前言

行星科学是关于行星系统的科学。所谓行星系统，是指围绕太阳运行的行星及其卫星、矮行星、小行星、流星体、彗星和行星际尘埃。行星科学是与许多学科有关的交叉学科，涉及空间科学/等离子体物理学、天文学/天体物理学、地球物理学/地质学、大气科学、生命科学和化学。行星科学研究的主要内容包括行星系统的运动学和动力学特性、物理和化学特性、太阳辐射变化对行星系统的影响；行星表面形态与内部结构、行星大气层与电离层、行星磁场与磁层、行星的卫星与环；彗星的结构与演变；行星比较学。近年来，行星科学研究还扩展到太阳系外行星。

笔者近年来主讲本科生的“太空探索”和研究生的“空间科学与应用概论”课程，这两门课程都不同程度地涉及行星科学的知识。“空间科学与技术”专业于2004年成立后，新的教学计划增设了“行星科学概论”课程，因此笔者在讲授上述两门课程的同时，一直为开设新课做准备，此为其一。

促使笔者下决心编写“行星科学”教材的另一个因素是我国探月计划的进展。2007年10月24日，我国发射了第一颗月球探测卫星“嫦娥1号”。随着探月计划的实施，探测火星、小行星以及更远的太阳系天体，已经引起有关部门和科技人员的关注。在这种情况下，及时编写出既适合教学，又能满足广大科技人员需要的教材，是北京大学空间科学与技术专业教师义不容辞的任务。

行星科学的内容非常丰富，但作为本科生教材，究竟选择哪些内容，遵循什么样的体系，如何掌握难度，是我们编写教材过程中一直在思考的问题。

近年来，国外出版了许多关于太阳系方面的著作，这些著作充分反映了太阳系探索的新成果。《太阳系百科全书》（ Encyclopedia of the Solar System ）（第二版）几乎包含了有关太阳系所有的科学知识，汇集了当代太阳系探测的最新成果。该书可认为是高级科普书，适合广大科技人员参考，也可以作为相关学科领域的教学参考书。《太阳系引论》（ An introduction to the Solar System ）和《今日天文学》（ Astronomy Today ）则是图文并茂、深入浅出地介绍了太阳系天体的基本知识。《行星科学》（ Planetary Sciences ）、《太阳系物理学》（ Physics of the Solar System ）以及《太阳系物理与化学》（ Physics and Chemistry of the Solar System ）则从物理学和化学的基本原理出发，系统地阐述了太阳系天体的物理学和化学特性，具有相当的深度。在《行星科学》每章之后，还有大量的习题和思考题，比较适合研究生和专门研究人员参考。第三版的《太阳系》（ The Solar System ）将最新探测结果与基础知识有机结合，内容系统、难度适中，比较适合大学本科学生参考。除了上述综合的著作外，还出版了一些专门介绍某个天体研究成果的著作，如《木星》（ Jupiter ）、《探索水星》（ Exploring Mercury ）、《金星》（ Venus ）、《探索月球》（ Lunar Exploration ）、《重返月球》（ Return to the Moon ）、《月球基地手册》（ Lunar Base Handbook ）以及《火星上的水和生命》（ Water on Mars and Life ）等。《木星》全面系统地反映了“伽利略”飞船的探测成果；《探索水星》在概述了“水手10号”飞船探测结果的同时，对水星的轨道特征描述得非常详尽；《重返月球》对月球氦3资源及其开发利用问题进行了深入描述；而《月球基地手册》则系统地介绍了人类目前在月球基地研究方面所取得的成果。单从书名《火星上的水和生命》我们就能知道该书的特色，确实，如果想要了解火星是否存在液体水、什么历史时期可能存在液体水、如何寻找液体水和生命，从该书中我们可以了解很多知识和线索。另外，国外著名的学术刊物 Science 和 Nature 也都及时地刊登了有关行星探测和学术研究的最新成果。这些著作和学术论文无疑为本教材的编写提供了丰富的资料。

在阅读和分析上述著作的基础上，本书以第三版的《太阳系》为基本框架，吸收了其他著作最有特色的成果，参考了 Science 和 Nature 上的一些论文，根据教学要求，重新组织内容。

