太陽及系內八大行星比較

 

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，它們質量大，平均密度小，它們與木星的特征類似，自轉比較快，衛星多，有光環，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）

 

       對于類地行星內部的物質組成以及結構，我們無法直接測定，但可通過一系列的物理、化學約束，建立一系列的行星物質組成模型和內部結構模型，對其內部構造進行估算。如行星重力場、行星密度、行星的地震波速度和地震波傳播特征、行星磁場、太陽系的元素豐度、太陽系的化學演化理論、行星地質學調查和礦物成分分析等。研究類地行星的內部結構有助于我們了解類地行星本身乃至太陽系的形成與演化。

 

類地行星的各種性質比較

 

       這里我們將介紹常見的測量行星內部結構的地球物理方式：地震學、測地學和電磁學。假定行星處于流體靜平衡態，將其由球心至外沿半徑方向分成一系列的同心球殼層，根據物理模型建立內部壓強、質量、引力的一系列微分方程，由邊界條件進行數值積分；或根據地震學、測地學、電磁學數據進行貝葉斯反演，得到內部結構模型。

水星的結構及磁場分布

 

       地震學是研究固體地球介質中地震的發生規律、地震波的傳播規律以及地震的宏觀后果等課題的綜合性科學。通過對地震波測量和分析，我們能夠獲得地震的發生過程，地下介質的彈性性質、速度和密度等物理變化，以及和地球相關的各種震動的信息。

 

 

 

 

地震學觀測示意圖

       例如，利用遍布全球的地震儀使得我們對地球的內部結構有更加清晰認識，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（內核與外核的界面），還有內部詳細的地幔轉換帶等速度間斷面。

 

PREM模型

       測地學，全稱大地測量學，其基本目標是測定和研究地球空間點的位置、重力及其隨時間變化。測地學的約束主要包括行星質量、大小、轉動慣量、固體潮LOVE數k2、重力場等。其中，重力場反映了行星內部物質及密度分布信息，當行星內部物質分布處于非平衡狀態以及出現密度異常時，就會被探測到重力異常，而重力異常是探索行星內部結構的重要手段之一。常見測量行星重力場方式有兩種：直接在軌道器上搭載重力儀或者加速度計，即可直接得到天體的空間重力場分布，如地球上空的CHAMP和GRACE衛星、月球上空的GRAIL衛星上便搭載有這樣的儀器，可直接得到地球、月球的空間重力場分布；而對于不直接測量重力場的天體，可以通過對航天器繞天體的運行軌道及其變化的精確測定來解算天體的空間重力場分布。對類地行星的探測中，由于受到載荷和科學目標等因素的限制，目前常選用第二種方法進行重力場的測量。
 

重力異常分布圖（來自GRACE衛星數據）

 

       除了地形的測繪，磁場的測量對內部結構的約束也十分的重要。電磁學可通過測量行星的磁場，利用磁場的頻譜分析確定相應層的導電系數，進而根據導電系數與物質組成、溫度、壓強等物理量的關系來對內部結構予以約束，特別是對天體淺層結構的探索有較好的分辨率。

 

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巖石圈垂直分量磁場分布（來自CHAMP和Swarm衛星的綜合模型

 

北京臺記錄到的2008年汶川地震主震的地震信號



GL-CS60三分向小型寬頻帶地震計



月震記錄（lunar seismic）



阿波羅計劃帶到月球上的地震儀



火震儀的記錄（紅色是火星風、綠色是火震事件、淺綠色是機械手臂震動）



InSight的火星地震儀（火震儀）
 

       在太陽系中是第二高的，僅次于地球的5.515g/cm

       水星由大約70%的金屬和30%的硅酸鹽材料組成。目前對水星比較成功的探測僅限于水手10號(Mariner10)和信使號 (MESSENGER) ，其中水手10號僅對水星進行了三次飛越式探測。

 

水手10及其攜帶對科學儀器

       水手10號上搭載了近紅外輻射測量儀(Infrared radiometer)、大氣-掩星紫外光譜儀(Ultraviolet spectrometers)、磁力計(Magnetometers)、成像儀(Television photography)，以及帶電粒子望遠鏡(Charged particle telescopes)和等離子體探測儀(Plasma detectors)。
 

