廖新浩

（中國科學(xué)院上海天文臺 上海 200023）

1 研究背景和意義

行星科學(xué)是天文學(xué)一個二級學(xué)科，主要研究行星及其衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星、流星等太陽系小天體性質(zhì)、構(gòu)造、運動過程及其起源和演化，同時搜尋太陽系外行星系統(tǒng)和研究其特征；涉及行星物理學(xué)、行星化學(xué)、行星地質(zhì)學(xué)和行星生物學(xué)等分支學(xué)科。國際天文學(xué)聯(lián)合會(IAU)專門為行星科學(xué)設(shè)立了行星系統(tǒng)科學(xué)部,其涉及IAU下屬7個科學(xué)專業(yè)委員會和兩個工作組。特別地，為應(yīng)對近地小天體對地球造成碰撞災(zāi)害，IAU執(zhí)行委員會還專門下設(shè)了“近地天體災(zāi)害咨詢委員會”。

隨著眾多深空探測計劃的相繼實施和系外行星的不斷發(fā)現(xiàn)（到2010年底，人們已向太空發(fā)射了250多個深空探測器，以及發(fā)現(xiàn)了500多顆太陽系外行星），人們獲得了更全面的測量數(shù)據(jù)資料和新的研究樣本，有關(guān)行星科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)和新的研究成果日益增多，將行星科學(xué)的研究推進到一個新的發(fā)展時期。

行星是天體形成和演化的重要類型，它是在宇宙演化到一定時間后形成的。與星系宇宙以及恒星不同，行星由于其質(zhì)量相對小，因此其演化也有其特殊的過程。行星科學(xué)研究是人類全面認識宇宙演化過程不可缺少的環(huán)節(jié)，它是國際天文學(xué)的重要分支學(xué)科。

行星科學(xué)研究促進了天文學(xué)與地球科學(xué)的交叉發(fā)展。地球是太陽系內(nèi)一顆特殊行星，與其在物質(zhì)性態(tài)和結(jié)構(gòu)類似的大行星還有水星、金星和火星，通常將它們一起稱為類地行星。研究其他類地行星形成和演化過程，有助于人們從更寬的角度認識地球，例如通過類地行星的比較研究，可以加深對地球大氣環(huán)流產(chǎn)生和維持機制的認識；反之，地球是人類觀測和研究最深入的行星，在地球科學(xué)研究中形成的理論和方法也可以用于其他類地行星的研究[4]。

行星科學(xué)研究是推動天文空間測量技術(shù)進步的主要動力之一。行星科學(xué)研究除了基于地球上的觀測設(shè)備，目前最有成效的觀測手段是基于空間探測器直接飛臨行星對其開展探測，由此獲得更全面、更直接和更可靠的數(shù)據(jù)資料，可以說行星科學(xué)的發(fā)展離不開天文空間測量技術(shù)的發(fā)展。天文空間測量技術(shù)包含衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)、衛(wèi)星地面跟蹤技術(shù)、衛(wèi)星平臺和有效載荷（科學(xué)探測儀器設(shè)備）技術(shù)等。人類對行星科學(xué)中未知問題的探求，對天文空間測量技術(shù)不斷提出新的需求，從而推動了天文空間測量技術(shù)的不斷進步。

行星科學(xué)研究有著重要社會應(yīng)用價值。人類在不遠的將來一定面臨資源嚴重短缺問題，特別是能源和礦物，而行星可能是人類獲取這些短缺資源的可行來源，因此人類需要對行星有深入、全面和科學(xué)的了解；太陽系小天體撞擊行星事件無論在其他行星上還是在地球上均有發(fā)生，人類為了自身的安全，需要對行星撞擊事件加以研究，提出減少災(zāi)害的辦法。

