào)”，計(jì)劃在首次發(fā)射中一次性實(shí)現(xiàn)“繞”、“落”、“巡”三大任務(wù)，這在世界航天史上還沒(méi)有過(guò)先例?！疤靻?wèn)一號(hào)”所攜帶的科學(xué)儀器：中、高分辨率相機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)火星表面成像，開(kāi)展火星表面地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造研究；火星磁強(qiáng)計(jì)后續(xù)主要負(fù)責(zé)探測(cè)火星空間磁場(chǎng)環(huán)境；火星礦物光譜分析儀則用來(lái)分析火星礦物組成與分布，研究火星整體化學(xué)成分與化學(xué)演化歷史，分析火星資源與分布區(qū)等。
天問(wèn)一號(hào)結(jié)構(gòu)及大小
“天問(wèn)一號(hào)”轉(zhuǎn)移軌道及軌道修正(TCM)圖
太陽(yáng)系內(nèi)各大行星被認(rèn)為具有相同的宇宙起源，但現(xiàn)今的行星環(huán)境卻大相徑庭。因此，對(duì)行星的探測(cè)和比較，有利于深入認(rèn)識(shí)并理解地球的演變和宜居環(huán)境的形成。目前行星物理是研究地外星體較為重要的手段之一，行星物理學(xué)融合了地球物理學(xué)、空間科學(xué)、大氣科學(xué)、物理學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容，其研究范圍囊括了行星空間環(huán)境、大氣環(huán)境、表面環(huán)境及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等行星多圈層物理過(guò)程。行星探測(cè)的研究和發(fā)展不僅已成為當(dāng)前世界各國(guó)綜合國(guó)力的角力場(chǎng)，也正成為衡量國(guó)家未來(lái)可持續(xù)綜合發(fā)展能力的重要指標(biāo)，期待更多的有志之士加入行星探測(cè)的隊(duì)伍。
中國(guó)行星探測(cè)標(biāo)識(shí)
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部分圖片及文字參考維基百科.
美編：朱文瀟
校對(duì)：張騰飛
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