太阳系中存在的行星形态千奇百怪，总的来说分为气态巨行星和固态行星。气态巨行星顾名思义是不以岩石或其他固体为主要成分构成的行星，包括：木星、土星、天王星和海王星；而另一类以地球为代表的地表由岩石构成，也称作类地行星。这类行星中既有水星、金星、地球和火星这样的“太阳系八大行星”，又有月球、木卫一、土卫二、海卫一这样的行星卫星，还有冥王星、谷神星、鸟神星这样的太阳系矮行星。气态巨行星与固态行星在太阳系中的位置交相辉映，它们与太阳及其他太阳系小天体共同构成了我们这个神奇的阿波罗家园。
太阳系家园中为数众多的固态行星家族都有着坚硬的岩石圈层外壳包裹着“星核”。这些坚硬的岩石“甲壳“成为族群鲜明的特征，还将人类亲临地月系统以外世界的梦想变得不再遥不可及。如果太阳系中注入密度为3g/cm3的液体，那么气态巨行星将都漂浮在液体表面，而固态”甲壳星球“们将无一幸免沉入池底。
▲八大行星物理参数
这些固态行星或单独围绕太阳公转,或与其他行星组成卫星系统围绕较大行星运转。行星与其卫星、各卫星间形成天体引力系统，互相之间作用力甚至可以影响天体的形态演化。二十世纪70年代美国对木星和土星及其卫星开展探测的Voyager计划、90年代美国对木星及其卫星开展的Galileo探测计划、1997年美欧联合指对土星系开展的Cassini-Huygens探测计划，2006年发射的意在对冥王星及古柏带天体进行探测New Horizons号探测器都为人类进一步甚至重新认识太阳系中离地球较远的行星系提供了宝贵的科学观测数据及资料，从而使我们可以不再单一的依靠地基观测手段，更加直观的认识和了解这些行星系统的演化过程。
引力系统作用下的”甲壳星球“
地球、木卫一（Io）、土卫二（Enceladus）和海卫一（Triton）是太阳系中可以观测到表面有活跃火山活动的四颗固态行星。土卫二是土星第六大卫星，也是三个外层太阳系星体中观察到有火山喷发的星体之一。更重要的是，它的喷发物包含大量的水，许多专家相信这个卫星冰冷的表面下存在着一个液态海洋。而有水的地方，就可能存在生命。由于土卫二受土星系统潮汐力作用,其冰态外壳底部可能会被之一潮汐力拖曳产生大量热,所以这一区域很可能是与岩石固体幔层直接接触的液态海洋。与岩石圈层的直接接触可能引发很多类似于地球早期海底发生的化学反应，也预示着生命的存在可能性。与土卫二相邻的土卫三（Ganymede）是土星最大卫星，它的表面主要由硅酸盐和水冰组成，但是表面以下200千米被认为存在一个由盐水构成的海洋。土卫三受潮汐热作用，表面以下的某一地层保持足够的热量，从而促使液态水的形成。海卫一表面旅行者2号观测到了多个冰火山或正在喷发著液氮、灰尘或甲烷混合物的喷泉，这些喷泉可以达到8千米的高度。不像木卫一表面的火山，海卫一表面的火山活动可能不是潮汐作用造成的，而是季节性的太阳照射所造成的。地球内部热能主要来自放射性同位素衰变时所释放的能量。这些热能驱动地函对流，反过来导致板块构造和火山作用。木卫一内部热源主要来自木星的引力拖曳和散逸而造成的潮汐力作用，属于外部热化机制。外力使得卫星球体被拉伸积压，这一过程中产生的热量部分被储存在球体内部，部分热能通过火成作用向外释放。