2 研究進展及其重要成果

與行星科學(xué)相關(guān)的深空探測計劃始于上個世紀50年代末，典型代表是美國從1961—1972年間實施的阿波羅月球探測工程計劃。到目前為止，美國、歐洲、俄羅斯、中國和日本幾個航空航天大國先后發(fā)射了約250多個空間探測器（其中大多數(shù)是針對月球、火星與金星，約占75%），分別對月球、大行星及其衛(wèi)星、小行星和彗星進行過探測，基本涵蓋了太陽系內(nèi)各類天體，特別是每顆大行星均有探測器達到過，還有探測器在月球和火星上成功著落并開展有效的探測工作，獲得了眾多科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。

通過“火星環(huán)球勘測者號（NASA）”測量資料，獲得了火星地質(zhì)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[3,13,17,19]?！盎鹦翘铰氛咛枺∟ASA）”對火星表面土壤及巖石進行了20多種元素成份和含量的分析，拍攝到因風(fēng)暴產(chǎn)生的塵埃在空中流動現(xiàn)象，通過地表觀測資料分析推斷火星過去可能是溫暖和濕潤行星[7,18]?！盎鹦强燔囂?ESA)”在火星赤道附近發(fā)現(xiàn)了大片的氧化鐵沉積層，探測到火星地表下有潮濕和較溫暖的空間存在的跡象，繪制出火星極光圖，對火星上曾經(jīng)有河流存在的假說進行了進一步證實[12]。 “伽利略號（NASA）”發(fā)現(xiàn)了小行星Ida的衛(wèi)星Dactyl，首次發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)一（Io）和木衛(wèi)三（Ganymede）有內(nèi)在磁場[5,8-10,15,16]；根據(jù)其觀測資料推斷出木衛(wèi)二（Europa）可能存在一個約10公里厚的內(nèi)部海洋；特別是在其墜落木星大氣過程中測量到57分種0—22bar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[6,11,20]。 “旅行者 1 號（NASA）”首次發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一上的火山活動，探測到土星環(huán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六擁有濃密的大氣層?！翱ㄎ髂?惠更斯號（NASA&ESA）”探測器探測到了土星大氣中會發(fā)生很強的閃電和颶風(fēng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)二上間歇泉噴發(fā)出的物質(zhì)中含有液態(tài)水的證據(jù)，探測到土星G與E環(huán)之間仍存在一個行星環(huán)，首度證明在土衛(wèi)六的北極附近存在碳氫化合物的湖泊，發(fā)現(xiàn)了土星4顆新的衛(wèi)星和大氣赤道帶環(huán)流速度在明顯變慢（從1996年的400m/s到2004年的 275m/s）[14]。

未來一段時間內(nèi)，由于人類社會發(fā)展的需求，使得月球、火星、小行星、彗星、金星和木星以及系外行星成為國際深空探測的主要對象。

近地小行星和彗星探測與危險評估是太陽系探測研究的重要內(nèi)容。這類天體總數(shù)估計在幾萬顆以上，已發(fā)現(xiàn)的不到1000顆。研究表明，直徑大于200米的近地天體撞擊地球的事件平均每47000年發(fā)生1次。近年來也多次發(fā)現(xiàn)小行星在月球距離或更近的距離上掠過地球，已知的碰撞危險程度最高的3個小行星是2004VD17、2004MN4和1997XR2。對近地小天體的探測，目前國際上不僅基于地面設(shè)備，還實施了一些深空探測計劃，如美國NEAR、歐空局ROSETTA和日本Hayabusa項目等。當(dāng)前，更高精度觀測設(shè)備和更多觀測時間投入是近地小天體探測研究的核心問題。

