燥熱的“甲殼”星球

太陽系中存在的行星形態千奇百怪，總的來說分為氣態巨行星和固態行星。氣態巨行星顧名思義是不以巖石或其他固體為主要成分構成的行星，包括：木星、土星、天王星和海王星；而另一類以地球為代表的地表由巖石構成，也稱作類地行星。這類行星中既有水星、金星、地球和火星這樣的“太陽系八大行星”，又有月球、木衛一、土衛二、海衛一這樣的行星衛星，還有冥王星、谷神星、鳥神星這樣的太陽系矮行星。氣態巨行星與固態行星在太陽系中的位置交相輝映，它們與太陽及其他太陽系小天體共同構成了我們這個神奇的阿波羅家園。

太陽系家園中為數眾多的固態行星家族都有著堅硬的巖石圈層外殼包裹著“星核”。這些堅硬的巖石“甲殼“成為族群鮮明的特征，還將人類親臨地月系統以外世界的夢想變得不再遙不可及。如果太陽系中注入密度為3g/cm³的液體，那么氣態巨行星將都漂浮在液體表面，而固態”甲殼星球“們將無一幸免沉入池底。

▲八大行星物理參數

這些固態行星或單獨圍繞太陽公轉,或與其他行星組成衛星系統圍繞較大行星運轉。行星與其衛星、各衛星間形成天體引力系統，互相之間作用力甚至可以影響天體的形態演化。二十世紀70年代美國對木星和土星及其衛星開展探測的Voyager計劃、90年代美國對木星及其衛星開展的Galileo探測計劃、1997年美歐聯合指對土星系開展的Cassini-Huygens探測計劃，2006年發射的意在對冥王星及古柏帶天體進行探測New Horizons號探測器都為人類進一步甚至重新認識太陽系中離地球較遠的行星系提供了寶貴的科學觀測數據及資料，從而使我們可以不再單一的依靠地基觀測手段，更加直觀的認識和了解這些行星系統的演化過程。

引力系統作用下的”甲殼星球“

地球、木衛一（Io）、土衛二（Enceladus）和海衛一（Triton）是太陽系中可以觀測到表面有活躍火山活動的四顆固態行星。土衛二是土星第六大衛星，也是三個外層太陽系星體中觀察到有火山噴發的星體之一。更重要的是，它的噴發物包含大量的水，許多專家相信這個衛星冰冷的表面下存在著一個液態海洋。而有水的地方，就可能存在生命。由于土衛二受土星系統潮汐力作用,其冰態外殼底部可能會被之一潮汐力拖曳產生大量熱,所以這一區域很可能是與巖石固體幔層直接接觸的液態海洋。與巖石圈層的直接接觸可能引發很多類似于地球早期海底發生的化學反應，也預示著生命的存在可能性。與土衛二相鄰的土衛三（Ganymede）是土星最大衛星，它的表面主要由硅酸鹽和水冰組成，但是表面以下200千米被認為存在一個由鹽水構成的海洋。土衛三受潮汐熱作用，表面以下的某一地層保持足夠的熱量，從而促使液態水的形成。海衛一表面旅行者2號觀測到了多個冰火山或正在噴發著液氮、灰塵或甲烷混合物的噴泉，這些噴泉可以達到8千米的高度。不像木衛一表面的火山，海衛一表面的火山活動可能不是潮汐作用造成的，而是季節性的太陽照射所造成的。地球內部熱能主要來自放射性同位素衰變時所釋放的能量。這些熱能驅動地函對流，反過來導致板塊構造和火山作用。木衛一內部熱源主要來自木星的引力拖曳和散逸而造成的潮汐力作用，屬于外部熱化機制。外力使得衛星球體被拉伸積壓，這一過程中產生的熱量部分被儲存在球體內部，部分熱能通過火成作用向外釋放。

冰態衛星是表面主要由冰體構成的衛星或小行星。由于同樣受行星引力場作用，周期性的熱能交換使冰態衛星的表面之下可能存在海洋，其中心還可能擁有一顆硅酸鹽或金屬質的巖石內核。這類衛星中的典型代表是木衛二（Europa）。這顆比月球略小的固態星球擁有一個含氧的薄薄的大氣層。近來的研究結果表明在太陽成為紅巨星后，木衛二很可能將承攬迎接地區生命因民的任務。正因如此這顆與木衛一、木衛四、木衛三、土衛六和海衛一同樣具有大氣層的衛星將受到人類的高度關注。

