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行星科学

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从阿波罗15号的月球轨道单元上拍摄的阿里斯塔克斯陨石坑附近的月溪。虽然只有三分之一大小,但两个溪谷的排列非常相似于匈牙利大平原的多瑙河和蒂萨。
阿波罗15号的月球轨道单元上拍摄的阿里斯塔克斯陨石坑附近的月溪。虽然只有三分之一大小,但两个溪谷的排列非常相似于匈牙利大平原多瑙河蒂萨

行星科学(Planetary science,很少用planetology)是研究行星(包括地球)、卫星,和行星系(特别是太阳系),以及它们形成过程的科学。它研究对象的尺度从小至微流星体到大至气态巨行星,目的在确定其组成、动力学、形成、相互的关系和历史。它是高度科技整合的学科,最初成长于天文学地球科学[1],但现在包含许多学科,包括行星地质学(结合地球化学地球物理学)、大气科学海洋学水文学、理论行星科学、冰川学、和系外行星 [1]。类似的学科包括关心太阳对太阳系内天体影响的太空物理学天文生物学

还有相关于行星科学的观测和理论分支与关联性。观测的研究涉及与太空探索的结合,主要是与使用遥测技术的机器人的太空船任务,和在地面实验室所做的工作比较。理论部分涉及大量的电脑模拟和数学建模。

虽然全世界有好几个纯粹的行星科学研究所,但行星学家一般都在大学或研究中心的天文学和物理学或地球科学部门。他们每年都有几个重要的会议,和范围广泛的等同综述论的期刊

历史

据说行星科学的历史可以追溯至古希腊哲学家德谟克利特,他在希波拉特斯的报告中说:

有序的世界是无边无际和有着不同的大小,并且它们有一些既不是太阳,也不是月球,而是其它的,不仅比我们大,数量也比我们多。而且在有序的世界之间的间隔是不平等的,这边的多一点,那边的就会少一点,有些蓬勃发展,有些衰败颓废,有些正在开始,有些已经黯然退场。但是它们会互相碰撞而毁坏。并且有些有序世界只有少数的动物、植物,其他都是水[2]

更现代的时代,行星科学开始在天文学中研究尚未解决的行星。在这个意义上,伽利略是原始的行星科学家,它发现了木星最大的四颗卫星,月球上的山,和最先观测土星环,激发后续所有的研究物件。伽利略在1609年研究月球的山,也开始研究地球之外的景观:他的观察"确定月球表面不是平滑光亮的",建议它和其它的世界可能呈现和"地球一样的面貌" [3]

提升望远镜的建设和仪器解像力的进展,允许我们增加对行星的大气和表面细节的认识。由于月球最接近地球,早期的研究对它了解的最多,由于它总是展现出它的表面,有关的详细资讯和技术的进步,逐渐产生更详细的月球地质知识。在这些科学的过程中,主要的工具是天文的光学望远镜(和以后的电波望远镜),以及最后用机器人探索的太空船

现在,对太阳系的研究已经比较完备,对已经存在的行星系统中,行星的形成和演化也有全面的认识。然而,还有许多未解决的问题[4],和很高的新发现几率,部分原因是大量的太空船目前正在探索太阳系。

术语

当这一学科涉及到某一特定天体时,会使用专门的术语,如下表所示(目前只有太阳学、地质学、月球学和火星学得到广泛的使用):

天体 行星科学 词源
太阳 太阳学 希腊语赫利俄斯
水星 水星学 希腊语赫耳墨斯
金星 金星学(cytherology) 希腊语库忒瑞亚
地球 地质学 希腊语盖娅
月球 月球学(selenology) 希腊语塞勒涅 )
火星 火星学 希腊语阿瑞斯
谷神星 demeterology 希腊语得墨忒耳
木星 zenology 希腊语宙斯
土星 kronology 希腊语克洛诺斯
天王星 uranology 希腊语/拉丁语乌拉诺斯
海王星 poseidology 希腊语波塞冬
冥王星 hadeology 希腊语哈得斯
阋神星 eridology 希腊语厄里斯

