行星的内部结构是怎样测量的？
太阳系是我们生存的大家园，除了地球之外还有7个行星围绕着太阳公转。这八大行星按照离太阳距离从近到远分别为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，按照行星的物理性质划分为类地行星和类木行星。
太阳及系内八大行星比较
类地行星包括水星、金星、地球和火星，它们距离太阳较近，表面温度高，大小与地球相近，体积小、密度大，且结构大致相似，都是由核、幔、壳的圈层结构构成，其中壳和幔主要由硅酸盐岩石构成，核主要由铁构成。类地行星与地球特征类似，由含氧、硅、铁和其他金属成分的岩石组成，具有固体岩石表面，可用地质学方法进行研究。
类地行星比较（从左往右：水星、金星、地球、火星）
而类木行星包括木星、土星、天王星和海王星，它们质量大，平均密度小，它们与木星的特征类似，自转比较快，卫星多，有光环，温度较低，大气稠密。类木行星主要由氢、氦、氮和其他轻元素组成，挥发性元素丰度很高。
类木行星比较（从左往右：木星、土星、天王星、海王星）
对于类地行星内部的物质组成以及结构，我们无法直接测定，但可通过一系列的物理、化学约束，建立一系列的行星物质组成模型和内部结构模型，对其内部构造进行估算。如行星重力场、行星密度、行星的地震波速度和地震波传播特征、行星磁场、太阳系的元素丰度、太阳系的化学演化理论、行星地质学调查和矿物成分分析等。研究类地行星的内部结构有助于我们了解类地行星本身乃至太阳系的形成与演化。
类地行星的各种性质比较
这里我们将介绍常见的测量行星内部结构的地球物理方式：地震学、测地学和电磁学。假定行星处于流体静平衡态，将其由球心至外沿半径方向分成一系列的同心球壳层，根据物理模型建立内部压强、质量、引力的一系列微分方程，由边界条件进行数值积分；或根据地震学、测地学、电磁学数据进行贝叶斯反演，得到内部结构模型。
水星的结构及磁场分布
地震学是研究固体地球介质中地震的发生规律、地震波的传播规律以及地震的宏观后果等课题的综合性科学。通过对地震波测量和分析，我们能够获得地震的发生过程，地下介质的弹性性质、速度和密度等物理变化，以及和地球相关的各种震动的信息。
地震学观测示意图
例如，利用遍布全球的地震仪使得我们对地球的内部结构有更加清晰认识，获得了目前常用的地球一维速度模型：PREM、AK135、IASP91。这些模型不仅有明确的一级速度间断面：Moho面（地壳与地幔的界面）、古登堡面（地幔与地核的界面）、莱曼面（内核与外核的界面），还有内部详细的地幔转换带等速度间断面。
PREM模型
测地学，全称大地测量学，其基本目标是测定和研究地球空间点的位置、重力及其随时间变化。测地学的约束主要包括行星质量、大小、转动惯量、固体潮LOVE数k2、重力场等。其中，重力场反映了行星内部物质及密度分布信息，当行星内部物质分布处于非平衡状态以及出现密度异常时，就会被探测到重力异常，而重力异常是探索行星内部结构的重要手段之一。常见测量行星重力场方式有两种：直接在轨道器上搭载重力仪或者加速度计，即可直接得到天体的空间重力场分布，如地球上空的CHAMP和GRACE卫星、月球上空的GRAIL卫星上便搭载有这样的仪器，可直接得到地球、月球的空间重力场分布；而对于不直接测量重力场的天体，可以通过对航天器绕天体的运行轨道及其变化的精确测定来解算天体的空间重力场分布。对类地行星的探测中，由于受到载荷和科学目标等因素的限制，目前常选用第二种方法进行重力场的测量。
重力异常分布图（来自GRACE卫星数据）
除了地形的测绘，磁场的测量对内部结构的约束也十分的重要。电磁学可通过测量行星的磁场，利用磁场的频谱分析确定相应层的导电系数，进而根据导电系数与物质组成、温度、压强等物理量的关系来对内部结构予以约束，特别是对天体浅层结构的探索有较好的分辨率。
岩石圈垂直分量磁场分布（来自CHAMP和Swarm卫星的综合模型
在行星表面进行的地震测量可以确定物质的弹性性质、密度、核幔边界的位置等，能判断行星核的状态。随着空间技术的发展，越来越多的行星轨道探测器已成功发射。目前在火星、金星、月球已有地震观测数据，对于获得地外星体的内部结构具有重要的意义。
北京台记录到的2008年汶川地震主震的地震信号
GL-CS60三分向小型宽频带地震计
月震记录（lunar seismic）
阿波罗计划带到月球上的地震仪
火震仪的记录（红色是火星风、绿色是火震事件、浅绿色是机械手臂震动）
InSight的火星地震仪（火震仪）
但是大部分的星球上目前是没有地震仪的。水星是离太阳最近的行星，它在赤道的半径为2439.7km，但密度为5.427g/cm3，在太阳系中是第二高的，仅次于地球的5.515g/cm3，水星由大约70%的金属和30%的硅酸盐材料组成。目前对水星比较成功的探测仅限于水手10号(Mariner10)和信使号 (MESSENGER) ，其中水手10号仅对水星进行了三次飞越式探测。
水手10及其携带对科学仪器
水手10号上搭载了近红外辐射测量仪(Infrared radiometer)、大气-掩星紫外光谱仪(Ultraviolet spectrometers)、磁力计(Magnetometers)、成像仪(Television photography)，以及带电粒子望远镜(Charged particle telescopes)和等离子体探测仪(Plasma detectors)。
水手10探测到的水星表面主要的地质构造（a皱纹脊；b叶状悬崖；c高凸浮脊）
