数十年来，大量精彩的天文学研究发现和成果不断涌现，它们不但揭开很多让我们困惑已久的谜题，也不断地提醒我们科学研究的重要性和必要性，比如研究撞击坑、行星表面、系外行星、天体生物学、太阳物理学、彗星和行星大气的重要性，以及这些有趣的科学学科如何帮助科学家和公众更好地了解我们是如何追求地外生命的。

在这里，我们将深入研究行星地球物理，在帮助科学家更深入地了解太阳系和太阳系以外的方面所发挥的作用，包括好处和挑战，寻找地球以外的生命，以及即将到来的学生如何继续学习行星地球物理。那么，什么是行星地球物理学？为什么研究它如此重要？

蓝色大理石空间科学研究所的附属研究科学家马歇尔·斯蒂辛斯基（Marshall Styczinski）博士表示：“行星地球物理学是研究行星及其内容物如何随着时间的推移而表现和演变的。它本质上是对下面的研究，关注我们看不到的东西，以及它与我们可以看到和测量的东西之间的关系。大多数行星（包括地球）都隐藏在我们的视线之外 —— 地球物理学是我们如何在我们挖到的最深的地方了解地球的一切！”

顾名思义，地球物理学是一门了解地球和其他行星上地质过程背后的物理学的研究，重点是内部地质过程。这对于分化的行星体特别有用，这意味着它们有几个内层，这是由于较重的元素下沉到中心，而较轻的元素保持在离表面更近的位置。

例如，地球被分为地壳、地幔和地核，每一个都有自己的子层，了解这些内部过程有助于科学家拼凑出数十亿年前地球的样子，甚至可以预测遥远未来的地球环境。这些内部过程驱动了表面过程，包括火山活动和板块构造，这两者分别负责维持地球的温度和物质的循环。那么，研究行星地球物理学的好处和挑战是什么呢？

马歇尔·斯蒂辛斯基博士指出：“地球物理学为我们提供了确定行星（行星、卫星、小行星等）可见表面下存在什么的工具。这是我们了解我们看不见的东西的唯一方法！找出一颗行星的内部是什么，在什么条件下，比如每一层有多少压力和热量，有助于我们建立这颗行星的历史，并知道它将如何随着时间的推移而继续变化。”

相比之下，斯蒂辛斯基博士也强调了其中的挑战，他认为，即使是世界上最先进的实验室，也很难重现数百万年来发生的地质条件，因为它们在很长一段时间内缓慢移动。此外，他指出，有时需要粒子加速器来重现气态巨行星内部的极端条件，气态巨行星也有区别，尽管有气体层和液体层，而不是岩石层。

但是，地球并不是太阳系中唯一表现出分化的岩石世界，因为所有四颗岩石行星（水星、金星、地球和火星）都表现出某种形式的内部分层，这种分层发生在数十亿年前，尽管由于它们的大小规模较小。除了行星，整个太阳系的许多岩石卫星也表现出差异，包括木星的伽利略卫星、木卫一、木卫二、木卫三和木卫四，以及土星的几个卫星，包括土卫六、土卫二和土卫一。在这些卫星中，木卫二、土卫六和土卫二目前是天体生物学家的目标，因为木卫二和土卫二已经被证实拥有内部液态水海洋，而土卫六也提供了强有力的证据。此外，土卫六是唯一一颗拥有稠密大气层的卫星，像地球一样，它可能有内部地球物理的驱动。但是，行星地球物理学在寻找地球外生命方面能教给我们什么呢？

斯蒂辛斯基博士表示：“我们从对火星的研究中了解到，正如我们所知，行星表面可能对生命非常不利。如果我们能够在太阳系的其他地方，找到不是我们自己带到那里的生命，那么它可能会在地表下被发现，在那里它可以免受地表恶劣环境的影响。地球物理学为我们提供了计划地下探险的手段，也是在冰冷的卫星上寻找隐藏的液态水的唯一方法。这些是我们所知道的寻找地球以外生命的最佳地点。”