描述

行星天文学

这是观测和理论兼具的科学。观测的研究人员涉及的主要是太阳系的小天体:使用光学和电波望远镜观测这些天体,以确定它们的旋转和形状,以及表面的物质和风化,藉以理解它们形成和演化的历史。

理论的行星科学家关心的是分析动力学:将天体力学的规则应用在太阳系和太阳系外的行星系统。

行星地质学

行星地质学最著名与处理得最好的研究课题是在地球附近的天体:月球,还有两颗邻居的行星:金星火星。其中,月球是最早被研究的,使用的方法都是早期在地球发展出来的。

地形学

地形学研究行星的表面特征和重建形成的历史,和推断表面活动的物理过程。行星地形学包括几类表面特征的研究:

  • 撞击特点(多环状的盆地、坑)
  • 火山和构造特征(熔岩流、裂隙、月溪
  • 太空风化 - 在太空艰困的环境下所产生的侵蚀效应(微陨石的连续轰炸、高能粒子雨、impact gardening)。例如,覆盖在月球表面薄薄的一层表岩屑是微陨石轰击的结果。
  • 水文特征:液体所涉及的范围可以从水到烃类和氨,视在太阳系内的位置而定。

依据尼古拉斯·斯坦诺率先提出的陆地沉积序列学说,通过从顶部至底部的影像特征,可以一窥行星表面的历史。例如,阿波罗登月任务的太空人在野外地质调查精心绘制的地层影像月球轨道计划拍摄的影像确定了一系列的沉积序列,这些准备用来制作月球的地层柱和地质图

宇宙化学、地球化学和岩石学

太阳系形成与演化的生成假说存在的主要问题之一是知识的缺乏,就是在实验室里有一大套的工具可用,但是缺少源自陆地可以分析的全部地质样本。幸运的是有直接来自月球火星小行星的样品存在地球上,从它们的母体以陨石的型态来自地球。其中一些因为地球大气的氧化作用和生物圈的渗透已经受到污染,但过去几十年在南极洲采集的陨石几乎完全是原始状态。

来自小行星带的陨石几乎涵盖了所有结构变异类型的陨石:甚至存在来自核-地幔边界的陨石(橄榄陨铁)。地球化学和天文观测的结合,使得HED陨石得以具体的追溯到小行星带的灶神星

相对已知数量较少的火星陨石提供了洞察火星地壳地球化学的组成,然而无可避免的是缺乏源自火星地壳的何处,也就意味着不能提供约束火星岩石圈演变理论的多变条件[5]。截至2013年7月24日,以在地球上发现65颗来自火星的陨石,多数不是来自南极洲,就是撒哈拉沙漠。

在阿波罗时代,阿波罗计划带回了384公斤的月球样品,3艘前苏联的鲁纳机器人也从月球搜集和送回一些风化层的样本。这些样本提供太阳系在地球旁边的天体成分最全面的记录。过去这几年,月球陨石的数量增加得很快[6],在2008年4月公认的月球陨石还只有54颗,11颗是美国从南极洲收集的,6颗是日本在南极洲采集的,其余37颗来自非洲、澳洲和中东的沙漠,总质量接近50公斤。

地球物理学

太空探测器不仅能收集可见光的资料,也能收集其它领域的电磁频谱。行星的特性可以由它们的力场:引力厂和磁场,通过地球物理学和太空物理学进行研究。

测量太空探测器在轨道上所经历的加速度变化,可以让科学家们描绘出行星引力场的具体细节。例如,1970年代对月海月海对通过其上方人造卫星的干扰,导致在雨海、宁静海、危难海、酒海、湿海发现地下高密度的质集

被磁层偏转的太阳风(图未按比例绘制)。
被磁层偏转的太阳风(图未按比例绘制)。

如果一颗行星的磁场足够强大,就会在和太阳风的交互作用下形成行星的磁层。早期的太空探测器发现了地球的磁场,在朝向太阳的方向延伸约地球半径的10倍。来自太阳的一连串带电粒子流形成的太阳风环绕着地球的磁场,并在背向太阳的后面造成连绵不绝,数百地球半径长的磁尾。在磁层里面,有着太阳风粒子密集的区域,称为范艾伦辐射带

