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1．行星科学及其研究的内容
行星科学是关于行星系统的科学。行星系统是围绕恒星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。太阳和它的行星系统，包括地球就是众所周知的太阳系。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、地质学/地球物理学、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物理学和化学特性、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；小行星、彗星与流星体；行星的形成与演化、比较行星学、太阳系的起源与演化。近年来，行星科学的研究还扩展到太阳系外行星。
太阳系是人类生存和发展的空间区域。作为宇宙中最高级的生物——人类，不仅要关心和解决当前所在地球上遇到的各种问题，还要考虑在宇宙中的永久生存和不断向外空扩展。实际上，这两方面的问题是相互联系的。例如，当前人类面临全球变化、资源短缺、自然灾害频繁等一系列问题。这些问题的认识和解决，不仅要了解地球空间环境，还要了解太阳的变化性和其他行星对这种变化的反应。而要了解地球长期的变化趋势，需要了解整个太阳系的演化过程，特别是类地行星的演化过程。
通过对行星起源、演化和物理状态的研究，能使人类更好地了解地球。这就是比较行星学的观念。若把地球从类地行星中孤立出来，则无法对我们自己这颗高度演化的、复杂的行星的起源和演化史做出合乎逻辑的理解。虽然其他行星也是复杂的，行星在大小和组成成分上彼此很不相同，并且有着不同的演化途径，但是，通过对它们的研究，可以使我们能直接看到不同的起始条件对于演化的影响。最终可以使我们能够建立起行星起源和演化的一般的和具体的模型。
地球比太阳系其他所有行星都要优越得多。这在很大程度上得益于地球具有适于生命的大气层。将来地球大气的命运如何？由于现代工业生产的发展，地球大气中的二氧化碳正在增加。这种污染会带来什么后果？这自然是有远见的科学家们极为关心的一件事。火星历史上有过比现在好得多的环境（有较厚的大气、有水），这对地球来说，自然是应该接受的教训。对类地行星探测所获得的知识，有助于认识地球的未来和应付人类所面临的挑战。
地球大气的臭氧层屏蔽了对生命有害的太阳紫外辐射。人们非常关心自己的活动对臭氧层会产生什么影响。火星上臭氧层已被少量水蒸气毁坏得差不多了；金星的臭氧层也少得不可察觉，毁坏的原因是氯“污染”。对类地行星臭氧层演化的研究，有助于提高地球臭氧层变化趋势的预报水平。
金星大气充满二氧化碳是行星被极端污染的例子。它是原先就有与众不同的气体呢，还是它沿着与地球不同的路径演化的结果？其实，地球所含的二氧化碳与金星一样多，只是不在大气中，而是储藏在动物骨骸所形成的灰石中。看来关键是金星太干燥，金星比地球得到更多的太阳辐射，使金星海水完全蒸发而进入大气，水汽再转换成氧和逸散的氢。如果这种观念是正确的，这就警告我们，行星的整个状态对微小的改变（在这是太阳热量）极为敏感。
2．当前关注的基本问题
美国航空与航天局（NASA）在2006年新制定的太阳系探索计划中，确定太阳系探索和研究的基本问题是：①太阳系的行星家族和小天体是怎样起源的？② 太阳系怎样演变到今天这种状态？③导致太阳系中生命起源的特征是什么？④ 地球上的生命是怎样起源和演变的，在太阳系其他天体中存在生命吗？⑤太阳系有哪些可以影响人类在太空扩展的灾害和资源？这5个问题也勾画出今后相当长时间内行星科学研究的框架。
上述5方面问题是具有战略性的问题，每个问题都可划分为多项具体目标。
问题1的具体目标是：①了解行星和卫星形成时的初始状态。这个目标的研究内容包括确定冥王星和开珀带天体的化学成分与物理特征；确定短周期彗星的化学成分和物理特征；分析原始流星体的化学成分；对行星形成的初始阶段进行理论模式和实验研究。②研究决定行星系统原始特征的过程。这个目标的研究内容包括：分析地球、月球、火星和小行星上的古代岩石；确定木星重力、磁场和深层大气的特征。