全书分十章。第一章是引言，概括地介绍了太阳系的基本特征、行星科学研究的对象、内容和方法，特别介绍了后续章节中经常遇到的一些基本概念。第二至六章论述类地行星和月球。作为太阳系乃至宇宙最有特色的行星地球，有维持生命存在的必要条件，那就是液体水、空气及适宜的温度。本部分突出论述了大气层、液体海洋以及二者间的相互作用，此外，还系统地描述了地球内部结构、表面形态、地磁场、电离层和磁层。这些内容也是其他行星涉及的内容，只有系统地了解了地球，才能将行星与地球做比较研究。在论述其他行星时，所述内容不完全与地球的雷同，而是侧重于各自特点。如水星围绕密度大、磁场强做文章，金星则突出厚重大气层以及大气层与地表的相互作用。火星一直是人类探索太阳系的重点目标，在介绍一般特征的基础上，突出了火星液体水的历史、异常的磁场和气候变化特征。月球是人类当前探测与研究的重点，中国“嫦娥1号”的成功发射，标志着人类对月球的探测与研究进入了深入发展的新阶段。人类探测月球已经取得了哪些主要成果？未来月球探测的科学目标是什么？怎样才能实现这些科学目标？为什么要建立月球基地？月球基地建设需要解决哪些问题？月球上的氦3是怎样分布的？如何获取这类资源？这些问题是本部分所要回答的主要问题。第七和第八章介绍类木行星及其卫星，分析了这类行星奇特的大气层、形态各异的环和千奇百怪的卫星，重点加强了对可能存在生命的几颗卫星的描述，如泰坦和土卫二。第九章是关于太阳系中的小天体，主要包括矮行星、小行星和彗星。强调了探测和研究小行星及彗星的方法和意义。第十章是行星科学的前沿问题，包括开珀带、奥尔特云天体以及太阳系外行星的探测与研究方法。

与国内外目前已经出版的有关行星科学著作相比，本书具有以下特点：（1）作为本科生的教材，注意了内容的循序渐进，各章之间的衔接，理论体系的一致性。（2）吸收与借鉴了相应著作最具特色之处，取百家之长，为我所用。如《太阳系百科全书》数据的完整性与权威性、《火星上的水和生命》一书对火星地表下含水量的分析方法、《太阳系》对类木行星大气层特点的分析与论述等。（3）比较系统地介绍了行星探测的历史、现状、未来以及方法和技术问题。阅览全书后，读者对深空探测的方法和技术将有全面的认识。（4）突出重点而又不失系统性。月球、金星、火星以及可能存在生命的木星的卫星欧罗巴、土星的卫星泰坦和土卫二是当前关注的热点，也是本书的重点。在强调这些热点问题的同时，也比较系统地介绍了类木行星和开珀带天体。（5）对行星的大气层、电离层和磁层进行了较详细的分析和论述。（6）充分考虑到不同类型读者的需求，阅读内容便于取舍。在每章的概述部分，比较全面地介绍了该天体的基本特征，对于从事深空探测的工程技术人员和科普爱好者，阅读这部分内容是容易的，而且也基本达到了全面了解各类天体基本特征的目的。而对于学生和与行星科学研究有关的学者，则可在此基础上深入阅读后面层层展开的内容。

该书可作为空间科学和天文学专业的教材，也可作为大学理科各类专业二年级以上学生的通选课教材，可供从事深空探测的工程技术人员参考，对广大科普爱好者也是一本很好的读物。

本书的火星大气层与电离层以及金星电离层部分由邹鸿编写，其他章节由焦维新编写。焦维新还选编了全书的图片，并对全书文字进行了统稿。

在编写本书过程中，参考了上述许多著作和 Science、Nature 等学术刊物的论文，特别是引用了这些文献中的大量图形，作者对这些书的编辑、作者表示衷心的感谢。

由于本书内容涉及面广，加之作者对一些问题的认识还比较肤浅，因此缺点甚至错误之处在所难免，希望读者批评指正。

焦维新邹鸿

2009年3月