天文学论文
比较行星空间物理是指基于“行星地球”视角的空间物理学的对比和交叉研究。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，是比较行星空间物理研究思路的基本出发点。比较行星空间物理主要关注以下 2 个方面：
3.1 行星空间环境多样性比较行星空间物理研究方法曾在行星空间探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对比理解行星空间，是行星空间研究的重要方法。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，造成观测数据少且质量较差。使用少量数据研究全球尺度结构比较困难，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对比来增加可用信息量，并以此为根据做理论假设。例如，地球电离层的 Chapman 理论比较成熟，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，使之能更好地描述观测特征，形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索。事实上，这种比较研究的思路，暗含了一个假设，即被对比研究的对象存在明显共性。
经过数十年的探索，研究人员已经知道，太阳系各行星的空间环境的确存在许多共性。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思考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点。根据演绎逻辑所主张的思维规律，如果想要找出某种现象产生的原因，较为有效的方法是对比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。因此，通过多行星对比研究，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，在掌握了共性的基础上，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形成和变化规律，还能帮助探索和理解系外行星。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。初步研究表明，地磁场的变化能够引发空间环境变化。例如，自 1840 年人们开始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 km[11].而发生在时间更为久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，更无法推测其对地球演化的影响。对于这些困难问题，比较行星空间物理研究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明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，动力学特征及磁层结构显着区别于当前地球空间环境特征。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依据，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境提供了重要的依据。通过火星空间模型的研究应用到地球，发现在地磁倒转期间太阳风能够驱使更多的氧离子逃逸，较当前地球磁层氧离子逃逸率上升 3~4 个量级，因而有学者提出猜想认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过程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过程的结果。随着发电机与去气过程的演化，行星空间环境必然随之改变。行星的表面水经由空间过程逃逸损失，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过程都产生重要影响[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。
行星空间受到内部过程的影响，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推测出行星内部的活动过程，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过程的天体有水星、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，但其表面存在的剩余岩石磁场表明，其历史上很可能存在过发电机活动过程[14].也有学者类比地磁倒转，大胆假设火星当前正处于磁极倒转过程中[15].金星不存在全球磁场，表面剩余岩石磁场目前还没有确切的观测证据，至少表明金星当前并不存在发电机。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，有学者发现金星目前仍然存在火山活动[16].由于水对行星内部动力学过程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过程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） 的测定和对比，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过程的最有力证据[18].
行星内部动力学过程也存在被空间过程影响的可能。例如，在所有太阳系行星中，水星弱磁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].当前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增强了对水星的保护[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。因此，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受到足够重视，探索性研究才刚刚开始。
如果将行星内部与空间视为一个协同演化的系统，那么行星的多样性体现了各行星演化路径和演化阶段的差异。对比研究不同行星内部-空间耦合系统的目的在于理解过去和预测未来。如果地磁发电机停止，地球会不会变成今天的火星，如果会，又需要多长时间？ 类似的问题，只有通过多行星对比才有可能找到线索。
4 结 语
本文阐述了比较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，目前尚未发现有介质能够记录其在地质时间尺度的变化。比较行星空间物理研究可以利用太阳系行星空间环境的多样性来解决这一问题，因而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实施和首个火星探测计划的立项，我国行星科学研究将迎来新的发展契机。2016 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组织和规模化的阶段。在此背景下，阐述对比较行星空间物理研究的思考和认识，期望能起到抛砖引玉之功效。
参考文献（ References） :
[1] Huang Yinong. Ten Lectures on the History of Social Astronomy[M]. 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 minimum[J]. Science, 1976, 192（ 4 245） : 1 189-1 202.
[3] Wang Shui. Review and prospect of space physics[J].Advances inEarth Science,2001,16（ 5） : 664-670.[王水。 空间物理学的回顾和展望[J]. 地球科学进展，2001,16（ 5） : 664-670.]
[4] Gubbins D,Jones A L,Finlay C C. Fall in Earth's magnetic fieldis erratic[J].Science,2006,312（ 5 775） : 900-902.