冰态卫星是表面主要由冰体构成的卫星或小行星。由于同样受行星引力场作用，周期性的热能交换使冰态卫星的表面之下可能存在海洋，其中心还可能拥有一颗硅酸盐或金属质的岩石内核。这类卫星中的典型代表是木卫二（Europa）。这颗比月球略小的固态星球拥有一个含氧的薄薄的大气层。近来的研究结果表明在太阳成为红巨星后，木卫二很可能将承揽迎接地区生命因民的任务。正因如此这颗与木卫一、木卫四、木卫三、 土卫六和 海卫一同样具有大气层的卫星将受到人类的高度关注。
▲土卫二表面地貌主要以撞击坑和沟壑为主。（NASA/JPL）
木星潮汐力主导下的木卫一火山活动
木卫一由潮汐力作用所产生的热能，与它的轨道离心率、内部结构和物理状态有关。由于木星卫星系统，即：木卫一与木卫二、木卫三的运行轨道产生共振，使得离木星最近的木卫一的轨道维持近似圆形，防止了潮汐散逸。木卫一轨道离心率只有0.0041，导致木卫一表面处于受到木星引力拖曳的顶点方向上，在轨道近木星点和远木星点的潮汐隆起差异达到100米。潮汐力拖曳在木卫一内部壳层中产生摩擦力。摩擦所产生的热量导致内部物质的热化和溶化。内部热量主要通过火成活动向外释放，这些热量在木星系力学系统的作用下引起木卫一表面热流运动。目前观测到木卫一内部逃逸出的潮汐产生的热量大于理论估值，因此判断木卫一可能处于冷却状态，即：较大与较小潮汐形变周期过渡中。
▲木卫一表面火山喷发类型大致归纳为：不规则火山口、流体主导喷发和爆炸主导喷发。整个木卫一表面活跃火山分布范围广阔，可观测到较活跃大型火山数量大约为400座。
▲TupanPatera溶岩湖直径80km，四周是900米高的悬崖，湖内位桔红色的硫酸岩岛四周是黑色熔岩。溶岩湖不断向卫星表面释放硫化物
月球火成活动
不同于木卫一潮汐力引发的火成活动，月球火成活动主要受外部撞击和早期内部演化活动因素影响。深层热物质通过幔柱作用得以在表层释放，并最终通过冷却和下沉过程沉积在月海表层。内部热能处于不断衰减状态，且无外力提供继续产生新增热能的可能，所以月球火成活动并不像木卫一那样活跃且分布范围广。
▲月球莫斯科海撞击盆地区域中心底部表面覆盖有大量熔岩物质，深度可达1km。呈现明显的火成活动迹象。
土星潮汐力主导下的土卫二南极地区物质喷射现象
▲图像由卡西尼号深空探测器窄角相机于2005年11月27日距土卫二148000公里处拍摄得到（方位角161度）。图像经过特殊处理以凸显喷射物细节亮度，经光谱分析喷射物质为冰颗粒和水蒸汽，喷射过程由土-卫间潮汐力对岩石核拖曳作用中产生热量提供热流动力，由于卫星表面，冰层，冰下海洋和岩石圈层存在温度和压力差，海洋中的水或者冰层中的熔化物质通过冰层缝隙喷射到宇宙空间内。通过对喷射现象研究还可以研究土卫二表面有机化合物的成分和卫星表面的温度变化。不同于木卫一，土卫二表面冰层有大量撞击坑存在。说明冰层较厚足以抵消撞击带来的冲击和热量。除撞击坑外，卫星表面还存在大量蓝色条纹，显示冰层表面或次表层存在众多河流或液体运动通道。土卫二表面冰层或因土-卫系统潮汐力和与其它土星卫星间轨道共振效应变化差异而变化。
对比研究木卫一、月球这类固态行星，除了利用现有地基与深空探测遥感影像技术外，还可借助绕其飞行的轨道探测器及一个着陆探测器即对行星及其卫星之间潮汐力开展探测研究，或利用降落在卫星上的着陆器发射无线电信号直接开展卫星多普勒测量，研究其潮汐力变化周期。展开行星动力学系统研究对于了解太阳系行星及行星系统演化具有重要科学意义和探索价值。除表面火成活动这类地质演化研究外，土卫二和海卫一表面喷射现象的流体力学研究，及对于此类固态行星适宜生命存在条件的探测和研究势必还会成为未来深空探测领域热点。
作者：鲁暘筱懿, 行星物理博士。