地球是一顆特殊的行星，人們對其探測方法和研究結(jié)果可以擴展到其他行星上去。因此以空間測量技術(shù)為實驗手段，從天文的角度，更精確地監(jiān)測和研究地球整體以及地球各圈層的物質(zhì)運動，引起了天文學(xué)和地球科學(xué)的共同關(guān)注，由此形成了天文地球動力學(xué)這門新興交叉學(xué)科。全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)、海洋測高和重力衛(wèi)星是天文地球動力學(xué)研究發(fā)展出來的3個代表性的衛(wèi)星測量技術(shù)。通過重力衛(wèi)星GRACE測量數(shù)據(jù)，科學(xué)家確定地球兩極的冰川融化速度，由此結(jié)合海洋測高數(shù)據(jù)，給出了由于冰川融化引起的全球海平面升高量，引起了國際社會的高度關(guān)注；通過無線電測量信號的精密測量，科學(xué)家可以高精度測量地球大氣電子和水汽含量，同時也已用于對行星的大氣測量。美國NASA于2002年制定的 “NASA固體地球科學(xué)計劃”，為未來25年空間對地觀測確定了最優(yōu)先的研究領(lǐng)域和科學(xué)問題。探索對地觀測系統(tǒng)的新技術(shù)、新方法，使測量的精度、時間和空間分辨率不斷提高，是天文地球動力學(xué)研究未來發(fā)展的主題。

2007年10月和2010年10月，我國的探月計劃“嫦娥一號”和“嫦娥二號”已相繼成功發(fā)射?！爸袊?俄羅斯聯(lián)合探測火星計劃”也正在實施，中國負責(zé)研制“螢火一號（YH-1）”火星探測器計劃于2011年發(fā)射。中科院國家天文臺是我國“嫦娥探月”工程“科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)”主持單位，利用我國探測器攜帶的激光高度計測量數(shù)據(jù)，成功地繪出了完整月球三維地形圖。上海天文臺參加了“嫦娥一號”工程并承擔(dān)和完成了相關(guān)的VLBI測定軌任務(wù),目前正在執(zhí)行 “螢火一號”軌道測定科研任務(wù)。中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心在我國探月工程、地球空間雙星探測計劃和多顆應(yīng)用衛(wèi)星的有效載荷方面開展了富有成效的工作，也是我國“螢火一號”火星探測器科學(xué)應(yīng)用的負責(zé)單位，將在火星大氣、引力場等方面開展具體研究工作。

中科院紫金山天文臺在哈雷彗星回歸、彗木相撞事件、海爾-波譜彗星、獅子座流星群等研究方面取得了一些重要成果；在原始碳質(zhì)球粒隕石中首次發(fā)現(xiàn)了短壽期放射性核素36Cl（半衰期為30萬年）的證據(jù)，提出并論證了太陽系早期高強度高能粒子的輻射是產(chǎn)生36Cl的主要原因，得到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛認同。中科院上海天文臺行星物理學(xué)研究小組開展行星內(nèi)部動力學(xué)基礎(chǔ)研究已有數(shù)年，在理論和大規(guī)模數(shù)值模擬研究方面取得若干新進展，獲得了國際同行的關(guān)注。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間物理系行星磁層研究小組已在等離子體對流機制研究方面取得了國際關(guān)注的研究成果。

紫金山天文臺在小行星和彗星觀測研究成績突出，發(fā)現(xiàn)了很多顆這類小天體；特別地，紫金山天文臺已在盱眙觀測基地建成了1.04/1.20米近地天體望遠鏡，專門用于搜索發(fā)現(xiàn)近地天體。

我國早在20世紀70年代就開始瞄準(zhǔn)天文地球動力學(xué)這個國際前沿交叉領(lǐng)域，不僅參與了國際上主要空間對地觀測計劃（如國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)計劃(IERS)、國際GPS地球動力學(xué)服務(wù)計劃(IGS)、國際激光測距服務(wù)計劃(ILRS)、歐洲 VLBI觀測網(wǎng)(EVN)、美國NASA的固體地球和自然災(zāi)害研究計劃(SENH)等），而且倡導(dǎo)并組織了由中國、美國、日本、俄羅斯、韓國、印度等十幾個國家參加的亞太地區(qū)空間地球動力學(xué)（APSG）國際合作研究計劃，使我國成為國際天文地球動力學(xué)研究的重要基地。自上世紀70年代起上海天文臺相繼建成了衛(wèi)星激光測距技術(shù)（SLR）、甚長基線干涉測量技術(shù)（VLBI）和全球衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS），使上海天文臺成為同時擁有這些設(shè)備的重要觀測基地，同時也開發(fā)了相應(yīng)的獨立自主的資料分析軟件系統(tǒng)，擁有了綜合處理多衛(wèi)星和多技術(shù)測量資料的能力，使其在國際相關(guān)學(xué)術(shù)組織中占有重要學(xué)術(shù)地位。上海天文臺利用空間大地測量數(shù)據(jù)，在國際上首次得到了精度達毫米級的中國大陸及其周邊區(qū)域地殼運動完整的運動圖像。

