记录《Astronomy Today》英文原版的学习笔记，更像是读书笔记，暂时没有好好排版
六、太阳系
6.1 太阳系成员
古代希腊和其他地方的天文学家都意识到了太阳、月球、金星（Venus）、木星（Jupiter）、水星（Mercury）、火星（Mars）、土星（Saturn）以及彗星（Comet）和流星（Meteor）的存在，但是并不清楚他们在这个大系统中扮演的角色。
自17世纪伽利略使用望远镜观测以来，科学技术的进步推动着我们对太阳系的认识的进步，天文学家在1659年发现了土星环，1781年发现了天王星（Uranus），1846年发现了海王星（Neptune）。到现在，我们已知的太阳系包含了1颗恒星(太阳)，8颗行星，围绕这些行星运行的169颗卫星(最新统计)，八颗小行星以及100多个直径超过300km的柯伊伯带天体（Kuiper belt objects），数万个较小的(但研究得很充分的)小行星和柯伊伯带天体，无数直径及千米的彗星，比无数小于100m的流星体（meteoroids）。
为了更好的理解行星演化和形成的条件，我们会比较和对比不同的行星，也就是比较行星学（comparative planetology）。
6.2 测量行星
我们如今已经拥有了太阳系内行星以及其他天体的各种数据，我们是通过以下方式获得的。
1.行星-太阳距离：开普勒定律获得以AU为单位的相对值，并通过雷达对金星测距得出绝对值。
2.行星的恒星轨道周期：观察其在天空中重复位置所花的时间，并将地球绕太阳的运动考虑进去。
3.行星直径：测量从地球看过去的角直径，并用简单的几何计算得出。
4.行星质量：有卫星的行星可以观测其卫星轨道，并通过牛顿运动定律和引力定律计算；像水星和金星这样没有卫星的行星，质量测量较为复杂，需要通过它们对其他天体的引力来计算。如今太阳系内行星质量的计算都已通过绕其环绕的人造卫星精确得出。
5.行星自转周期：通过观察行星表面特征点的旋转周期测量。
6.3 太阳系的布局
从太阳依次往外分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，地球绕太阳轨道半径为1AU，海王星外的柯依伯带（Kuiper belt）绕太阳的轨道半径达50AU，行星轨道的间距并不均匀，越向外，行星轨道间距越远，除了水星椭圆轨道的离心率大一些外，其他行星绕太阳的椭圆轨道都十分接近圆。从地球北极上方看，所有的行星都绕着太阳逆时针旋转，几乎与地球在同一个平面上(黄道平面)。水星的轨道有些偏离这个平面，它的轨道平面与黄道平面夹角为7°，尽管如此，太阳系仍然十分平坦。
6.4 类地行星和类木行星
尽管八大行星各有不同的特点，但大体可以分为两大类：类地行星（terrestrial planets）和类木行星（jovian planets）
在我们的太阳系内，距太阳1.5AU以内的4颗行星：水星、金星、地球、火星为类地行星，它们都很小，质量也相对低（八大行星里地球的密度最大），都有岩石组成和固体表面。
靠外的4颗行星：木星、土星、天王星、海王星为类木行星，它们比里面的几颗行星都要大（八大行星里木星体积和质量最大），没有固体表面，外层主要由较轻的气体氢气和氦气组成。
4个类地行星有一些基本的差异：
1.四个类地行星都有大气层，但水星大气层几乎接近真空，金星大气高温而致密。
2.只有地球大气有氧气，只有地球表面有液态水。
3.四个类地行星表面条件各不相同，水星表面贫瘠，坑坑洼洼，金星表面火山活动分布广泛。
4.地球和火星自转需要24地球时，而水星和金星自转一圈需要1个地球月，并且金星自转方向与其他行星相反。
5.地球和火星都有卫星，水星和金星没有。
6.地球和水星都有可测量的磁场，金星和火星没有。
类地行星和类木行星的一些比较：
1.类地行星彼此相距较近，而类木行星彼此相距较远，分布较广
2.类地行星小，密度大，由岩石组成；类木行星大，气态，并包含大量内行星稀有的氢气和氦气。
3.类地行星有固体表面；类木行星没有(它们稠密的大气层随着深度的增加而变厚，最终与液体内部融合)
4.类地行星即便有磁场，磁场也很弱；类木行星都有很强的磁场。
5.所有四个类木行星都被认为含有大而致密的“类地”核心，质量是地球的10到15倍。离太阳越来越远，这些核心在每颗行星的总质量中所占的比例越大。
6.所有类地行星加起来只有3颗卫星，而类木行星的卫星有很多。
7.所有类木行星都有环，而类地行星没有
6.5 行星际物质
在太阳系中，还分布着无数由岩石和冰组成的星际物质，包括小行星（asteroids）、彗星（comets）、流星体（meteoroids）和星际尘埃（interplanetary dust）。星际尘埃由天体碰撞产生，容易被太阳风（solar wind，来自太阳的高能带电粒子流）扩散，并且不容易被可见光波段探测到，更容易在红外波段探测到。小行星和流星体都有岩石组成，二者其实只是尺寸不同，直径超过100m的称为小行星，不超过100m的称为流星体，它们的很多组成物质从太阳系早期到现在几乎没有变过，因此对研究太阳系的演化等很有帮助，并且它们落到地球表面成为的陨石（meteorites）也相对易于获取研究。彗星由冰组成，和太阳系外层行星的冰卫星很像，直径从几公里到几十公里都有，彗星的成分比小行星和流行更为古老，但由于其冰的组成成分使其无法在经过大气层后落到地球表面。
在比海王星更远处，是柯伊柏带，一条由冰、类彗星天体组成的外层小行星带，曾被认为是行星的冥王星（Pluto）也在其中。
6.6 太阳系是怎么形成的
关于太阳系形成的理论需要依附于观测事实，以下是太阳系的几个已知的事实：
1.每颗行星在太空中都是相对孤立的。
2.行星轨道都接近圆。
3.行星轨道几乎在同一平面。
4.行星绕轨道运动的方向相同，且和太阳自转方向一致。其实太阳系内大尺寸天体的运动方向都一致，且几乎在同一平面（太阳赤道），并绕同一轴（太阳自转轴）。
5.我们的行星系统高度分化，类地行星和类木行星的差异很大。
6.小行星很古老，特点与行星和它们的卫星都不相同。
7.柯伊柏带是小行星尺寸冰冻天体的集合之地。
8.奥尔特云彗星距离太阳很远，并且轨道不在黄道平面。（奥尔特云（Oort cloud）是太阳系外一个完全不同的部分）