问题2的具体目标是：①确定怎样的相互作用过程使行星系统处于现在各异的状态。这个目标的研究内容包括多学科比较研究行星的大气层、表面、内部和卫星；比较研究地球、火星和金星的气候演变；比较研究月球和水星的目前状态并推断它们的演变过程；确定太阳系早期经历的撞击体通量。②了解类地行星为什么有如此大的差别。这个目标的研究内容包括研究金星大气层化学以及表面与大气层相互作用，研究化学、气象学和地球物理学。③ 从我们的太阳系中可以了解太阳系外行星系统的哪些特征。这个目标的研究内容包括详细地研究气体行星和它们的环系统；确定开珀带的结构。
问题3的具体目标是：①确定太阳系中挥发性和有机化合物的特征、历史和分布。这个目标的研究内容包括分析彗星的化学和同位素成分；确定木星水的丰度和深层大气成分；确定金星表面和大气层的化学和同位素成分；确定在土星的两颗卫星泰坦和土卫二（Enceladus）上有机物的分布。②确定金星表面海洋存在时期的证据。这个目标的研究内容包括寻找花岗岩和沉积岩石；分析含水硅酸盐和氧化铁的矿物成分；研究火山活动与气候变化的相互作用。③辨别在外太阳系的可居住区。内容包括表征土卫二的地热区；寻找泰坦上由火山产生和撞击产生的水热系统；证实欧罗巴上表面下海洋的存在并研究其特征；比较研究木星的四颗伽利略卫星。
问题4的具体目标是：①辨别在生物出现前的演变和生命出现时重要的化学源。研究内容包括彗星和开珀带天体的化学成分；研究泰坦表面的有机物沉积、表面与大气层相互作用。②寻找在欧罗巴、土卫二和泰坦上生命存在的证据。研究内容包括从欧罗巴表面下海洋中辨别和研究有机物沉积；研究最近活动区表面有机物的生物学标志特征；取样生物活动的地下通道（subvent）流体。③寻找火星和金星上过去存在生命的证据。研究内容包括研究金星样品以寻找生命的化学和结构特征；在火星可能存在生命的地区进行钻探取样探测。④研究地球的地质和生物学记录以确定地球和生物圈的历史关系。包括多学科研究早期地球的生物学过程；检验地球生物圈对地外事件响应的记录。
问题5的具体目标是：①确定可能造成撞击地球灾害的天体的源和动力学。研究内容包括辨别、建模和跟踪直径到1km的近地天体；了解在不同行星位置的撞击过程；了解撞击和有机物的外部供应/产生；研究撞击和灾变的关系。② 可以维持和保护人类探索的行星资源的数量和特征。研究内容包括确定月球极区和近地小行星的水资源；确定稀有金属的资源；评估潜在的长期资源。
行星科学研究的基本方法是探测（观测、监测）、理论分析和建模（包括计算机模拟）。而探测是最基本的方法，离开探测数据，对行星的研究只能是“纸上谈兵”。
根据探测仪器与探测目标的相对位置，可将探测分为就地探测与遥感探测。就地探测是让仪器的传感器与探测目标直接接触，如大气密度测量、电场与磁场测量等。在遥感探测方式中，仪器一般远离探测目标，仪器接收来自探测目标所发射的热辐射或电磁辐射。根据斯特藩定律，一个温度为 T 的物体在单位时间、单位面积上辐射的能量为
这里σ是常数。
根据探测仪器位置的不同，可将行星探测分为地面探测和航天器探测。
地面探测设备主要有光学望远镜和射电望远镜。地面探测的优势是可对目标天体进行长期连续的观测，因此可确定其轨道参数、估算大小和质量，通过谱分析可确定目标天体大气层的成分。光学观测历史悠久，对行星科学的发展做出了巨大贡献。光学望远镜可发现新的天体，如小行星、彗星、巨行星的卫星、开珀带天体，甚至还发现了大量太阳系外行星。结合一定理论，地面光学观测还可以确定天体的大小和质量。有些天体发出射电辐射，因此用射电望远镜可观测其射电辐射特征，并据此分析天体的有关物理和化学性质。地面观测的缺点是受天气变化和日夜交替的影响，无法获得天体表面细致结构的信息。
17世纪初，望远镜的诞生为行星及其卫星的物理研究提供了条件。虽然行星的视圆面很小，而且观测受到地球大气抖动等因素的影响，但用望远镜通过目视观测还是发现了行星表面的许多特征。19世纪中叶以后，照相术、测光术、光谱分析技术被广泛地应用到行星及其卫星的观测和研究中来。例如，用照相方法拍摄行星的照片、用测光方法测定行星和卫星的光度与相位的关系、反照率及表面的有效温度，用光谱仪测量行星的光谱，并进而确定行星大气的成分，根据谱线位移量测定行星的自转周期等。随后，偏振测量也被广泛地应用到行星物理研究方面，对行星表面不同部分所反射的光的偏振测量，对于了解行星表面结构和特性有十分重要的价值。20世纪上半叶，射电天文学诞生后，开始对行星进行射电观测，扩大了对行星及其卫星观测的波段。这种观测一类是直接接收行星和卫星表面发出的射电辐射，例如对行星而言，已经接收到的有水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星的射电辐射，其中木星、天王星、海王星还有射电爆发；另一类是雷达观测，用雷达方法可以测定和研究行星表面的特征，甚至可以测绘表面图。
