行星內部結構與動力學優先發展領域和重要研究方向

行星

行星科學是天文學分支學科，主要研究行星及其衛星、矮行星、小行星、彗星、流星群等太陽系小天體性質、構造、運動過程及其起源和演化，同時搜尋太陽系外行星系統並研究其特徵。

根據行星物質性態，通常將其分成大行星（類地行星和類木行星）、小行星、彗星和流星體。在太陽系內，類地行星為水星、金星、地球和火星；類木行星為木星和土星；天王星和海王星由於溫度低，其內部可能存在冰態幔，其他與類木行星物理性態相近，有時稱它們為冰體行星；小行星的物理化學性態、組成成分與它們形成時和當前所處的位置有關；彗星是含有太陽系形成時期物質且沒有經過太多物理和化學演化的冰態小天體。

太陽系外行星的發現，直接證實了行星在宇宙中是普遍存在的，它們是宇宙形成與演化的重要一環。地球是太陽系行星之一，也是人類居住的家園。對行星的科學探測與研究，不僅可以全面了解宇宙的形成和演化，同時也可以通過比較行星學研究方法深入了解地球的過去、現在和未來。因此，它不僅是重要的天文學問題，而且也與人類的生存基礎密切相關。

行星科學涉及行星物理學、行星化學、行星地質學和行星生物學等分支學科。國際天文學聯合會專門為行星科學設立了行星系統與生物天文科學部（Division F：planetary systems and bioastronomy），2012 年10 月有註冊會員1735 名，下設6 個科學專業委員會（commission）和3 個工作組（workinggroup）。

西方發達國家均設有專門的行星科學研究所，同時許多大學也設有行星科學系。國際著名的行星科學研究機構是美國的行星科學研究所（PSI，Arizona），月球和行星研究所（LPI，Houston），地球物理與行星科學研究所（IGPP，UCLA），地球、大氣與行星科學系（EAPS，MIT），地質與行星科學部（GPS，Caltech），加拿大不列顛哥倫比亞大學由多個系聯合組成的行星科學研究所（IPS，Vancouver），澳大利亞國立大學由天文與天體物理和地球科學兩個學院聯合組成的行星科學研究所（PSI，Canberra）等。

深空探測相對容易獲得的測量資料是行星的外部磁場和大氣參數以及與行星引力場直接相關的探測器軌道參數等，因為這些資料的獲得大多數情況下不需要探測器著落到行星表面。如何利用已有的有關行星磁場、大氣和引力場等參數資料去研究諸如行星內部物質物理狀態、磁場的維持與變化、大氣成分及動力學過程以及星際磁場與太陽風的相互作用等行星科學問題是目前國際行星物理界的熱點。另外，計算機和實驗手段的快速發展，也為行星物理的研究提供了新的有效研究手段和方法，人們可以利用并行計算技術對上述問題進行大規模數值模擬研究，也可以在實驗室中利用導電流體對行星內部動力學與磁場問題進行實驗研究。

與行星科學相關的空間探測計劃開始於20 世紀50 年代末，迄今已經對太陽系內各類天體均進行過空間環繞或著落探測，獲得了眾多科學新發現。

通過「火星環球勘測者號」（MGS，NASA）的測量資料，獲得了火星地質地貌圖，建立了高精度重力場模型，推測出火星可能存在一個液體的核。「火星環球勘測者號」還發現，目前火星沒有全球性的固有磁場，但存在分佈廣泛的岩石剩磁，由此推測早期火星曾有過與地磁場強度相當的全球性磁場。「好奇號」（NASA）探測器2012 年8 月6 日成功在火星表面著落，使人們對火星土壤成分和地形地貌特徵等方面有了更全面和科學的認識，特別是在火星表層水冰含量的探測方面有望取得新突破。在它成功著陸后兩星期，NASA 就宣布2016 年將發射另一個登陸器InSight，配備地震儀、熱流量記錄儀和大地測量設備，有望為人類第一次以可靠的證據揭示火星的深內部結構。「伽利略號」（NASA）發現了小行星Ida 的衛星Dactyl，首次發現了木衛一（Io）和木衛三（Ganymede）有內在磁場；根據其觀測資料推斷出木衛二（Europa）可能存在一個大約10km 厚的內部海洋；特別是在其墜落木星大氣過程中測量到了57 分鐘0～22bar①的大氣速度變化值，極大地提升了人們對木星大氣的了解程度。「旅行者1 號」（NASA）首次發現木衛一上的火山活動。「卡西尼-惠更斯號」（NASA&ESA）探測器發現了土衛二上間歇泉噴發出的物質中含有液態水的證據，發現了土星的4 顆新衛星和大氣赤道帶環流速度在明顯變慢。2011 年8 月6 日「朱諾」（NASA）號木星探測器順利升空，已於2016年8 月4 日抵達木星，之後它將從木星的北極進入木星射線帶，細緻觀測木星深層大氣、重力場、磁場以及磁球層，並尋找氧氣的存在。歐洲空間局也已計劃於2022 年發射JUICE 衛星，對木星及其衛星系統開展3.5 年的觀測，以研究木星系統的形成和演化以及內部可能的冰海洋。2013 年11 月18 日，美國國家航空航天局的「火星大氣和揮發演化」（MAVEN）探測器已成功發射升空，已於2014 年9 月22 日到達火星，對火星大氣的現狀和演變歷史開展全面的探測研究，以探索火星大氣層變得稀薄之謎。