最早的日心说模型下的太阳系形成理论可以追溯到法国哲学家勒内·笛卡尔（René Descartes），想象存在一大片星际尘埃和气体云(称为星云，nebula)横跨一光年左右，现在假设，由于一些外部影响，比如与另一个星际云的碰撞或附近一颗恒星的爆炸，星云在自身引力的影响下开始收缩，随着它的收缩，它的密度越来越大，温度越来越高，最终在它的中心形成一颗恒星——太阳，笛卡儿认为，太阳是在气体云炽热的核心形成的，而行星及其卫星是在气体云较冷的外围区域形成的，换句话说，行星是恒星形成过程的副产品。1796年，法国数学家、天文学家皮埃尔西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）以更量化的方式发展了笛卡儿的思想，他指出根据角动量守恒，星云收缩的过程中尺寸减小，速度就会变快，最后变扁，形成一个薄饼状的原始太阳系，注定要成为我们太阳系的旋转物质通常被称为太阳星云（solar nebula）。这个假设能够很好的符合上述已知事实的前4个，行星是由这样一个圆盘形成的这种观点被称为星云理论（nebular theory）。天文学家确信太阳星云形成了这样一个圆盘，因为我们在其他恒星周围看到了类似的圆盘。
但现在计算机模拟的结果与星云理论相反：气体团倾向于发散而不是收缩。现在更为天文学家广泛接受的是基于星云理论的凝聚理论（condensation theory）。该理论的关键在于尘埃颗粒，尘埃颗粒在气体云的演化中起着两个重要的作用。首先，尘埃以红外辐射的形式有效地将热量散发出去，从而有助于冷却温暖的物质。随着云的冷却，分子移动变慢，内部压力降低，使星云在重力的影响下更容易坍塌。第二，通过充当凝结核（其他原子可以附着的微观平台），形成越来越大的物质球，尘埃颗粒大大加快了收集足够的原子以形成行星的过程。这与地球大气中雨滴的形成方式类似：空气中的灰尘和烟灰充当了水分子聚集的凝结核。
凝结核的形成大大加速了第一批小物质团块的形成，随着表面积的增大更容易吸附其他物质，团块的尺寸也在加速增大。模拟表明，也许在短短10万年的时间里，吸积就产生了几百公里大小的小天体，这些天体被称为星子（planetesimals）。星子的引力已经强大到足以把原本不会与它们相撞的物质卷走，它们的生长速度也加快了，使它们能够形成更大的物体。由于更大的物体有更强的引力，最终几乎所有的原始物质都被卷走，形成了几个大的原行星（protoplanets），最终它们会演变成我们今天的行星，基于此假设的计算机模拟通常都能重现行星的近似圆形轨道，以及随着我们远离太阳而增加的轨道间距。
原始的太阳系在重力的影响下收缩，它在变平成圆盘的过程中升温。中心附近的密度和温度最大，外围则低得多。随着尘埃星云散发出热量，除了太阳形成的核心外，其他地方的温度都在下降。随着气体冷却，新的尘埃颗粒开始凝结(或结晶)出来。在最内层的区域，即水星当前轨道周围，只能形成金属颗粒；距离中心大约1AU的距离，可能形成岩石和硅酸盐颗粒。在大约3或4AU以外，水冰可能存在，在离太阳越来越远的地方，可能会有越来越多的物质凝结。在原始太阳系的内部区域，当平均温度约1000 K时，气体开始凝结成固体。许多更丰富的重元素，如硅、铁、镁和铝，与氧结合产生各种各样的岩石物质，因此，太阳系内部的尘埃颗粒本质上主要是岩石或金属，它们最终形成的原行星和行星也是如此。在原始行星系统的中部和外部区域，距离中心约5AU的地方，温度低到足以使几种丰富的气体——水(H2O)、氨(NH3)和甲烷(CH4)——凝结成固体形式。在氢(H)和氦(He)之后，碳(C)、氮(N)和氧(O)是宇宙中最常见的物质，因此在任何可能形成冰粒的地方，它们的数量都大大超过了在同一位置从太阳星云中凝结出来的岩石和金属颗粒。在这些距离上形成的天体是在寒冷的条件下由低密度的冰质物质形成的。这些原始的碎片最终会形成类木行星的核心。
6.7 类木行星和行星碎片
类木行星形成的两大理论：
核心吸积理论（core-accretion theory）：由于有大量的冰粒作为原料，太阳系外围的原行星生长迅速，很快就变得足够大，它们强大的引力场可以直接从太阳星云中捕获大量的气体，这四个原行星演变成类木行星的核心，捕获的气体就是它们现在的大气层，而较小的靠内的原行星则不会到达这个阶段。
但是最近天文学家发现星云盘的气体会被不断向外吹走，留给外层原行星捕获气体的时间只有几十万年，不足以使它们称为现在的巨行星。
引力不稳定性理论（gravitational instability theory）：类木原行星直接从星云气体中形成，跳过了最初的凝聚和吸积阶段
核心吸积理论预测的类木行星的核心质量要大得多——是地球的20倍，未来太空任务对木星内部的详细测量可以解决这个争论。
类木行星很可能是从更外的轨道向内迁移过来的，行星迁移的想法从20世纪80年代中期就开始了，当时理论家们意识到，大质量行星和它们所在星云之间的摩擦会导致这种向内漂移。1999年伽利略号的科学家发现木星大气中存在的氮、氩、氪和氙等气体的浓度比预期高得多，而这些气体在木星当前轨道的温度不可能存在，很有可能是之前从更外围轨道形成的，甚至很可能是现在的柯伊伯带。
这些事件发生的时间只有几百万年，对太阳45亿年的历史来说只是一瞬，内太阳系的吸积过程更为缓慢，大约需要1亿年才能形成我们今天所知道的类地行星。岩石小行星和冰冷的彗星是最初从太阳星云中凝聚出来的物质的全部残余。
内太阳系中逃脱了类地行星捕获的小行星碎片在类地行星的引力弹弓下最终被推进到火星轨道之外，火星和木星之间的小行星带中无数的岩石未能积聚成一颗行星，可能是附近木星巨大的引力场导致它们碰撞的破坏性太大，无法合并，但仍不断碰撞。外太阳系的小行星碎片则在类木行星的引力弹弓下向更远推去，形成现在的奥尔特云，一些原始的星子留在了后面，形成了被称为柯伊伯带的宽带，柯伊伯带的天体有1200多个，直径从50公里到2000公里以上不等，它们的存在有力地支持了行星形成的凝结理论。
关于内行星形成的凝结理论，一个长期存在的难题是地球和其他地方的水和其他挥发性气体的起源，内行星形成时，它们的表面温度太高，重力太低，无法捕获或保留这些气体，因此这些水和气体很可能是从外太阳系的彗星上带来的。