我们所知道的火星表面不适合生命的原因是它缺乏厚厚的大气层，而厚厚的大气层是阻止太阳风中的太阳带电粒子到达行星表面的原因。虽然火星曾经拥有强大的磁场，但斯蒂辛斯基博士指出，“一些研究人员认为磁场实际上可以剥离大气层”，同时指出，这“是一个激烈争论的话题”。火星曾经有一个更厚的大气层，在数十亿年的时间里，随着这颗红色星球内部的冷却，大气层和磁场一起消失了。

除了我们的太阳系，斯蒂辛斯基博士认为，行星地球物理学在帮助科学家更好地了解系外行星，特别是像我们这样的多行星系统方面也做得很好。虽然还没有对系外行星表面进行成像，但更好地了解太阳系内行星体的地球物理过程，有助于科学家深入了解这些过程如何在整个宇宙的行星上发生，包括磁场。

行星的磁场是由发生在其外核的内部过程驱动的，对地球来说，外核是由搅动的液态金属流体组成的，而内核是一个由压缩金属组成的实心球。当这个外核的流体搅动和循环时，它产生了电流，产生了巨大的磁场，将我们这个小小的蓝色世界包裹在一个气泡中，保护我们免受有害的太空天气的影响。地球磁场将带电粒子困在附近太空的辐射带中。磁场保护地球的方式可以在来自太阳的磁暴中看到，当磁层弯曲和屈伸时，将粒子从这些辐射带发送到接近北纬和南纬高纬度地区的地表。在那里，它们与地球的大气相互作用，产生了在阿拉斯加、北欧国家和南极洲经常能看到的令人惊叹的极光。

然而，虽然地球的磁场令人印象深刻，但太阳系中最大的行星木星也同样拥有最大的磁场，它的“尾巴”延伸到土星的轨道上，大约4亿英里。此外，木星、土星、天王星和海王星等气态行星产生磁场的内部过程可能与地球截然不同。因此，考虑到所有这些变量和过程，对于斯蒂辛斯基博士而言，在其职业生涯中研究过的行星地球物理学中，最令人兴奋的方面是什么呢？

斯蒂辛斯基博士表示：“我发现，行星地球物理学中最令人兴奋的部分，是使用不可见的磁场来探测地下海洋。当我认真思考它的时候，我仍然被它的运作方式所震撼。咸咸的海水部分地反射出它们暴露在母行星上的磁场，比如木星和它的卫星木卫二。我们利用这些测量数据，以及地球上的实验室研究和地球物理学来了解木卫二内部的物质层，从而计算出海洋的特性。这个过程的效果如此之好，这仍然让我感到惊讶。”

像大多数科学领域一样，行星地球物理学涵盖了无数的科学学科和背景，其目标是通过不断的合作和创新来回答宇宙中最棘手的问题。地球物理学是地质学和物理学的结合，但也结合了数学、化学、大气科学、地震学、矿物学和许多其他学科，目的是更好地了解地球和太阳系内外其他行星体的内部过程。因此，对于那些想要学习行星地球物理学的学生，斯蒂辛斯基博士有什么建议呢？

“进入地球物理学有很多途径，有很多不同的东西需要研究，也有很多不同的研究方法，”斯蒂辛斯基博士指出。“你过去的研究不需要特定于地球物理学，甚至不需要涉及地质学。也许你能做的最有成效的举动就是寻求帮助，尤其是向研究你感兴趣的话题的人寻求帮助。计算机编程技能是无价的。我推荐学习python —— 它是免费的，并且在科学领域被广泛使用。有许多教程可用，也是免费的。虽然不是所有的地球物理学都需要大量的编程，但我认为，所有的地球物理学家都将从这些技能中受益。”

在接下来的几年和几十年里，行星地球物理学将如何帮助我们更好地了解我们在宇宙中的位置？只有时间才能证明一切，这就是我们要科学的原因！

一如既往，继续做科学，继续向上看！

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