未來一段時間內，由於人類社會發展的需求，使得月球、火星、小行星和木星將是國際深空探測的主要對象。

太陽系外行星的不斷發現和太陽系內行星深空探測計劃的相繼實施，為行星科學的研究帶來了新的動力和提出了新的問題；同時太陽系小天體對地球的侵害也時有發生，對行星科學的研究也提出了現實的要求。行星科學研究已成為當今國際天文學乃至空間科學等重要熱點領域之一。行星科學主要由行星物理學、行星化學、行星地質學和行星生物學組成，它的數據資料來源主要依賴於深空探測器的探測結果。

根據國際行星科學與深空探測的發展趨勢，堅持「有所為、有所不為」的發展原則，結合目前行星科學研究的實際狀況，建議未來5～10 年，優先開展行星內部結構、行星內部動力學、行星表面物理、行星磁場物理和行星隕石化學等領域的研究；加強行星科學計算機模擬研究。對應的相關重要研究方向如下：

（1）行星內部結構。行星內部分層結構與液核的存在性，行星內部熱結構，高精度行星重力場確定及其時變性。

（2）行星內部動力學。行星內部流體與磁流體動力學，行星內部熱演化，行星大氣動力學，自然衛星內部動力學，潮汐作用與行星系統能量耗散。

（3）行星表面物理。小行星反照率和反射光譜特性，小行星熱物理，小行星表面物質特性統計比較研究，行星表面隕擊坑和多環盆地的形成，彗星物質噴發性態，行星表面地形，小行星物理參數反演方法和形狀重建。

（4）行星磁場物理。行星際空間等離子體與太陽風相互作用基本理論，行星磁層空間結果與變化，類地行星大氣參數的測定與模型建立，類地行星大氣水輸運過程及其消失。

（5）行星隕石化學。太陽系早期短壽期放射性核素搜尋，太陽系原始星雲環境和行星內部熔融與分異機制，原始球粒隕石中的恆星塵埃的同位素組成，無球粒分異隕石和鐵隕石中的微量元素和同位素組成，碳質球粒隕石中有機物的種類和含量。

本文摘編自科學院著「學科發展戰略」叢書《基本天文學》（北京：科學出版社，2016.11）第六章，內容有刪節調整。

ISBN 978-7-03-050670-2

責任編輯：朱萍萍

「學科發展戰略」叢書是科學院組織數百位院士專家聯合研究的系列成果，涉及自然科學各學科領域，是目前規模大的學科發展戰略研究項目。

《學科發展戰略·基本天文學》從以下7個方面介紹了基本天文學及其應用的發展戰略框架、發展舉措與建議：戰略地位、發展規律與發展態勢、發展現狀，發展目標與建議、優先發展領域與重要研究方向、國際合作、保障措施。書中不僅對國內外基本天文學及其應用的發展現狀和態勢進行了詳細的評述，更對未來十年基本天文學及其應用的發展戰略和措施提出了一些重要、有意義的思考和建議。

《學科發展戰略：基本天文學》可供天體測量學、天體力學、時間頻率、相對論基本天文學、曆書天文學、行星內部結構與動力學、天文地球動力學、深空探測與導航、人造天體動力學與空間環境監測、大地測量、地球動力學等專業的科技人員及高等院校有關專業的師生參考。

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