七、地球
7.1 行星地球的整体结构
沿着地球半径方向，地球可以分为六个主要区域，由外向内分别是：地球磁层（magnetosphere）、大气层（atmosphere）、地表（包含地壳（crust）和水圈（hydrosphere））、地幔（mantle）、外核（Outer core）、内核（Inner core）。
7.2 地球大气层
地球上的空气由主要由78%的N2（nitrogen）、21%的O2（oxygen）、0.9%的Ar（argon）、0.03%的CO2（carbon dioxide）和0.1%到3%的水蒸气组成（水的占比与地区和气候有关）。
海拔越高，大气越稀薄。
【对流层】（troposphere）：海拔12km以下的大气层，由于地表温度更高，下方空气的温度高于上方空气，下方空气密度降低，向上移动，上方空气向下移动，形成对流（Convection），产生对流层。
【平流层】（stratosphere）：海拔12km到50km的大气层。
【中间层】（mesosphere）：海拔50km到80km的大气层。
【电离层】（ionosphere）：海拔80km以上的大气层，此处的大气被太阳较高能量的辐射电离，分子被电离成原子原子被电离成离子，自由电子使得该区域有很强的导电性，并能反射特定波段的电磁波，AM波段的无线电远距离传输就是基于此实现的。
在海拔约25km处的平流层中，存在着臭氧层，可以吸收来自太阳的紫外线，对包括人类在内的许多地球生物十分重要。
在理想情况，来自太阳的可见光和近红外光会穿过地球大气层到达地面，地球会辐射一部分能量出去，并会在250 K (−23°C)的温度下达到平衡。但由于地球大气中的水分子和二氧化碳分子能够高效地吸收红外光，导致地球向外辐射的红外波段电磁波被阻拦，使地球温度上升，也就是我们熟知的温室效应（greenhouse effect），该效应使地球温度升高了40 K (40°C)。温室效应的程度取决于温室气体（greenhouse gases），水蒸气和二氧化碳都是温室气体，其他温室气体（如甲烷，methane）也会影响但由于量少所以影响较小。
地球大气的起源：地球大气最早由早期太阳系的大气组成，包括氢气、氦气、甲烷、氨气和水蒸气氢气和氦气这种较轻的气体会在地球形成的几亿年里飘向太空，接着由于火山活动地球产生了次生大气（secondary atmosphere），火山气体包含水蒸气、甲烷、二氧化碳、二氧化硫和含氮化合物，太阳紫外辐射将较轻的富氢气体分裂成它们的组成原子，使氢逸出，并从与其他元素的化学键中释放出大部分氮，随着地表温度下降，水蒸气冷凝形成海洋，许多CO2和SO2溶解在海洋里或形成岩石，氧很活跃，使得早期出现的游离氧在形成后很快被结合走，一个主要由氮气组成的大气层慢慢出现，35亿年前生命在海洋出现，产生氧气，大气慢慢形成臭氧层，臭氧层阻挡了紫外线使生命得以在陆地生存并繁盛。
7.3 地球内部
即使使用已知最坚硬的材料金刚石作为钻头，也只能钻到地表10km，对地球6400km的半径来说杯水车薪，但我们有其他方式探索地球内部。
地震产生的波并非随机，而是系统性的，从地震处向外移动，称为地震波（seismic waves），像其他波一样，地震波也携带信息，能够被地震仪（seismograph）检测和记录。
【初级波】（primary waves，P-waves）：从震源首先到达远处监测点的地震波，是一种压力波（pressure waves），也是一种纵波，可以在固体和液体中传播，速度为5-到6km/s
【次级波】（secondary waves，S-waves）：从震源随后到达远处监测点的地震波，是一种剪切波（shear waves），也是一种横波，只能在固体中传播（在液体中被吸收），速度为3到4km/s
地震波的速度取决于穿过介质的密度，因此可以通过检测地震波的速度来判断介质的密度，波速会随着深度增加而增加，由于地球内部密度和温度不同，波在传播过程中会发生弯曲。通过监测震源产生的初级波和次级波在地球上的分布情况，大部分的地质学家认为次级波被地球的液体核吸收，初级波在地球核边缘发生折射，并且产生了初级波和次级波都无法到达的阴影区域（shadow zones），根据阴影区域的尺寸可以计算地球核心的半径是3500km，也就是地球外核的半径，实际上在阴影区域内也能检测到微弱的初级波，是内核折射的结果，可以计算出内核半径为1300km。
地球地壳厚度仅有15km，地幔厚度有3000km，越往深处，密度越高且温度越高，密度从3000 kg/m3到超过12000 kg/m3，温度从300K以下到5000K以上。地幔到外核的密度是剧增的，是由于二者边界线两边区域的物质的差异，地幔的主要成分是硅氧化合物的岩石，而外核存在许多如铁镍等更高密度的金属元素，外核到内核的过渡基本没有成分的差别，只是液态和固态的差别。
尽管无法钻入超过10km的深度，我们可以通过火山喷发获得部分地幔物质，上层地幔物质为铁镁硅酸盐的混合物玄武岩（basalt），比含有更多如硅铝等轻元素的花岗岩的密度稍大，这也是地壳“浮”在地幔上的原因。
为什么地球不是密度均匀的球体，而是有着分层的结构，并且核心温度如此之高，与太阳表面温度接近：随着早期地球的生长，地球引力吸引越来越多的物质撞向地球，这个过程使地球不断升温，那时地球整体或部分都已经融化，重的物质沉到深处，轻的物质浮到表面，随后冷却凝固，形成了如今的分层结构。地球表面变为固体后仍受到天体碎片的轰炸，但在水和风的侵蚀下已经几乎看不到这些痕迹，但在月球表面仍保存着大量撞击的痕迹。第二个加热地球的过程是放射现象（radioactivity），地球存在许多铀、钍、钚等放射性元素，它们的重核衰变产生了很高的温度，岩石导热性差使得这些热量长期存在于地球内部。
放射性物质剩余量=(1/2)^(t/T)，t为经过的时间，T为该物质半衰期。
铀-235的半衰期是7.13亿年，铀-238的半衰期是45亿年，它们对地质学家很重要，因为后者半衰期与太阳系年龄接近。
7.4 表面活动
火山和地震是地球表面两大地质活动。
