探测太阳系的行星

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物理伴我行

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    潘仕恒|广州市白云中学

    导语：继《飞离地球，飞向奥尔特云》（一、二）后，再推出人类探测太阳系行星的活动，您将看到不曾见过的画面和历程。这是面向高中生及对天体物理感兴趣人士的科普读物，这一期：探测水星和金星。欢迎转发。

一、

关于太阳系和行星的知识

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1

认识太阳系

太阳系在银河系中的位置示意图

    银河系太大了，大到我们暂时无法用语言描述，就说说太阳系(Solar system)吧。

    46亿年前，一个巨型星际分子云发生引力坍缩，太阳系形成了：先有太阳，继而有了行星、卫星、小行星带等天体。而太阳（及其行星系统）只不过是银河系那4000亿颗恒星中很普通的一颗！46亿年来，作为太阳系的老大，太阳正带着自己的行星系统在浩瀚无垠的银河系中穿行，如同母鸡带着小鸡在茫茫野外觅吃。

    特别指出，太阳一直以燃烧自己的方式给太阳系的行星提供光和热（即能量），无有依赖其它恒星的施舍，独自养育自己的行星。如今她已到中年，这种无偿的供给还可以再持续46亿年！

    太阳系的行星和小行星带都是按确定的轨道有秩序地绕太阳运转。很幸运，地球处在一条适合我们生存的轨道上，年复一年地绕太阳运转，给我们带来了年复一年的春夏秋冬（它已停不下来，否则将整体被吸入太阳！）。万物生长靠太阳，对太阳，人类应该感到庆幸和感恩！



太阳系示意图

    设想你是会飞的天使，就可以从地球上飞到任何一颗行星上啦。当然要注意方向，如想去水星、金星，就向太阳那一侧飞；如果想去火星、木星等其它行星，则向外侧飞。

    但是，人类不是天使啊！为实现天使们的飞天梦想，一代代科学家前赴后继，做出了惊天动地的大事业！

2

“活”行星和“死”行星

      质量合适（不太小）的行星，内部封存有大量的能量，这些能量可促成行星内部的地质活动，如地壳运动，火山活动，温泉、洋流、气流、地震等，这就是“活”行星，而我们地球就是这样一颗充满活力的“活”行星，孕育出了丰富多彩的生命系统。

      有些行星（星球）的质量太小，内部几乎没有多余的能量，其地质活动几乎停止，“死”一般寂静，这就是“死寂”的行星。太阳系的小行星带、柯伊伯带的小行星，就是这类“死”行星。“死”行星宛如一块大石头，受热快，散热也快，受阳面的温度很高，背阳面则温度很低，一般不会有生命存在的基础。



柯伊伯带的一颗“死寂”的小行星

3

为什么白天看不到星星？

    白天，向着太阳的方向看（很耀眼），水星和金星（还有其它恒星）就在你的前方，但它们已被太阳的强光所淹没，所以看不到。晚上，太阳光被地球挡住，抬头望着天上的点点繁星，那就是远离太阳的方向，如果畅想着离开太阳系，应该就向那方向飞！



4

关于“俘获”

    由于物体间存在万有引力，使得星际探测变得极其复杂。探测器在飞近目标星时，因引力作用，速度会越来越大，将大致有三种情况发生：一是速度太大，直接撞上去了，也就失去了科学探究的意义。二是“俘获”，探测器经过一系列复杂的制动（减小速度），从而进入目标星的环绕轨道并做环绕运动，这就是“俘获”，被行星俘获后，探测器就可以开展一系列的探测活动甚至登陆上去。三是从旁边“掠过”，因探测器速度太大（控制不下来），无法被目标星“俘获”，只好从附近“掠过”，这时，探测活动只能在掠过的有限时间内进行，获得的成果有限。



二、

关于水星探测

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01

关于水星

    水星是距离太阳最近的行星，地球和它之间隔了一个金星。但实际上，水星反而更像是地球的邻居，原因就在于地球和这些行星的会合周期（和地球距离达到最大或最小的周期）：水星116天，金星584天，火星780天。因而，水星经常和地球“见面”，长时间都是距离地球最近的行星，而金星和火星经常性地位于太阳系中与地球相对很远的另一端的角落里。



    水星这个“水”字并没有科学依据，只是个说法而已。水星的环绕半径为0.387AU（地球为1AU），它距离太阳最近（平均为4600~7000万千米），被炙烤得最厉害，水分和大气是极难保存的。环境条件很恶劣——它面对太阳的一面温度可以高达430℃，而背对太阳的一面则是低至-170℃的极寒地带。