3 面臨的問題

IAU行星科學(xué)部2010年已有注冊會員1167名，但我國大陸在其注冊的正式會員不到10名。與國際上相比，我國從事深空探測的工程技術(shù)人員不少，但從事探測數(shù)據(jù)科學(xué)研究的人員卻相對少得多，特別是從事行星物理和行星化學(xué)的研究人員就更少，與我國目前航空航天在國際上的地位非常不符。我國深空科學(xué)探測起步晚是其客觀原因，但也反映了國家以前在諸如人才和經(jīng)費等政策上支持力度不夠。從事行星科學(xué)研究的人員不足，將極大地影響我國未來深空探測計劃開展的水平和質(zhì)量。目前，當(dāng)務(wù)之急是培養(yǎng)和發(fā)展從事深空探測科學(xué)研究的隊伍。

我國行星科學(xué)與深空探測目前主要不足是：探測器跟蹤測量技術(shù)能力還達不到國際先進水平；探測器上的科學(xué)測量設(shè)備精度和水平與國際同類設(shè)備仍有差距；深空探測資料的分析處理和科學(xué)應(yīng)用研究水平還有待進一步提高。

我國行星深空探測工作剛剛起步，行星科學(xué)研究的基礎(chǔ)有待加強，在思想、技術(shù)、設(shè)備、管理、經(jīng)費和人才資源等方面與國際空間大國均有一定差距。目前，月球、火星和小行星是探測的熱點，國際上已實施和籌備了很多探測計劃，想做和能做的工作都已經(jīng)做了或已在計劃中。就我國目前深空探測能力而言，要想在這個領(lǐng)域完成其他空間大國想做但目前還做不了的工作，難度較大。我國應(yīng)揚長避短，集中有限的物力、財力和人力，加強在科學(xué)目標(biāo)方面的研究，開展全新的深空探測活動。

當(dāng)前行星科學(xué)和深空探測的主要科學(xué)問題有：

3.1 行星物理和行星化學(xué)

行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和重力場：類地行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較研究，火星內(nèi)部液核的存在性，熱分布對類地行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，高精度月球重力場，高精度火星重力場，重力場與地形的相關(guān)性，火星重力場的時變性，重力場反演方法，類地行星的形變；

行星內(nèi)部動力學(xué)：行星內(nèi)部對流及其產(chǎn)生機制，快速旋轉(zhuǎn)流體與磁流體動力學(xué)基本理論，月球內(nèi)部熱演化與磁場消失的關(guān)系，水星和火星內(nèi)部熱演化及其磁流體動力學(xué)，木星和土星大氣動力學(xué)，自然衛(wèi)星內(nèi)部流體動力學(xué)，較差轉(zhuǎn)動產(chǎn)生及其對行星內(nèi)部動力學(xué)的影響，太陽系外共旋行星內(nèi)部熱對流，潮汐作用與行星內(nèi)部物質(zhì)運動，行星內(nèi)部彈性動力學(xué)；

行星磁場物理：行星際空間等離子體與太陽風(fēng)相互作用基本理論，水星磁層物理，金星磁層物理，火星磁層物理，木星磁層物理，類地行星空間環(huán)境輻射模擬平臺，火星大氣參數(shù)的測定與模型建立，金星大氣參數(shù)的測定與模型建立，類地行星大氣水輸運過程及其消失；

行星表面物理：小行星反照率和反射光譜特性，小行星表面物質(zhì)特性統(tǒng)計比較研究，行星表面隕擊坑和多環(huán)盆地的形成，彗星物質(zhì)噴發(fā)性態(tài)，流體行星表面撞擊及風(fēng)暴的形成，行星表面地形，小行星物理參數(shù)反演方法和形狀重建；