航天器探测是深入研究行星物理化学特性的最有力方法。根据探测目标和目的，行星探测主要有以下几种方式：
（1）飞越（flyby）或掠过。一般是航天器没有将某一天体作为主要探测目标，而是在探测其他天体时“顺访”。此种方式只能对目标进行远距离拍照或遥感测量。
（2）环绕。航天器成为被探测天体的卫星，类似于地球空间探测情况。这种方式是基本探测方式。在飞船本身环绕行星运行时，还可以释放出大气层探测器，探测器一般用降落伞减速，在下降过程中测量大气层各种参数的空间分布。
（3）着陆。飞船本身或飞船释放出的着陆器在目标天体硬着陆或软着陆，以对天体的表面进行实地探测。着陆装置可以固定在着陆点，也可以是在行星表面运动的漫游车，还可以是一个规模较大的实验室。在人类探索太阳系的初期，因技术水平的限制，探测月球时采取了硬着陆的方式。现在的硬着陆方式则是在精心安排下对目标天体特殊地点的撞击，通过撞击可以了解彗核内部结构，可以了解月球极区的陨石坑中是否含有水。
（4）载人登陆。将航天员送到目标天体表面，并驾驶漫游车对天体进行实地探测。在此基础上，还可以在天体上建立长久观测基地。载人探测只对月球实现了，人类的下一个目标将是火星。
在大量观测数据的基础上，通过理论研究，建立起行星的大气层模式、内部结构模式、起源与演变模式等，并通过进一步的观测，对这些模式加以补充和修正，使人们对行星物理化学性质的认识不断深入。
太阳系中各类天体的大小差别很大，测量天体大小的方式有以下几种：
（1）天体的直径是从观测者所测量到的张角（用弧度表示）和距离的乘积。距离可根据轨道计算，测量精度主要取决于角度大小的不确定性。
（2）掩星法。当观测待测天体遮掩恒星时，通过轨道数据计算恒星相对于掩体的角速度，此时要考虑地球的轨道和旋转效应。于是，在一个特殊观测点得到的掩星间隔可以得到天体投影轮廓的弦长。三个分离的弦长足以满足一个球面。如果天体形状不规则，需要测量多个弦长，从多颗大间隔的望远镜对同一事件进行观测。这个技术特别适用于小天体，如小行星和卫星，因为这类天体不能由地基望远镜分辨出。
（3）雷达观测。雷达回波可用于确定天体的半径和形状。雷达信号强度与距离的四次方成反比，只有相对靠近的天体才能用雷达观测。雷达特别适用于观测固态天体，如小行星和彗星的核。
（4）着陆器与轨道器配合。测量一个天体半径最好的方法是向该天体发射着陆器和轨道器，利用三角法进行测量。这个方法以及雷达技术对具有大气层的类地行星和卫星也非常适合。
（5）光谱观测。用光度计在可见光和红外波长观测，可得到天体的大小和反照率。在可见光波长，测量天体的反射光，在红外波长，观测来自天体本身的热辐射。
可通过测量待测天体对其他天体的引力确定质量。
（1）月球的轨道。自然卫星的轨道周期连同万有引力定律和开普勒定律可用于确定天体的质量。直接测量结果是行星和卫星的质量和，但除了冥王星与卡绒、地球和月球系统之外，其他行星的卫星的质量远小于行星的质量。这个方法的主要不确定性是轨道半主轴的测量误差。
（2）轨道扰动法。对于没有月亮的行星，可以测量该行星的引力对其他行星轨道的扰动。由于距离太大，引力太弱，这个方法的精度不高。注意，海王星的发现就是因为它的引力作用扰动了天王星的轨道。这个技术目前仍用于估计比较大的小行星的质量。扰动方法可划分为两类：短期和长期扰动。
获得天体表面成分的方法包括：
（1）分析来自天体表面的反射光谱。在地球上也可以进行光谱观测，但对于紫外波段，由于大气层存在强列的吸收，因此需要在大气层以上的高度测量。
（2）分析来自天体表面的热红外谱。这些测量数据含有天体成分的信息。
（3）雷达观测。这种观测方式可以在地面进行，也可以在卫星上进行。
（4）测量X射线和γ射线荧光。如果该天体缺乏足够的大气层，这些测量需要在围绕待测天体做轨道飞行的飞船上进行，也可以在飞越飞船上进行。详细测量需要探测器在天体表面软着陆，然后用仪器进行实地测量，最好是漫游器，这样可以探测更大的范围。
（5）对表面取样进行化学分析。样品可以是来自该天体的陨石，也可以是来自取样飞船。此外，还可以利用漫游器所携带的质谱仪等仪器进行实地分析。
各类天体的表面结构变化很大，确定行星表面结构的方法有：
（1）大尺度结构可通过可见光与红外成像的方法确定，也可以利用雷达成像技术。
（2）小尺度结构可通过雷达回波亮度和反射率随观测角的变化获得。