信使号（MESSENGER）搭载了激光高度计（Mercury Laser Altimeter, MLA）、γ射线-中子探测仪(Gamma-Ray & Neutron Spectrometer, GRS & NS) 、X射线光谱仪(X-Ray Spectrometer, XRS) )、磁力计/磁强计(Magnetometer, MAG)、水星大气和表层成分光谱仪(Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer, MASCS)、双成像系统(Mercury Dual Imaging System ,MDIS)，以及高能粒子和等离子体光谱仪(Energetic Particle and Plasma Spectrometer, EPPS)。
信使号上的激光高度计(MLA)绘制的水星北半球地形图
信使号绘制的水星地图（含断层涯）
金星的大小和地球最像，两颗行星的内部构造可能也很相似。关于金星的内部结构，还没有直接的资料，据行星模型的理论推算，金星中心应有一个可以流动的镍-铁核，外核是熔融的，内核是固态的。地幔为熔融的上幔和固态的下幔。地壳和岩石圈都很薄。
没有大气圈的金星内部结构（基于麦哲伦探测器的伪彩色全球雷达图）
自1961年开始，苏联和美国先后发射了30多个探测器探访金星，其中1989年美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）发射的麦哲伦号金星探测器（Magellan spacecraft）较为成功。麦哲伦探测器携带了高分辨率的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)，获得了金星表面图像、全球重力场、表面地形、陨石坑数量等宝贵的资料，大大提高了人们对金星的认识。
麦哲伦探测器对金星的五种视角
Maat Mons火山的伪彩色雷达图（垂直放大了22.5倍）
金星表面的撞击坑
火星是太阳系由内往外数的第四颗行星，直径约是地球的一半，表面积相当于地球陆地面积，而密度则比其他三颗类地行星（水星、金星、地球）还要小很多。火星自转轴倾角、自转周期与地球相近，公转周期则为两倍左右，其橘红色外表是因为地表被赤铁矿（氧化铁）覆盖。火星曾经被认为是太阳系中最有可能存在地外生命的行星，由此火星成为除地球外, 探测和研究程度最高的太阳系行星体。探测方式从飞越到环绕遥感探测, 再到无人着陆器/火星车就位探测，积累了大量科学数据。2020年，中国、美国、阿联酋都发射火星探测器，且火星/火卫采样返回和火星载人探测也可能在未来10~20年内实现。
地球和火星的比较
火星全球地形图（含火星着陆器和探测器的位置）
Mars Global Surveyor(MGS)是火星探测较成功的设备之一，其上共搭载了五种科学仪器，分别是火星轨道摄影仪、火星轨道激光测高仪、热辐射光谱仪、磁力仪与电子反射仪、超稳多普勒测量振荡仪。在对火星进行了长达9年（1996年11月7日升空，2006年11月2日失联）的探测后，MGS 成功地获取了火星地形、重力场、磁场、地表影像、表面热辐射等相关数据资料，为火星内部结构模型的研究提供了更多的约束。
基于MGS上激光高度计获得的火星高分辨率地形图
好奇号火星探测器(Curiosity)是世界上第一辆采用核动力驱动的火星车，其使命是探寻火星上的生命元素，调查火星的气候和地质，评估火星是否曾经为微生物提供过有利的环境条件，以及为人类探索行星宜居性研究做准备。其中的科学仪器包括：桅杆相机(Mast Camera, MastCam)、火星样本分析仪(Sample Analysis at Mars, SAM)、化学与矿物学分析仪(Chemistry and Mineralogy, CheMin)、阿尔法粒子X射线分光计(Alpha Particle X-ray Spectrometer, APXS)、辐射评估探测器(Radiation assessment detector, RAD)、火星车环境监测站(Rover Environmental Monitoring Station, REMS)、中子反照率动态探测器(Dynamic Albedo of Neutrons, DAN)等。
火星上好奇号的自拍
美国洞察号(InSight)是首个针对火星内部结构探测的着陆器。洞察号携带3个核心实验室, 分别是火星内部结构地震实验(SEIS), 用于探测火震和陨石撞击活动并探测火星内部结构；热流和物理属性包(HP3), 用于测量从地面至5m深度的地面温度/梯度、热导率和物理属性; 自转和内部结构实验(RISE), 进行亚分米级精确追踪的行星自转大地测量。
火星上的洞察号
我国行星探测起步晚，起点高。2020年我国火星任务——“天问一号”，计划在首次发射中一次性实现“绕”、“落”、“巡”三大任务，这在世界航天史上还没有过先例。“天问一号”所携带的科学仪器：中、高分辨率相机，负责对火星表面成像，开展火星表面地形地貌和地质构造研究；火星磁强计后续主要负责探测火星空间磁场环境；火星矿物光谱分析仪则用来分析火星矿物组成与分布，研究火星整体化学成分与化学演化历史，分析火星资源与分布区等。
天问一号结构及大小
“天问一号”转移轨道及轨道修正(TCM)图
太阳系内各大行星被认为具有相同的宇宙起源，但现今的行星环境却大相径庭。因此，对行星的探测和比较，有利于深入认识并理解地球的演变和宜居环境的形成。目前行星物理是研究地外星体较为重要的手段之一，行星物理学融合了地球物理学、空间科学、大气科学、物理学等多学科内容，其研究范围囊括了行星空间环境、大气环境、表面环境及内部结构等行星多圈层物理过程。行星探测的研究和发展不仅已成为当前世界各国综合国力的角力场，也正成为衡量国家未来可持续综合发展能力的重要指标，期待更多的有志之士加入行星探测的队伍。
中国行星探测标识
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部分图片及文字参考维基百科.
美编：朱文潇
校对：张腾飞