1912年，一位名叫阿尔弗雷德·韦格纳的德国气象学家发现大西洋两岸的大陆十分吻合，首次提出了大陆漂移（Continental Drift）的观点，开始他的想法并不受支持，但后来通过现代设备的精确观测（实际上是通过对遥远天体的观测），证实了他的观点，被称为板块构造学（plate tectonics），如今大陆也在以每年几厘米的距离漂移，板块漂移产生板块之间的碰撞会形成山脉或深海沟。造成板块漂移的原因是对流，对流主要发生在软流圈（asthenosphere），和大气中的对流原理相似，热物质在冷物质下面，高温地幔岩石上升，低温的物质向下移动，对流产生的循环圈使板块移动。
7.5 地球磁层
磁层（magnetosphere）是行星周围受行星磁场影响的区域，地球的南北磁极并非固定不动，而是以每年10km的速度移动着，南北磁极也并不对称，北磁极在北纬80度，南磁极在南纬60度。
地球的磁层包含两个甜甜圈状的高能带电粒子区，一个最远距地球表面3000km，另一个最远距地球表面20000km，这些区域被命名为范艾伦带（Van Allen belts）。构成范艾伦带的粒子起来源于从太阳吹来的稳定带电粒子流——太阳风，太阳风中的中性粒子和电磁辐射不会受到地球磁场的影响，但带电粒子会被影响（主要是质子和电子），磁场对运动的带电粒子作用力，使其绕磁场线旋转，范艾伦带的外层主要是电子，更重的电子分布在了内层。范艾伦带对地球生命有着重要的保护作用，磁层抵挡着大量高速且有害的带电粒子的轰击。
范艾伦带的粒子经常从地球南北磁极附近的磁层逃逸，在那里磁力线与大气相交，它们与大气分子的碰撞会产生壮观的极光（aurora），大气分子在与带电粒子碰撞时被激发，回落到它们的基态时就会发出可见光，通常发生在高纬度地区。
地球磁场的形成并非是由于有一块巨大的磁铁在地球内部，地质学家普遍认为，地球磁场并非永久存在，而是由地球内核产生并只在地球自转时才存在。像发电机一样，地球磁场是由地球深处旋转的导电液态金属地核产生的，并通过地球自转而使磁场持续，该理论被称为发电机理论（dynamo theory）。
7.6 潮汐
潮汐的形成是由于月球和太阳对地球产生的引力影响，为了简化，我们可以主要考虑月球的影响。月球对地球的引力使地球表面的海洋从球面被近乎拉成椭球，产生潮汐隆起（tidal bulge），使海洋的深度发生变化，在地球的自转下形成周期性的潮汐现象。月球对地球的这种引力也被称为潮汐力（tidal force），潮汐力随着距离增加会迅速减小（反比于距离的立方），意味着一个物体需要在很近的距离或拥有很大的质量才能对另一个物体产生较明显的潮汐效应。
在靠近月球和远离月球的地球表面的海洋都会隆起，只有中间的会稍低，因此地球任何一处的涨潮每天都会发生2次。太阳对地球的潮汐影响也不小，是月球潮汐影响的一半，当太阳、月球、地球位于同一直线时，引力效应相互加强，所以潮汐的高潮通常出现在新月和满月的时候，这时的潮汐被称为春潮（spring tides）；当地月连线和地日连线垂直时，潮汐最小，被称为小潮（neap tides）。
地球自转的恒星日是23h56min，但是，通过化石测定我们发现地球自转正在变慢，导致每100年一天的长度会增加1.5ms，5亿年前，一天只有22小时，一年有397天。地球自转变慢是由于潮汐效应引起的，由于地壳和海洋之间以及地球内部摩擦的影响，地球的自转往往会拖着潮汐隆起，导致海洋隆起会沿地球自转方向与地月连线偏移一个小角度，月球引力对这个略微偏移的凸起会降低地球的自转速度，与此同时，月球正缓慢远离地球，地月平均距离每年增加约4厘米。这个过程将持续数十亿年，直到地球自转速度与月球绕地球公转速度相同。
八、月球和水星
8.1 轨道特性
月球距离地球平均距离为38400km，如今的技术可将该距离精确至几厘米。
水星轨道半长轴为0.4AU，这意味着在地球上看它与太阳的角距离永远不会超过28°，因此只有在黎明前或日落后阳光较弱时才能用肉眼看到，因为地球以每小时15度的速度自转，使得水星在任何一个夜晚最多也只能被看到2个小时，只有一些大型的望远镜可以在白天也观察到。
8.2 物理特性
月球半径为1738km，约为1/4地球半径，水星半径为2440km，约为0.38倍地球半径；
月球质量为7.3×10^22 kg，约为1/8地球质量，水星质量为3.3×10^23 kg，约为0.55倍地球质量；
月球密度为3300 kg/m3，比地球的密度5500kg/m3要少，暗示月球有更少的重元素，水星密度为5400kg/m3，与地球密度接近，如果水星表面岩石密度和地球表面密度接近，由于水星质量比地球小，上层包覆产生的挤压力更小，因此水星的核心很可能比我们地球的核心所含的质量要大得多。
水星和月球上都未发现有明显的大气层，这和二者的质量较轻有关，大气很容易在它们的低引力下逃逸至太空。实际上月球和水星上有极其稀薄的大气，仅为地球大气密度的万亿分之一，构成不了有保护能力的大气层。由于缺少大气层，月球和水星表面昼夜温差很大。正午时月球最高可达400K，水星可达700K，而在夜晚，两个星球的温度都会降到约100K，水星的600K的昼夜温差是太阳系中所有行星和卫星里最大的。
8.3 月球和水星的表面特征
观察月球表面能看到一些较亮的区域和较暗的区域，较暗的区域称为月海（mare，复数是maria，尽管不是真正的海），较亮的区域称为月陆（terrae），月陆比月海要高几千米，因此月陆也被称为月球高地（lunar highlands），月球表面遍布着环形山，是陨石撞击的结果，在月球高地上更为普遍，根据阿波罗号宇航员和苏联无人着陆器从月球表面带来的样本来看，高地比月海拥有更多富含铝的岩石，更亮，密度更小（2900 kg/m3），月海的岩石则拥有更多的铁，更暗，密度更大（3100 kg/m3）。不严谨的说，月陆代表着月球地壳，月海则代表月球地幔，月海的岩石与玄武岩相似，月海相较月陆更为年轻。
水星的陨石坑表面与月球的高地非常相似，然而，水星上的环形山比月球上的环形山密度要小，环形山之间宽阔平缓的平原覆盖了水星表面的40%，它们形成于不到40亿年前，像月海一样，水星也有许多较为光滑的平原，但不像月海和月陆那样颜色差异明显，水星大部分光滑的平原是在陨石坑间平原形成后数亿年形成的。
8.4 旋转速度