行星化學(xué)：太陽系早期短壽期放射性核素搜尋，原始球粒隕石中的恒星塵埃的同位素組成，球粒隕石中的難熔包體和球粒的成因，無球粒分異隕石和鐵隕石中的微量元素及同位素組成；月球隕石和火星隕石的礦物巖石學(xué)，碳質(zhì)球粒隕石中有機物的種類和含量。

3.2 太陽系小天體探測

地面探測設(shè)備：現(xiàn)有地面光學(xué)探測終端設(shè)備工作性能，小行星無線電探測技術(shù)方法，海量測量資料數(shù)據(jù)庫建立、管理與應(yīng)用，測量數(shù)據(jù)資料分析處理方法；近地小天體軌道的精密確定和預(yù)報；

空間探測設(shè)備：小行星空間探測器光學(xué)和無線電載荷關(guān)鍵技術(shù)方法，空間探測資料的分析和處理，空間探測具體小天體目標(biāo)的遴選；

撞擊概率與危害評估：小天體撞擊地球概率，小天體撞擊地球危害性模擬和評估，流星的形成和演化，流星群對航天安全性評估。

3.3 行星深空探測

探測器跟蹤測量技術(shù)方法與位置和軌道確定：高精度測距技術(shù)，高精度測角技術(shù)，高進度測速技術(shù)，高精度行星表面定位技術(shù)，測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差分析，測量數(shù)據(jù)融合，實時數(shù)據(jù)處理分析，無拖曳航天技術(shù)，行星際自主導(dǎo)航技術(shù)，編隊飛行技術(shù)，高質(zhì)量測量數(shù)據(jù)傳輸，衛(wèi)星姿態(tài)變化與控制，探測器軌道設(shè)計；

深空探測科學(xué)載荷關(guān)鍵技術(shù)：光學(xué)及紅外成像，光譜測量，雷達測量，干涉測量，星間鏈路無線電和激光測量，高能粒子探測，磁強度測量，掩星無線電測量；

深空探測科學(xué)數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)庫的建立和管理，數(shù)據(jù)分析處理；

深空探測科學(xué)目標(biāo)遴選：月球探測，火星探測，太陽系其他天體探測。

3.4 天文地球動力學(xué)

衛(wèi)星對地觀測系統(tǒng)的新技術(shù)和新方法：導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定軌和時間同步，多波段、多傾角干涉測量模式的研究，對流層延遲誤差改正，InSAR技術(shù)，GNSS掩星觀測，衛(wèi)星重力測量技術(shù)、衛(wèi)星測高技術(shù)，測量數(shù)據(jù)綜合分析處理；

空間大地測量前沿科學(xué)問題：地球海洋質(zhì)量分布與遷移，地球陸地表層大質(zhì)量水遷移，地球大氣參數(shù)運動模式，地球電離層模式，地球重力場的時變及其機制，地球自轉(zhuǎn)動力學(xué)，地球內(nèi)部圈層相互作用動力學(xué)，高精度地球參考架建立和維持，冰川熔化和冰后地殼回彈，垂線變化與大地水準(zhǔn)面形變；

在深空探測中擴展應(yīng)用：月球和類地行星參考架的建立與維持，月球和類地行星大地水準(zhǔn)面的測定，月球和類地行星重力場測定，月球和類地行星電離層的測定，月球和類地行星自轉(zhuǎn)參數(shù)測定，月球和類地行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)反演，空間大地測量技術(shù)方法的擴展應(yīng)用。

