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1、“行星地球视角下的空间物理学(2),天文学论文比拟行星空间物理是指基于 行星地球 视角的空间物理学的比照和穿插研究。把地球视为一颗行星，而非我们的 家园 把太阳系中所有行星及其卫星，甚至系外行星，视为同等重要的研究样本，是比拟行星空间物理研究思路的基本出发点。比拟行星空间物理主要关注下面 2 个方面： 3.1 行星空间环境多样性比拟行星空间物理研究方式方法曾在行星空间探寻求索中起到了极为重要的作用。地球空间物理研究起步较早，知识积累远多于行星空间，借助地球空间的知识来比照理解行星空间，是行星空间研究的重要方式方法。相比地球，行星探测计划的技术难度大、造价高，并且远距离数据传输效率低，造成观测数
2、据少且质量较差。使用少量数据研究全球尺度构造比拟困难，研究者通常希望通过与地球或其他行星空间物理的知识框架比照来增加可用信息量，并以此为根据做理论假设。例如，地球电离层的 Chapman 理论比拟成熟，金星和火星的电离层的观测特征大致符合这一理论，研究者对 Chapman 理论加以调整，使之能更好地描绘叙述观测特征，构成了金星和火星电离层的理论框架10.这种研究思路也同样用于不同行星、行星卫星和彗星之间，尤其在 20 世纪 80 年代，极大促进了对彗星、金星和火星 3 种无磁星体的空间探寻求索。事实上，这种比拟研究的思路，暗含了一个假设，即被比照研究的对象存在明显共性。 经过数十年的探寻求索，
3、研究人员已经知道，太阳系各行星的空间环境确实存在很多共性。对于共性的认识不仅提升了行星空间物理本身的知识水平，更构成了理解深时和深空问题的重要基础。近年来，对于地球生命和宜居性的考虑让研究者们对各行星的特性的研究兴趣快速升温。相应地，空间环境多样性也成为空间物理学的关注热门。根据演绎逻辑所主张的思维规律，假如想要找出某种现象产生的原因，较为有效的方式方法是比照该特性出现和不出现2 种情况下与之同步变化的控制参量。因而，通太多行星比照研究，才有望探知各行星空间环境特性的成因及效应。 对于行星科学研究者而言，在把握了共性的基础上，研究空间环境多样性不仅有助于研究人员把握太阳系各行星空间环境的构成和
4、变化规律，还能帮助探寻求索和理解系外行星。对于地球科学研究者而言，共性研究提供了理解地球空间环境演化的知识框架，而对多样性的准确把握则能进一步促进理解。如第 1 部分所述及，地磁场存在各种时间尺度的变化。初步研究表示清楚，地磁场的变化能够引发空间环境变化。例如，自 1840 年人们开场对地磁场进行连续的常规观测以来，地磁偶极磁场强度平均每百年衰减 5% 7%.理论研究发现地磁场的快速衰减直接导致向阳面磁层顶每百年收缩约 2 000 km11.而发生在时间更为长远的地磁场大幅度变化，如地磁倒转、磁极漂移等情况，并没有空间观测资料记录下来，无从得知当时的空间环境，更无法揣测其对地球演化的影响。对于
5、这些困难问题，比拟行星空间物理研究方式方法则提供了有效解决途径。例如，水星的内禀偶极磁场偶极距仅为地球的万分之五， 信使号 卫星对水星空间环境的探测表示清楚弱磁层空间环境更容易受太阳风及行星际磁场的控制，辐射带和等离子层等区域明显消失，动力学特征及磁层构造显着区别于当下地球空间环境特征。水星空间环境的研究为理解弱地磁时期空间环境提供了坚实的理论基础和观测根据，而对大磁矩外行星，如土星和木星的空间环境观测研究又为理解历史上强地磁时期空间环境提供了另一个极端情况。再例如，在地磁倒转期间，对于非偶极位形时期的地球空间环境既无实际观测，又缺乏理论支持。而火星空间模型研究和实地观测为理解该时期地球空间环
6、境提供了重要的根据。通过火星空间模型的研究应用到地球，发如今地磁倒转期间太阳风能够驱使更多的氧离子逃逸，较当下地球磁层氧离子逃逸率上升 34 个量级，因此有学者提出猜测以为这会导致地球空间环境的恶化并最终降至诱发生物大灭绝的阈值12 3.2 行星空间与内部的关联及协同演化经过今天所看到的行星空间环境的多样性，无疑是历经数十亿年演化而来的。磁层起源于内部的发电机，电离层是由高层大气电离而来，而大气又是行星去气经过的结果。随着发电机与去气经过的演化，行星空间环境必然随之改变。行星的外表水经过空间经过逃逸损失，可能造成行星整体水储量显着减少。而地球内部含水量减少则会对板块俯冲、岩浆活动、地幔对流、岩