月球绕地球的公转速度与其自转速度相同（27.3天），因此月球有一面始终面向地球，在月球上看地球会发现地球永远在同一位置，这种现象被称为潮汐锁定（tidally locked），这种自转公转速度一致的情况被称为处于同步轨道（synchronous orbit）。实际上，月球的潮汐隆起很大，如今地球对月球的潮汐力无法达到这样的效果，很可能是在很久之前月球轨道离地球更近，地球对月球潮汐力更大时产生的，由此产生的扭曲可能在月球凝固时“凝固”，从而延续到今天，同时加速了月球轨道的同步。
水星自转的测量不那么容易，很长一段时间科学家都认为水星和月球一样自转周期和公转周期一致，后来经过更精确的测量才发现并非如此，公转周期为88地球日，自转周期为56地球日，因为每两圈公转正好有三圈自转，所以我们说水星的自旋轨道共振（spin–orbit resonance）是3：2，月球的自旋轨道共振为1：1。
水星不能进入1:1共振，因为它围绕太阳的轨道是更接近椭圆的，水星在远日点和近日点的速度差异较大，公转速度的较大变化导致其无法与其自转速度保持一致，潮汐力的作用总是趋向于将天体的自转与公转速度相同，水星在近日点处的潮汐力更大，因此它在近日点自转与公转是同步的，即使水星在两次近日点之间只自转了180°，潮汐隆起的外观每次也都是一样的。
太阳的潮汐影响也使水星的旋转轴与轨道平面完全垂直，使得水星赤道温度很高，在近日点该处温度能够高达700K，也使得两极温度很低，可以低至125K。
8.5 月球陨石坑和月球表面成分
在水和风的侵蚀下，地球表面与远古时期大不相同，而月球截然相反，没有水风侵蚀，没有板块运动和地震活动，月球表面几乎保留了它形成时期的样子。
月球多坑的表面是由于流星体形式的行星际碎片的撞击，这种撞击在地球上在大气层的保护作用下会形成流星，月球没有大气层，无法抵御这种冲击，流星体撞击月球的速度通常为每秒几公里，在这样的速度下，即使是一小块物质携带着巨大的能量，行星体的突然撞击加热了原本脆弱的岩石，随后的爆炸将之前平坦的岩层向上和向外推，形成陨石坑，陨石坑的直径通常是进入的流星体直径的10倍，深度约是流星体直径的两倍，并且大的陨石坑更少，小的陨石坑更多。天文学家根据月球岩石估算陨石坑年龄，发现40亿年前月球遭受了长时间的陨石撞击，这为凝结理论提供了证据，并且很可能是整个太阳系都在遭受陨石的轰击。
流星体与月球的碰撞形成了月球尘埃（lunar dust），或称为风化层（regolith），它覆盖了月球地表，平均深度约为20米，这种微尘的粒径约为0.01毫米。风化层在低地最薄(10米)，在高地最厚(有些地方深度超过100米)。
根据月球探测器结果，月球两极存在极少量的冰。月球上曾有过火山活动。
8.6 水星的表面
和月球一样，水星上的陨石坑也是流星体撞击的结果，不同的是，水星的撞击坑更浅，并且由于水星的重力更大，撞击后散射的物质也离撞击坑更近。水星上的陨石坑相对较少，主流的解释是水星上的火星活动填满了较早的陨石坑。
水星上存在月球上没有的两种表面特征，陡坡（scarp）和凹坑（hollow），水星上的悬崖横跨数个撞击坑，意味着它是在40亿年前的大撞击之后形成的。没有证据显示水星存在类似地球板块运动的地壳运动现象，那些陡坡很可能是很久以前水星内部冷却和收缩时形成的。水星上的凹坑小而浅、形状不规则，通常出现在陨石坑中心附近，它们并非由撞击直接产生的，而是间接产生的，科学家推测流星体撞击后挖出了一些物质冰将其暴露在了严酷的环境下并变得不稳定，强烈的热量和太阳风可能会蒸发一些轻矿物，削弱剩余的岩石并使其下沉。
8.7 内部
我们通过研究地球的密度、重力、磁场与地震波来获得地球内部的模型，我们可以用同样的方法得出其他星球的内部模型，但由于数据相对较少，准确性可能会降低。
月球的磁场极其微弱，不到地球的千分之一，可能是由于月球自转速度慢或没有液态内核导致的。
目前我们比较认可的月球内部模型是：月球有一个半径为330km的核心，外面是约400km厚的类似地球软流层的半固态的内地幔，再外层是900km厚的固态外地幔，最外层是30km厚的地壳。
探测表明，月球核心比月球其他部分密度更大，铁含量更高。月球地壳不同地方厚度差异较大，平均而言，月球背面的地壳比面向地球的那一面厚10-15公里，正因如此，月球背面火山活动几乎没有，造成月球背面地壳更厚的原因是地球引力，比地壳更重的地幔倾向于向地球方向“下沉”。
水星的磁场约为地球的百分之一，虽然磁场很弱，但它的强度足以使太阳风偏转，并在水星周围形成一个小磁层。水星自转速度并不快，因此它的磁场是个未解之谜，另一个未解之谜是水星磁场沿中心向北极移动了500km。根据信使号的测量，这颗行星可能有一个半径约1600km的固体内核，周围是一个半径为2100km的液体外核，在地核上方有一层密度较低的类似月球的地幔，厚度约为350km。水星有约60%的体积即80%的质量都在它巨大的铁核中。水星的核心体积占行星总体积的比例比太阳系中任何其他天体都要大。
8.8 月球的起源
姐妹理论：该理论认为月球是作为地球附近的一个独立天体形成的，其形成方式与地球的形成方式大致相同，该理论的缺陷在于无法解释月球和地球由相同的原行星材料演化而来，但密度与成分却有许多不同。
捕获理论：该理论认为月球是距离地球较远的太阳系其他位置被地球捕获来的，这样，两个天体的密度和组成就不必相似，但数学模型表明，月球相对地球的质量太大了，地球要从较远的地方捕获月球几乎是不可能的。
分裂理论：该理论认为月球是从地球在熔融状态高速旋转分离出去的，并且很可能是从太平洋的位置，但计算机模拟表明，地球如果达到能够分离月球的速度不可能使月球在稳定轨道上运行。
如今，天文学家广泛支持由捕获理论和分裂理论的结合——撞击理论（impact theory），一个火星大小的天体侧向撞击了年轻时期的熔融地球，这种撞击在当时的太阳系很常见，从地球上撞离的物质重新组合形成了月球。计算机模拟表明，该理论下的撞击碎片可以形成如今的月球并在稳定的轨道上运行，月球总体上与地球的地幔相似，以及月球缺乏致密的核心，在该理论下都能很自然的得到解释。
8.9 月球和水星的演化历史