[5] Yue Xin'an,Liu Libo,Wan Weixing,et al.Modeling the effects ofsecular variation of geomagnetic field orientation on the ionosphericlong term trend over the past century[J]. Journal of GeophysicalResearch,2008,113: A10301,doi: 10.1029 /2007JA012995.
[6] Tarduno J A,Cottrell R D,Davis W J,et al. A Hadean to Paleo-archean geodynamo recorded by single zircon crystals[J]. Science,2015,349（ 6 247） : 521-524.
[7] Macouin M,Valet J P,Besse J. Long-term evolution of the geo-magnetic dipole moment[J].Physics of the Earth and Planetary In-teriors,2004,147（ 2 /3） : 239-246.
[8] Uffen R. Influence of the Earth's core on the origin and evolutionof life[J].Nature,1963,198: 143-144,doi: 10.1038 /19814360.
[9] Wei Yong,Wan Weixing. Fifty-year investigation of the causal re-lation between geomagnetic reversal and mass extinction[J]. Chi-nese Journal of Geophysics,2014,57（ 11） : 3 841-3 850.[魏勇，万卫星。地磁倒转与生物灭绝因果关系研究五十年[J]. 地球物理学报，2014,57（ 11） : 3 841-3 850.]
[10] Withers P. A review of observed variability in the dayside iono-sphere of Mars[J]. Advances in Space Research,2009,44（ 3）:
277-307.
[11] Zhong Jun,Wan Weixing,Wei Yong,et al. Increasing exposureof geosynchronous orbit in solar wind due to decay of Earth's di-pole field[J].Journal of Geophysical Research,2014,119（ 12） :9 816-9 822.
[12] Wei Yong,Pu Zuyin,Zong Qiugang,et al. Oxygen escape fromthe Earth during geomagnetic reversals: Implications to mass ex-tinction[J]. Earth and Planetary Science Letters,2014,394: 94-98.
[13] Zhang Zhigang,Zhang Chi,Geng Ming. Equations of state for a-queous solutions under mantle conditions[J]. Science in China（ Series D） ,2016,59（ 6） : 1 095-1 106.[张志刚，张驰，耿明。地幔条件下富水流体状态方程[J]. 中国科学： D 辑，2016,46（ 5） : 569-581.]
[14] Acua M,Connerney J,Ness N,et al. Global distribution of crus-tal magnetization discovered by the mars global surveyor MAG / ERexperiment[J]. Science,1999,284（ 5 415） : 790-793.
[15] Glassmeier K H,Musmann G,Vocks C,et al. Mars-A planetin magnetic transition? [J]. Planetary and Space Science,2000,48（ 12 /14） : 1 153-1 159.
[16] Marcq E,Bertaux J L,Montmessin F,et al. Variations of sul-phur dioxide at the cloud top of Venus's dynamic atmosphere[J].Nature Geoscience,2013,6（ 1） : 25-28.
[17] Zheng Yongfei,Chen Renxu,Xu Zheng,et al. The transport ofwater in subduction zones[J]. Science in China（ Series D） ,2016,59（ 4） : 651-681.[郑永飞，陈仁旭，徐峥，等。 俯冲带中的水迁移[J].中国科学： D 辑，2016,46（ 3） : 253-286.]
[18] Lammer H,Kasting J F,Chassefiere E,et al. Atmospheric es-cape and evolution of terrestrial planets and satellites[J].SpaceScience Reviews,2008,139（ 1 /4） : 399-436.
[19] Heyner D,Wicht J,Gomez-Perez N,et al. Evidence from nu-merical experiments for a feedback dynamo generating mercury'smagnetic field[J]. Science,2011,334（ 6 063） : 1 690-1 693.
[20] Zhong Jun,Wan Weixing,Wei Yong,et al. Compressibility ofMercury's dayside magnetosphere[J]. Geophysical Research Let-ters,2015,42（ 23） : 10 135-10 139