    水星绕太阳公转的周期仅88个地球日，即水星的1年只有88天，而自转缓慢，周期达58.6天，即水星的1天相当于地球上2个月的时间，何其漫长！



美国“水手10号”水星探测器拍摄的水星照片

    水星太小，引力不足以维持任何大气，那里几近完全真空。同时，体积小就越容易散失热量。在经过亿万年演化后，水星内部的地质活动几乎停止，所以也不会产生足够强的磁场，无法抵御太阳附近强大的太阳风和电磁辐射，这导致水星是个几乎不可能孕育生命的蛮荒之地。



水星地表细节图片来源/NASA，由“信使号”所拍摄

02

水星探测难在哪？

    水星距离太阳最近，所以运转速度也是所有行星里最快的，达到了惊人的47.9千米/秒（地球仅29.8千米/秒），使得对它的探测极其艰难--毕竟，追上一个快速运动的物体（如追赶一颗飞行的子弹！）是很有难度的。另外，探测器从地球向轨道内侧的太阳飞去时，受太阳和水星的引力不断增大大，越靠近水星，引力越大，加速越迅猛，将越飞越快。同时，因水星的质量太小（3.3×10²³kg），引力场的范围小且强度弱，而太阳质量太大（2×10^30 kg）,其引力足以把探测器吸引向太阳，导致探测器极难被水星俘获，至少目前人类的技术水平还不能直接对探测器进行急刹车留在绕水星的轨道上。



当太阳对探测器的引力大于水星对探测器的引力时，水星极难把探测器俘获！

    迄今为止，人类持续45年接力探测水星，共发射了3个水星探测器，下面分别介绍。

03

水手10号



水手10号任务的艺术效果图（图片来源/NASA）

    1973年11月3日，美国国家航空航天局（NASA）发射水手10号（Mariner 10）水星探测器。发射后第二年的3月29日，它首次近距离（约700千米）飞掠水星，1975年3月16日时再次飞掠，最近距离仅约300千米。在有限的观察时间内，它利用携带的相机拍下了约2800张水星照片，这是人类第一次看清楚水星的表面。探测器还利用辐射仪发现了水星表面向阳面和背阴面存在巨大温差，周身几乎没有磁场、大气层也极其稀薄，基本就是不毛之地。

04

信使号

    物理学家在进一步的研究中发现，要环绕水星飞行，必须让探测器不断借助金星和地球的引力影响，改变飞行的速度大小和方向，以数年的时间一步一步调整，以极大的耐心才可能成功。

    2004年，NASA的科学家发射“信使号”探测器（Messenger），在历经7年的飞行和调整后，2011年人类终于实现了技术难度极大的环绕水星飞行的使命。

    信使号工作4年时间，它不仅绘制了水星详细的全球地形图，甚至从地貌反推出水星曾经的地质运动，例如火山喷发痕迹；信使号还研究了水星的磁场变化和大气演变。让人惊喜的是，它发现水星极其稀薄的大气中竟然存在一定的水蒸气，在北极附近的撞击坑中，还出现了有机化合物和水存在的证据。信使号于2015年任务结束后悲壮地撞击向水星表面，永远停留在了那里。



信使号低轨道时拍摄的水星表面近景

05

贝皮·科伦坡卫星



贝皮·科伦坡号7年内的预计轨道（图片来源/欧洲太空局）

    2018年10月20日，欧洲太空局和日本共同研发发射贝皮·科伦坡水星探测器（Bepi Colombo）。为了抵达水星，这个探测器同样需要花费约7年时间飞行和进行复杂的轨道调整，预计将在2025年抵达这个邻居。

   目前，贝皮·科伦坡号正在深空旅行中，一切顺利。

    从水手10号（1973年）到信使号（2004年），再到贝皮·科伦坡号（2018年），四十五年来，水星探测的接力棒还在传递，期待更多探测成果为我们揭开水星的奥秘。

三

金星探测

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01

金星概述

    金星是夜晚天空中最亮的星星（月亮除外）。如果在地球上用肉眼观察金星，由于它在地球轨道的内侧，只能在地球的阳面即白天朝着太阳方向看，但太阳光线太强，肉眼就无法看到金星（观察水星也遇到同样的问题），所以只能在黄昏或黎明时才能能看到：黎明出现在东方天空，被称为“启明”；黄昏处于天空的西侧，也称“长庚”。

    以地球为角的顶点分别连结金星和太阳，就会发现这个角度非常小，即使在最大时也只有48.5°，故不是每天都能看到金星。当我们看到的时候，它不是在清晨便是在傍晚，并且分别处于天空的东侧和西侧。