7、石圈地幔与克拉通演化、成矿作用、深源地震等一系列地球化学和地球动力学经过都产生重要影响13.所以，行星空间与内部可视为一个整体，具有协同演化的特点。 行星空间遭到内部经过的影响，通过对空间磁场、电离层和中高层大气的探测和研究有可能揣测出行星内部的活动经过，甚至演化历史。这些研究一方面可围绕磁场展开。对太阳系内行星空间环境磁场的测量，发现存在内部发电机经过的天体有水星、地球、土星、木星、天王星、海王星、木卫三等。而火星虽不存在全球磁场，但其外表存在的剩余岩石磁场表示清楚，其历史上很可能存在过发电机活动经过14.也有学者类比地磁倒转，大胆假设火星当下正处于磁极倒转经过中15.金星不存在全球磁场，外
8、表剩余岩石磁场当前还没有确切的观测证据，至少表示清楚金星当下并不存在发电机。另一方面可围绕空间物质成分展开。例如，通过对金星高层大气成分的探测，有学者发现金星当前仍然存在火山活动16.由于水对行星内部动力学经过和演化具有至关重要的作用17,行星总体水储量的增损为理解行星演化提供了关键线索。水分子在电离层离解并逃逸的经过具有明显的质量分馏效应，通过对金星、火星和地球大气中氢同位素比例 D/H 的测定和比照，发现金星和火星大气中的 D/H 比例相比地球要高得多，这成为金星和火星曾经发生剧烈水逃逸经过的最有力证据18. 行星内部动力学经过也存在被空间经过影响的可能。例如，在所有太阳系行星中，水星弱磁
9、场受太阳风压缩效应最为明显。较为直接的结果是变化的太阳风动压会导致行星内核产生感应电流19.当下的水星空间环境研究已提供了内核感应电流的间接观测证据，并且该感应电流产生的感应磁场明显加强了对水星的保卫20.而该感应作用则能从一定程度上反映出水星内部介质的电导率。因而，利用行星空间观测研究结果能够为理解行星内部的动力学活动研究提供新的手段和研究思路。但是，这一方面的研究并未遭到足够重视，探寻求索性研究才刚刚开场。 假如将行星内部与空间视为一个协同演化的系统，那么行星的多样性具体表现出了各行星演化途径和演化阶段的差异。比照研究不同行星内部-空间耦合系统的目的在于理解过去和预测将来。假如地磁发电机停
10、止，地球会不会变成今天的火星，假如会，又需要多长时间？ 类似的问题，只要通太多行星比照才有可能找到线索。 4 结 语 本文阐述了比拟行星空间物理研究的发展背景、内容和意义。地球科学研究的重要目的是了解地球系统运行的规律。空间环境作为地球多圈层耦合系统的重要环节，当前尚未发现有介质能够记录其在地质时间尺度的变化。比拟行星空间物理研究能够利用太阳系行星空间环境的多样性来解决这一问题，因此必然成为空间物理学的一个新的发展方向。 随着嫦娥系列计划的施行和首个火星探测计划的立项，我们国家行星科学研究将迎来新的发展契机。2021 年末中国地球物理学会行星物理专业委员会的成立标志着中国行星物理研究也进入了有
11、组织和规模化的阶段。在这里背景下，阐述比照较行星空间物理研究的考虑和认识，期望能起到抛砖引玉之成效。 以下为参考文献 References : 1 Huang Yinong. Ten Lectures on the History of Social AstronomyM. Shanghai: Fudan University Press,2004.黄一农。社会天文学史十讲M. 上海： 复旦大学出版社，2004. 2 Eddy J A. The maunder minimumJ. Science, 1976, 192 4 245 : 1 189-1 202. 3 Wang Shui. Revi
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