4 舉措和建議

根據(jù)國際行星科學(xué)與深空探測的發(fā)展趨勢，結(jié)合我國目前科研和工程技術(shù)水平的實際狀況，建議中科院在下屬相關(guān)天文臺和研究機構(gòu)盡早建立行星科學(xué)研究組 （部、系或?qū)W院），針對月球、火星、小行星、彗星、金星和木星的深空探測計劃，凝練出我國未來深空探測計劃科學(xué)目標(biāo)為主攻方向，重點開展深空探測技術(shù)方法、探測資料分析應(yīng)用和前沿行星科學(xué)問題等方面研究，同時積極開展天文地球動力學(xué)研究。在行星物理和行星化學(xué)方面，優(yōu)先開展行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動力學(xué)、行星表面物理、行星磁場物理和行星化學(xué)研究；在小行星探測方面，優(yōu)先開展近地小天體探測和危險性評估研究，完善地面監(jiān)測網(wǎng)功能和提升測量水平和效率；在行星深空探測方面，優(yōu)先開展探測器軌道或在行星表面位置測定的技術(shù)和方法研究，提升探測數(shù)據(jù)分析處理和科學(xué)應(yīng)用的水平；在天文地球動力學(xué)方面，優(yōu)先開展現(xiàn)代重力衛(wèi)星跟蹤測量技術(shù)，其中高精度距離測量方法將為我國未來的深空探測計劃提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

目前，國際行星科學(xué)與深空探測的主要科學(xué)目標(biāo)集中于：探測和研究行星地質(zhì)地貌結(jié)構(gòu)，尋找行星上水存在的證據(jù)、探測太陽系形成初期物質(zhì)元素組成、探測和研究行星形成與演化的物理和化學(xué)過程，探索行星與人類未來的關(guān)系等。根據(jù)我國目前實際情況，應(yīng)特別加強行星科學(xué)基礎(chǔ)研究與深空探測實際計劃的結(jié)合，形成有科學(xué)目標(biāo)牽引具體深空探測項目，逐步健全和完善我國行星學(xué)科分支學(xué)科研究體系和提升空間探測儀器設(shè)備測量水平是兩個需要重點解決的問題。為此建議未來5—10年，要注重兩支隊伍的建設(shè)，一是建立若干個行星科學(xué)研究團隊，二是深空探測關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)團隊。圍繞下述重點發(fā)展方向開展工作：

（1）月球和火星探測。我國已制定了在2020年前實現(xiàn)“繞月飛行、軟著陸探測、取樣返回”的月球探測發(fā)展計劃，確定了于2011年發(fā)射“螢火一號”火星探測器。月球是距離地球最近的太陽系天體，通過對其探測可以幫助了解其形成和演化歷史；火星是太陽系中與地球最相似的行星，與地球相距也不遠，它是太陽系中除地球之外可能存在生命的行星之一。

（2）小行星與彗星的探測。小行星和彗星包含了太陽系形成初期的原始物質(zhì)，它們是研究太陽系形成和演化不可缺少的太陽系天體。同時探測其目前的軌道，可以評估其撞擊地球的危險性。

（3）木星探測的預(yù)研。木星是研究氣態(tài)巨行星的最好天體，它不僅有內(nèi)在磁場，還有復(fù)雜的大氣運動，同時還有性態(tài)各異的天然衛(wèi)星系統(tǒng)。對其研究，可以加深對太陽系形成和演化的理解。

（4）空間對地觀測技術(shù)的擴展應(yīng)用。人們已建立了較完善的空間對地球觀測系統(tǒng)，其中一些探測方法可以擴展到其他行星的探測上去；充分利用空間對地觀測技術(shù)是深空探測技術(shù)發(fā)展的有效途徑。

（5）行星形成和演化計算機模擬研究。計算機的快速發(fā)展，使之在科學(xué)研究中成為了一種有效的實驗手段，在一些情況下，特別是天體對應(yīng)的極端物理和化學(xué)條件下，計算機模擬成了唯一的實驗手段，它也是對深空探測手段的補充。

1 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主編，中國天文學(xué)會編著.2007—2008天文學(xué)學(xué)科發(fā)展報告.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2008.

2 國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)學(xué)物理科學(xué)部.天文學(xué)科、數(shù)學(xué)學(xué)科發(fā)展研究報告.北京:科學(xué)出版社,2008.

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