月球形成于大约46亿年前。在月球高地发现的最古老的岩石大约有44亿年的历史，所以我们知道至少有一部分地壳在那个时候已经凝固并存活到现在，开始的5亿年左右时，陨石的轰击足够频繁，足以加热并融化月球的大部分表层，某些地方的深度可能达到400km，撞击和熔融的情形和地球形成开始的十亿年相似。但是月球不像地球上有足够多的放射性元素能持续加热使其整体完全熔融。
GRAIL任务发现月球表面上存在线状的“堤”，并发现它的形成时间比撞击坑早，这些特征被认为是在月球存在的最初几亿年里，在一个未知的内部膨胀时期，从地壳裂缝中涌出的冷却熔岩片。
大约39亿年前，在地球地壳凝固的时期，陨石轰击的最重阶段停止了，月球留下了坚实的地壳，最终成为高地，凹陷着许多大盆地，很快就会被熔岩淹没，成为月海，在39亿到32亿年前，月球火山活动使月海中充满了我们今天看到的玄武岩物质。月球体积比地球小，冷却的速度也比地球快，随着月球冷却，火山活动停止，固体表层的厚度增加，在过去的30亿年里，除了陨石撞击造成的地表侵蚀，月球地貌在结构上或多或少保持着冻结状态，月球沉寂了太久。
和月球一样，水星的地质活动沉寂了40亿年，水星拥有大铁核很可能是由于它在约46亿年前形成时处于太阳系早期炽热的内部区域，研究人员认为，早期太阳星云的极端条件蒸发了水星最初的大部分外层岩石层，或者猛烈的撞击剥离了水星的大部分轻质地幔。在接下来的5亿年里，水星熔融并分化，和月球一样遭遇撞击，水星比月球大，因此冷却更慢，地壳更厚，火山活动也持续了更长的时间，许多陨石坑被填充，形成了陨石坑间平原。随着水星巨大的铁核的形成和冷却，水星开始收缩，压缩了地壳，表面产生陡坡，并可能通过挤压闭合了表面的裂缝而过早地终止了火山活动，因此，形成月海的大量火山喷发并没有发生在水星上，尽管水星的质量更大，内部温度更高，但它可能比月球地质活动沉寂了更久。
九、金星
9.1 轨道特性
从地球上看，金星是除太阳和月亮外最亮的天体，比最亮的恒星天狼星还亮超过10倍，金星的高亮度是由于金星的大气能很好的反射太阳光，能反射70%的太阳光，相比之下月球和水星只能反射10%。金星通常在日出前3小时和日落后3小时能够看到。
金星内合时离地球最近，但是相位在新相，只能看到大气反射的太阳光环；金星外合时离地球最远，处于满相，但都不是金星最亮的状态，金星最亮时是在内合前和内合后的第36天。
9.2 物理特性
金星半径为6052km，为0.95倍地球半径；质量是4.9 × 10^24 kg，为0.82倍地球质量；密度是5200 kg/m3，和地球接近。
金星的大气云层使我们更容易看到它，但变化的云层给我们确定它的自转周期增加了难度，结合多普勒展宽效应的雷达测量结果是金星自转周期为243个地球日，并且金星的自转方向和太阳系种大多数天体的自转方向相反。行星天文学家以行星自西向东自转来定义其南极和北极，因此金星的北极在黄道面之下。金星的轴倾角（赤道面和轨道面之间的夹角）是177.4°（地球是23.5°）。金星的自转如此之慢可能也是由于早期受到天体撞击，使得它的速度减到足够慢。巧合的是，金星相邻两次离地球最近的时间里几乎正好自转五周，因此，金星在最接近地球的时候总是呈现出几乎相同的面孔。
9.3 金星的远距离观测
金星致密的大气和浓厚的云层阻挡了使其表面在可见光波段不可见，于是我们通过紫外以及红外等波段观测，金星上的上层云层以每小时400km的速度移动，只需4天就能环绕金星一周，比金星自转的速度快得多。由于金星体积、密度和地球相似，离地球又最近，因此一度被认为是地球的姐妹行星，且认为适宜居住，直到科学家通过能够穿过金星云层的无线电进行探测，并结合黑体辐射特征，得出进行表面温度高达730K。
9.4 金星的表面
金星的表面已经通过地球上的射电望远镜和环绕它运行的探测器的雷达彻底测绘，金星表面整体光滑，有类似起伏的平原，适度的高地和低地，没有类似地球上板块运动的证据，麦哲伦号探测器在金星表面发现了许多熔岩顶盖（lava domes）和盾状火山（shield volcanoes）。
金星上的一些环形山由于陨石撞击形成，但大多似乎起源于火山。金星大气中二氧化硫含量的波动，类似地球上火山喷发的羽状物中闪电放电的射电能量爆发，都是金星上目前有活跃火山的证据，但从未直接观察到有火山爆发。降落在金星表面的苏联飞船拍摄的表面岩石有锐利的边缘和平板状的外貌，一些岩石表现出明显自然玄武岩的性质，意味着金星有着火山比较活跃的过去，其他类似地球上的 花岗岩，可能是金星古壳层的一部分。
9.5 金星的大气
金星大气的总质量约是地球的90倍，金星大气中的大量二氧化碳造成的温室效应是这个行星目前高温的原因。地球曾经和金星一样也有大量二氧化碳，但很快成为了海洋和地表岩石的一部分，在地球上，阳光分解富含氮的化合物，将氮释放到空气中，与此同时，水凝结成海洋，大部分二氧化碳和二氧化硫最终溶解在海洋中，剩余的大部分二氧化碳与地表岩石结合。而金星离太阳更近，温度更高，没有海洋凝结，那么释放出来的水蒸气和二氧化碳就会留在大气中，产生的温室气体继续使星球表面升温，造成了失控的温室效应（runaway greenhouse effect），产生了现在金星的极端环境。
9.6 金星的磁场和内部结构
金星没有能被探测到的磁场，原因几乎可以肯定是因为其自转的速度太慢，导致无法发出任何明显的发电机效应。没有磁场就抵挡不了太阳风粒子，使得其上层的大气层不断被电离，但由于大气层很厚，粒子到达不了金星表面，
金星的内部结构表明它很像在地幔对流建立之前的年轻地球。
十、火星
10.1 轨道特性
火星是离太阳第四近的行星，轨道离心率高达0.093，仅次于水星，使其离太阳的距离在近日点（1.38AU）和远日点（1.67AU）相差较远，并且近日点火星表面的太阳光强度比在远日点多了45%。
火星冲日时离地球最近也看起来最亮，但也没有金星亮，一方面火星离太阳的距离几乎是金星的2倍，单位面积只能收到约1/4的光照，其次火星的表面积也只有金星的30%，并且火星对光照的的反射率仅为15%，而金星达70%，尽管如此，火星依然比任何其他恒星看起来要亮。
10.2 物理特性
火星半径为3394km，为0.53倍地球半径。