地球物理学包括地震学构造物理学、地球物理流体力学、矿物物理学、地球动力学数学地球物理学勘探地球物理学

大地测量学处理与测量太阳系的行星表面特征,他们的引力场和地球动力学现象(极运动在三维的时间相对于空间的变化)。大地测量学的科学有天体物理学和行星行星科学的元素。地球的形状是它自转的结果,导致其赤道的隆起、板块的碰撞和火山活动等地质过程的生存竞争,但受到地球重力场很大的抑制。这些原则可以应用在地球的固体表面(造山运动:没有超过10 km(6 mi)的高山,也没有如此深的海沟。原因很简单,例如15 km(9 mi)高的山,加诸于底部的压力将会很大,而由于重力,那儿的岩石将会如同塑胶,在地质上微不足道的时间,这座山也会回跌至大约10 km(6 mi)。一些或所有的这些原则也可以应用在地球之外的其他行星。例如在火星上,其表面的引力比地球小得多,最高大的火山, 奥林帕斯山,其最高峰是24 km(15 mi),这是在地球上不能保持的高度。地球的大地水准面本质上是从其地形特征抽取出来的,因此火星上的大地水准面本质上也是从火星表面的地形特征抽取出来的,是测量地图这两个领域应用的重要基础。

大气科学

在木星上清晰可见的云带。
木星上清晰可见的云带。

大气层是固体行星的表面和高度稀薄的电离与辐射带之间重要的过渡区。但并不是所有的行星都有大气层:它们的存在取决于行星的质量和这颗行星与太阳的距离 -距离太远时大气会发生冻结。除了4颗气态巨行星,几乎所有的类地行星地球金星火星)都有明显的大气层,但水星周围只有稀薄的大气。有两颗卫星也有明显的大气:土星的卫星泰坦海王星的卫星崔顿

一颗行星绕轴转动速率的效应可以在大气看见溪流和气流。从太空中观察,这些特征在云系中显示为环带和涡流,在土星和木星上看得最为清楚。

比较行星科学

行星科学经常使用比较的方法来对研究的物件做更多的了解。这可以涉及地球大气层和土星卫星泰坦大气层的稠密比较外,太阳系的天体在不同距离下的演化,或类地行星表面的特征,这些都只是其中的一些例子。

主要可以比较的特征都是相较于地球,因为它最容易,并允许在更大的范围进行测量。类比于地球的研究在行星地质学、地貌学、和大气科学特别常见。

专家的活动

期刊

基础观念

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 Taylor, Stuart Ross. Why can't planets be like stars?. Nature. 29 July 2004, 430 (6999): 509. Bibcode:2004Natur.430..509T. PMID 15282586. doi:10.1038/430509a. 
  2. ^ Hippolytus (Antipope); Origen. Philosophumena (Digitized 9 May 2006) 1. Translation by Francis Legge, F.S.A. Original from Harvard University.: Society for promoting Christian knowledge. 1921 [22 May 2009]. 
  3. ^ Taylor, Stuart Ross. Silent upon a peak in Darien. Nature. 1994, 369 (6477): 196–7. Bibcode:1994Natur.369..196T. doi:10.1038/369196a0. 
  4. ^ Stern, Alan. Ten Things I Wish We Really Knew In Planetary Science. [2009-05-22]. 
  5. ^ http://www.uwyo.edu
  6. ^ {curator.jsc.nasa.gov/antmet/lmc/lmcintro.pdf}

进阶读物

  • Carr, Michael H., Saunders, R. S., Strom, R. G., Wilhelms, D. E. 1984. The Geology of the Terrestrial Planets. NASA.
  • Morrison, David. 1994. Exploring Planetary Worlds. W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-5043-7

外部链接

参见

  • Selenography - study of the surface and physical features of the Moon
  • Theoretical planetology
  • 太阳系探索年表(Timeline of Solar System exploration)
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