▲土衛二表面地貌主要以撞擊坑和溝壑為主。（NASA/JPL）

木星潮汐力主導下的木衛一火山活動

木衛一由潮汐力作用所產生的熱能，與它的軌道離心率、內部結構和物理狀態有關。由于木星衛星系統，即：木衛一與木衛二、木衛三的運行軌道產生共振，使得離木星最近的木衛一的軌道維持近似圓形，防止了潮汐散逸。木衛一軌道離心率只有0.0041，導致木衛一表面處于受到木星引力拖曳的頂點方向上，在軌道近木星點和遠木星點的潮汐隆起差異達到100米。潮汐力拖曳在木衛一內部殼層中產生摩擦力。摩擦所產生的熱量導致內部物質的熱化和溶化。內部熱量主要通過火成活動向外釋放，這些熱量在木星系力學系統的作用下引起木衛一表面熱流運動。目前觀測到木衛一內部逃逸出的潮汐產生的熱量大于理論估值，因此判斷木衛一可能處于冷卻狀態，即：較大與較小潮汐形變周期過渡中。

▲木衛一表面火山噴發類型大致歸納為：不規則火山口、流體主導噴發和爆炸主導噴發。整個木衛一表面活躍火山分布范圍廣闊，可觀測到較活躍大型火山數量大約為400座。

▲TupanPatera溶巖湖直徑80km，四周是900米高的懸崖，湖內位桔紅色的硫酸巖島四周是黑色熔巖。溶巖湖不斷向衛星表面釋放硫化物

月球火成活動

不同于木衛一潮汐力引發的火成活動，月球火成活動主要受外部撞擊和早期內部演化活動因素影響。深層熱物質通過幔柱作用得以在表層釋放，并最終通過冷卻和下沉過程沉積在月海表層。內部熱能處于不斷衰減狀態，且無外力提供繼續產生新增熱能的可能，所以月球火成活動并不像木衛一那樣活躍且分布范圍廣。

▲月球莫斯科海撞擊盆地區域中心底部表面覆蓋有大量熔巖物質，深度可達1km。呈現明顯的火成活動跡象。

土星潮汐力主導下的土衛二南極地區物質噴射現象

▲圖像由卡西尼號深空探測器窄角相機于2005年11月27日距土衛二148000公里處拍攝得到（方位角161度）。圖像經過特殊處理以凸顯噴射物細節亮度，經光譜分析噴射物質為冰顆粒和水蒸汽，噴射過程由土-衛間潮汐力對巖石核拖曳作用中產生熱量提供熱流動力，由于衛星表面，冰層，冰下海洋和巖石圈層存在溫度和壓力差，海洋中的水或者冰層中的熔化物質通過冰層縫隙噴射到宇宙空間內。通過對噴射現象研究還可以研究土衛二表面有機化合物的成分和衛星表面的溫度變化。不同于木衛一，土衛二表面冰層有大量撞擊坑存在。說明冰層較厚足以抵消撞擊帶來的沖擊和熱量。除撞擊坑外，衛星表面還存在大量藍色條紋，顯示冰層表面或次表層存在眾多河流或液體運動通道。土衛二表面冰層或因土-衛系統潮汐力和與其它土星衛星間軌道共振效應變化差異而變化。

對比研究木衛一、月球這類固態行星，除了利用現有地基與深空探測遙感影像技術外，還可借助繞其飛行的軌道探測器及一個著陸探測器即對行星及其衛星之間潮汐力開展探測研究，或利用降落在衛星上的著陸器發射無線電信號直接開展衛星多普勒測量，研究其潮汐力變化周期。展開行星動力學系統研究對于了解太陽系行星及行星系統演化具有重要科學意義和探索價值。除表面火成活動這類地質演化研究外，土衛二和海衛一表面噴射現象的流體力學研究，及對于此類固態行星適宜生命存在條件的探測和研究勢必還會成為未來深空探測領域熱點。