火星有2颗卫星，火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos），测出火卫一的轨道周期（459分钟）和轨道半径（9378km），再根据引力定律及牛顿第二定律公式可得出火星质量为6.4×10^23kg，为地球质量的0.11倍。火星密度仅为3900 kg/m3，比月球多一点。火星自转一周为24.6h，且自转轴有24°的倾角，都和地球十分接近，因为倾角的存在，火星上同样有四季，只是由于火星轨道的大离心率，使火星的四季更为复杂，南半球夏季处于近日点，比北半球的夏季要热的多。
10.3 火星的远距离观测
火星冲日时火星离地球最近，但阳光直射火星表面使我们看不清火星表面的地质细节。从地球上看火星最明显的是火星明亮的极地，并且它随火星季节改变而增大减小，在火星夏季时消失，从前人们以为是火星的植被，实际上是固态二氧化碳，里面也有水但也以固态存在。那些之前被以为是运河的地方实际上是环形山和被侵蚀的区域，它看起来不断的变化实际上是表面的灰尘被吹来和吹走。
10.4 火星表面
人类发射向火星的轨道飞行器和着陆器为我们提供了许多有关火星的信息，目前人类对火星探测的重点是在火星地表或地下寻找水。火星北半球比南半球更平坦，意味着北半球比南半球更加年轻。火星大峡谷是火星表面很明显的一大特征，被命名为水手谷（Valles Marineris），水手谷沿着火星赤道绵延近4000公里，最宽处直径约为120公里，深度达到7公里。火星上有太阳系中最高的山——奥林匹斯山（Olympus Mons），它是一座火山，底部直径约为700公里，比周围平原高出25公里。
火星引力小是火星上火山高的直接原因，火星引力约为地球引力的40%，火星火山高度也约为地球的2.5倍。火星上有稀薄的大气，使较小的陨石无法到达火星表面，是火星上几乎没有直径5公里以下的小撞击坑的原因。火星上的侵蚀速度比地球慢约100倍，但仍远快于月球或金星，一个直径1公里的陨石坑可能在在地球上存在一百万年，在火星上能存活1亿年，但在月球上能保存数百亿年，在金星上很可能会一直存在到下一次大规模的火山事件。
10.5 火星上的水
地球上有充足的水，金星数十亿年来都没有水，火星表面如今似乎是没有水的，但有证据表明火星表面曾经可能存在液态水，在地球上，水是孕育生命的重要物质，火星表面曾经存在水也暗示着火星可能曾经存在过生命。火星表面曾经存在水的证据是其表面的两种类型的流动特征：径流通道（runoff channels）和流出通道（outflow channels），径流通道分布在南部高地。它们是一个庞大的系统，有些总长达数百公里，由相互连接、扭曲的河道组成，这些河道似乎合并成更大、更宽的河道，它们与地球上的河流系统非常相似，许多地质学家认为它们就是已经干涸河流的河床；流出通道可能是最近火星上灾难性洪水的遗迹，它们只出现在赤道地区，一般不会形成径流通道所特有的广泛的相互连接的网络，从河道的宽度和深度判断，流速非常大，可能比地球上最大的河流系统亚马逊河大100倍。
地表下的冰：虽然如今火星表面没有液态水，但是火星地表以下有存在冰的证据。许多火星陨石坑周围的喷出物看起来与月球上的陨石坑完全不同，月球环形山周围的物质正是人们所期望的从爆炸中喷出的大量灰尘、土壤和巨石。但火星上的喷出物有液体从陨石坑中溅出或流出，地质学家认为，这表明在地表以下几米的地方有一层永久冻土或冰，爆炸的撞击加热并液化了冰，导致喷出物呈流体状。2002年，火星上的伽马射线光谱仪获得了地下冰存在的更直接证据，在一些地方，冰似乎占土壤体积的50%。
可能存在的近期水：在2000年火星全球勘测者号到达火星之前，天文学家认为火星表面以下的所有水都以冰的形式存在。然而，从那以后，“勘测者”任务的科学家们报告在火星的悬崖和陨石坑壁上发现了许多小规模的“沟壑”，这些沟壑显然是由相对近期的流水雕刻而成的，一些科学家质疑这种解释，认为雕刻沟壑的流体是固体颗粒，它们被来自火星壳的巨大压力驱动，还有一些人指出，可能像地球北极存在的某种特征，液态水是地下冰在被撞击后暴露在阳光下融化形成的，也就并不一定意味火星地表下存在液态水。
火星的极冠主要由二氧化碳（干冰）组成，并表现出季节变化。每个极冠都由两个不同的部分组成：季节性极冠，每年都会增长和收缩；残留极冠，保持永久冻结。季节性极冠完全由二氧化碳组成，温度从未超过150K（-120°，干冰可以形成的温度），在火星的夏季，二氧化碳蒸发到空气中，极冠收缩，冬季时二氧化碳凝固，极冠再次形成，科学家根据对大气波动的研究得出季节性极冠的最大厚度约为1m。残留极冠比季节性极冠更小更亮，成分可能主要是二氧化碳，但也包含了一些水冰。
行星科学家认为，最早火星还很温暖，表面广泛存在液体水，当雨水流入河谷时形成径流通道，大约40亿年前，气候变化，水开始冻结，形成了永久冻土，河床干涸，火星冻结了大约10亿年，直到火山活动或陨石撞击形成了北部低地，加热了地表的大片地区，融化了地下冰，造成了山洪暴发，形成了流出通道，随后，活动减弱，水重新结冰，然后火星再次变成了一个干燥的世界。
截至目前地球有发射到火星并正常工作过的火星车有6个，分别是：旅居者号 (Sojourner, 1997)，勇气号 (Spirit, 2004)，机遇号 (Opportunity, 2004)，好奇号 (Curiosity, 2012)，毅力号 (Perseverance, 2021)，祝融号 (Zhurong, 2021)。
10.6 火星大气
火星有稀薄的大气，大气压只有地球的1/150，成分有95.3%的CO2，2.7%的N2，1.6%的Ar，0.13%的O2，0.07%的CO，0.03%的H2O。
在一年的大多数时候，火星的天气几乎每天都一样：太阳升起，表面升温，清风吹拂，直到日落，温度再次下降。只有在南方的夏天，天气才有常规的每日变化，强风卷走干燥的尘土，将它们带去平流层并沉积在其他地方。最狂暴的事件是巨大的火星尘暴，沙尘席卷整个大气层，灰尘可以在一次尘暴中停留几个月。
10.7 火星的内部结构
最新的火星磁场数据有火星全球探勘者号在1997年测出，火星磁场约为地球的1/800，但这也可能只是局部磁场，并不能代表整体磁场。
由于火星自转迅速，没有全球磁场被认为意味着火星的核心是非金属的或非液态的，或者两者兼既非金属又非液态。火星的小体积意味着行星内部的热量更容易逸散到太空中（相对地球和金星来说）。