    金星的质量比水星大15倍，为5×10^24 kg；绕太阳公转的半径为0.725AU，偏心率仅为0.7%，在九大行星中最接近圆形；周期为224.7个地球日，公转速度比地球快；而自转则很缓慢，周期为243天，即水星上的1天相当于地球上的8个月，这一天也太漫长了！

    金星的天空是橙黄色的，其大气主要由二氧化碳组成，并含有少量的氮气。金星的大气压强非常大，为地球的90倍，相当于地球海洋中1千米深度时的压强。金星与太阳的距离比水星大两倍，得到的阳光是水星的四分之一（高空的光照强度为2613.9 W/m²，表面为1071.1 W/m²）。独特的气候条件使得金星的表面温度可高达500°C（近赤道的低地），比水星还高，且昼夜温差不大。作为一颗是类地行星，金星是太阳系中唯一一颗没有磁场的行星。

   恶劣的环境导致人类航天器着陆金星异常困难。





02

探测金星

    上世纪（20世纪）六十年代以来，美国、前苏联、欧洲和日本向金星发射了32个空间探测器，其中22个成功，10个失败。下面是介绍几次典型的成功探测。

    1.第一个探测器。美国在1962年8月27日发射的“水手2号”行星际探测器，飞行四个多月后到达离金星3.5万千米的上空。首次拍摄到了金星的照片，测量了金星大气温度。

    2.第一个登录金星的探测器。1970年8月，前苏联成功将“金星7号”探测器发射升空，飞行4个多月后成功软着陆在金星表面，这是人类第一个到达金星进行实地考察的探测器，为人类后续探索提供了宝贵的实测数据。

  3.先驱者号金星探测器。1978年，美国发射了“先驱者——金星”1号和2号，前苏联又发射了“金星”11号和12号行星际探测器。这4个探测器共发出7个着陆舱，降落到金星的表面，对金星进行了综合的科学考察，取得了不少新的资料，为人类了解金星提供了科学的论据。

  4.“麦哲伦”金星探测器。1989年美国发射的“麦哲伦”金星探测器，拍摄金星地表的高清晰地形照片，对99%的地貌全景进行了测绘，发回的数据超过此前其他探测器发回数据的总和。“麦哲伦”探测器在完成使命后，于1994年10月接受指令撞入金星稠密大气中。人类第一次看到完整的金星地图就是“麦哲伦号”探测器拍摄下来的， 在这张照片上，我们可以看到金星上也有陨石坑、火山口和峡谷等地质现象。



    5.金星快车探测器。2005年11月9日，欧洲空间局（ESA）发射“金星快车（Venus Express）号”探测器，它携带7种科学仪器对金星表面进行测绘和研究，以揭示是否有活火山活动，研究金星的大气和云层，大气结构和成分跟高度的关系以及金星的空间环境等，它还绘制金星全球表面温度图。



金星快车

    6. “晓”(Akatsuki)号金星探测器。2010年5月20日，日本“晓”号金星轨道器发射，在经过长达5年时间飞行和调整之后，2015年12月终于被金星引力场俘获，进入金星轨道，从而开始了金星的探测之旅。



“晓”(Akatsuki)号金星探测器

小

结

关于星际探测的思考



    人类为什么要花如此高昂的代价探测太阳系的行星？可能是人类固有的好奇心，可能是人类想拓展生存空间，可能是人类为了更安全，可能是人类为了寻找自己的过去，思考未来的走向。在探测星际空间的过程中，产生了很多的新技术，推动了科学的发展，促进了人类的文明与进步。

    1962年，美国人发射的“水手2号”星际探测器时，笔者还没有出生。当2021年我国的“祝融号”火星车在火星上登陆时，时间走过了59年！这就是我们与美国等西方发达国家在星际探测领域的差距。毕竟，我们已开始了，这种差距才会不断缩小。中华民族要对人类的文明和发展做出贡献，才能屹立世界强民族之林，需要更多的青年学生仰望星空，去追寻那一缕微弱的星光。

    为对星际探测有一个全貌的了解，建议阅读笔者前面已写过的两个推文：《飞离地球，飞向奥尔特云》（一），《飞离地球，飞向奥尔特云》（二）（点击即可）。《探测太阳系的行星》、《飞离地球，飞向奥尔特云（一）、（二）》的数据、图、概念和理论均经多方求证，采用现今流行和公认的文献。如果本文使您对宇宙探索和物理学习有所了解和感悟，正是笔者之期冀。

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    作者简介：潘仕恒，广东省中小学名教师工作室主持人，广州市基础教育系统名教师，高中物理正高级教师。
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