水手10探測到的水星表面主要的地質構造（a皺紋脊；b葉狀懸崖；c高凸浮脊）

       信使號（MESSENGER）搭載了激光高度計（Mercury Laser Altimeter, MLA）、γ射線-中子探測儀(Gamma-Ray & Neutron Spectrometer, GRS & NS) 、X射線光譜儀(X-Ray Spectrometer, XRS) )、磁力計/磁強計(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(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)。
 

信使號上的激光高度計(MLA)繪制的水星北半球地形圖

 

信使號繪制的水星地圖（含斷層涯）

       金星的大小和地球最像，兩顆行星的內部構造可能也很相似。關于金星的內部結構，還沒有直接的資料，據行星模型的理論推算，金星中心應有一個可以流動的鎳-鐵核，外核是熔融的，內核是固態的。地幔為熔融的上幔和固態的下幔。地殼和巖石圈都很薄。
 

       沒有大氣圈的金星內部結構（基于麥哲倫探測器的偽彩色全球雷達圖）
 

       自1961年開始，蘇聯和美國先后發射了30多個探測器探訪金星，其中1989年美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）發射的麥哲倫號金星探測器（Magellan spacecraft）較為成功。麥哲倫探測器攜帶了高分辨率的合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)，獲得了金星表面圖像、全球重力場、表面地形、隕石坑數量等寶貴的資料，大大提高了人們對金星的認識。
 

麥哲倫探測器對金星的五種視角

Maat Mons火山的偽彩色雷達圖（垂直放大了22.5倍）

金星表面的撞擊坑

       火星是太陽系由內往外數的第四顆行星，直徑約是地球的一半，表面積相當于地球陸地面積，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軸傾角、自轉周期與地球相近，公轉周期則為兩倍左右，其橘紅色外表是因為地表被赤鐵礦（氧化鐵）覆蓋?；鹦窃洷徽J為是太陽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, 探測和研究程度最高的太陽系行星體。探測方式從飛越到環繞遙感探測, 再到無人著陸器/火星車就位探測，積累了大量科學數據。2020年，中國、美國、阿聯酋都發射火星探測器，且火星/火衛采樣返回和火星載人探測也可能在未來10~20年內實現。
 

地球和火星的比較

火星全球地形圖（含火星著陸器和探測器的位置）

       Mars Global Surveyor(MGS)是火星探測較成功的設備之一，其上共搭載了五種科學儀器，分別是火星軌道攝影儀、火星軌道激光測高儀、熱輻射光譜儀、磁力儀與電子反射儀、超穩多普勒測量振蕩儀。在對火星進行了長達9年（1996年11月7日升空，2006年11月2日失聯）的探測后，MGS 成功地獲取了火星地形、重力場、磁場、地表影像、表面熱輻射等相關數據資料，為火星內部結構模型的研究提供了更多的約束。
 

基于MGS上激光高度計獲得的火星高分辨率地形圖

       好奇號火星探測器(Curiosity)是世界上第一輛采用核動力驅動的火星車，其使命是探尋火星上的生命元素，調查火星的氣候和地質，評估火星是否曾經為微生物提供過有利的環境條件，以及為人類探索行星宜居性研究做準備。其中的科學儀器包括：桅桿相機(Mast Camera, MastCam)、火星樣本分析儀(Sample Analysis at Mars, SAM)、化學與礦物學分析儀(Chemistry and Mineralogy, CheMin)、阿爾法粒子X射線分光計(Alpha Particle X-ray Spectrometer, APXS)、輻射評估探測器(Radiation assessment detector, RAD)、火星車環境監測站(Rover Environmental Monitoring Station, REMS)、中子反照率動態探測器(Dynamic Albedo of Neutrons, DAN)等。
 

火星上好奇號的自拍

       美國洞察號(InSight)是首個針對火星內部結構探測的著陸器。洞察號攜帶3個核心實驗室, 分別是火星內部結構地震實驗(SEIS), 用于探測火震和隕石撞擊活動并探測火星內部結構；熱流和物理屬性包(HP3), 用于測量從地面至5m深度的地面溫度/梯度、熱導率和物理屬性; 自轉和內部結構實驗(RISE), 進行亞分米級精確追蹤的行星自轉大地測量。

火星上的洞察號
 

天問一號結構及大小



“天問一號”轉移軌道及軌道修正(TCM)圖