火星火山活动的证据表明过去火星内部至少有一部分融化过，但没有大规模融化，最新数据表明，火星地核的直径约为2500公里，主要由硫化铁组成。
10.8 火星的卫星
火星有两颗卫星，火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos），火卫一和火卫二的体积都很小，形状都很不规则，而且有很多陨石坑，两颗行星中较大的是火卫一，长约28公里，宽约20公里，较小的火卫二只有长16公里，宽10公里，它们都被火星潮汐锁定了，只有一面对着火星，而且都绕火星逆时针旋转（从北天极上看）。如果火卫一是被火星从外部空间捕获的，火卫一多孔的内部结构可能太脆弱，无法在捕获过程中幸存下来，所以它更可能是在陨石撞击中从火星喷射出的物质被火星引力捕获并保持后形成的，类似月球形成的缩小版。
十一、木星
11.1 轨道及物理特性
木星是夜空中第三亮的天体，仅次于月球和金星，，它是太阳系中最大的行星，比所有其他行星质量之和的两倍还大，它的质量是1.9 × 10^27 kg，是318倍地球质量，半径是71500 km，是地球半径11.2倍，密度是1300 kg/m3。
要测量木星的自转速度，由于木星是气态的，不同纬度测得的速度是不同的，因此无法用观测某个特征区域的速度来得出自传速度，科学家对木星的自转速度是从木星磁场中得出的，木星的磁场很强，木磁场对带电粒子作用并使其加速，发出无线电波长的电磁波，研究该无线电波长的周期为9h55min，我们假设该周期就是木星内部（发出磁场的地方）的旋转周期，木星内部的旋转速度与两极云层的旋转速度相同，赤道区旋转得更快。这个自转速度在如此大的行星中是非常快的，木星是太阳系自转最快的行星，高速的自转使得木星在赤道处的半径会比两极处更大，也就是中间产生隆起。
仔细的计算表明，如果木星的核心只由氢和氦组成，那么它会比实际情况更平坦。为了解释观测到的行星的形状，我们必须假设木星有一个密度大、紧凑的核心，可能是由岩石组成的，大约是地球质量的5-10倍。
11.2 木星大气
木星最明显的两个特点是一系列变换莫测的平行于赤道的云带，以及椭圆形的大气斑点——大红斑。对木星反射阳光光谱的研究和对射电、红外紫外波段的观测让科学家清楚了木星大气的成分，木星大气中主要包含氢（86.1%）和氦（16.8%），除此之外还有少量的CH4、NH3和H2O。
木星表面的带状层分为亮带和暗带，亮带是高压区域，暗带是低压区域，产生亮暗带似乎是行星大气中对流运动的结果，木星的自转轴几乎垂直于轨道平面，因此几乎没有季节变化。
11.3 内部结构
行星科学家通过分析木星的质量，半径，成分，自转，温度等建立了木星内部结构的模型。
科学家发现，根据木星到太阳的距离等参数计算木星表面云层的理论温度比实际温度低20K，尽管温度差不大，但行星内部能量与表面温度的4次方成正比，因此木星有较大的内部能量。天文学家推测，木星多余能量的来源是行星形成过程中释放的引力能量的缓慢逃逸。随着行星的形成，它的一些引力能在内部转化为热量。
木星大气层的温度和密度随着云层以下深度的增加而增加。在几千公里深处，气体逐渐转变为液态，在大约2万公里的深度，压力大约是地球上大气压力的300万倍，以至于热液态氢被压缩成“金属”状态，其性质在许多方面与液态金属相似，特别重要的是木星的磁场是这种金属氢是优良的导电体，木星的固态核心直径可能不超过2万公里，中心温度可能高达2.5万K。
11.4 木星磁场
木星周围环绕着大量高能带电粒子，其中大部分是电子和质子，这些粒子对载人和无人航天器都构成严重危害，敏感的电子设备（更不用说更敏感的人体）需要特殊的保护屏蔽才能在这种恶劣的环境中长时间运行。与地球一样，木星磁层的大小和形状是由行星磁场和太阳风之间的相互作用决定的，木星磁层长长的尾巴甚至延伸到了土星轨道。木星的外层磁层似乎相当不稳定，有时会因太阳风的“阵风”而收缩。
木星磁场的磁轴并没有与它的旋转轴完全对齐，而是以约10°的角度倾斜，木星的磁场方向恰好与地球相反，磁场线从北到南，而非从南到北。木星磁场的内部强度几乎是地球磁场的2万倍，如此强大磁场的存在进一步支持了我们关于木星内部结构的理论模型。正如观测到的那样，构成木星大部分的导电液体内部与木星的快速旋转相结合，产生巨大的发电机效应和强大的磁场。
11.5 木星的卫星
迄今为止已经发现木星拥有92颗卫星，最早的四颗卫星由伽利略发现，并称为伽利略卫星，分别是木卫一（Io）、木卫二（Europa）、木卫三（Ganymede）、木卫四（Callisto），除了这四颗卫星以外的其他卫星直径都小于300km。
位于内侧轨道的木卫一和木卫二有厚厚的岩石地幔，可能类似于类地行星的地壳，围绕着铁-铁硫化物核，位于外侧轨道的木卫三和木卫四明显缺乏岩石物质，水和冰等较轻的物质可能占其总质量的一半。木星及其卫星系统的形成与太阳系十分相似，因此对伽利略卫星的研究对了解我们地球的形成有很大帮助。四颗伽利略卫星都被木星潮汐锁定。
木卫一是木星最活跃的卫星，它的质量和半径与月球相近，但和月球的相似之处也仅止于此，目前已经在木卫一上发现了超过80座依然活跃的火山。与其他伽利略卫星的表面形成鲜明对比的是，木卫一的表面既没有陨石坑，也没有条纹而是异常光滑，大部分高度变化小于1公里，尽管有些火山高达几公里，这种光滑显然是熔融物质不断填充“凹痕和裂缝”的结果，这颗卫星拥有太阳系中所有已知物体中最年轻的表面。木卫一也有一层薄薄的、主要由二氧化硫组成的临时大气层，这可能是火山活动释放气体的结果。木卫一的火山活动对木星的磁层有重大影响，木星的磁场不断扫过木卫一，聚集了其火山喷发到太空中的粒子，并将它们加速到高速，形成了甜甜圈状的木卫一等离子环（plasma torus），沿着木卫一的轨道，完全环绕木星，等离子体环对载人或无人航天器具有致命的辐射水平。木卫一在受到木星强大引力的同时还受到邻居木卫二的引力牵引，使其轨道并非精确的同步状态，使木卫一不会只有一面朝着木星，从木星上看，木卫一在移动过程中会轻微地左右摇晃但木卫一的潮汐隆起总是直接朝向木星，这些相互冲突的力量导致了巨大的潮汐压力，不断地弯曲和挤压木卫一的内部，这不断为木卫一提供能量，产生的大量热量最终导致大量气体和熔融岩石从其表面喷射出来，研究人员估计木卫一内部产生的总热量约为1亿兆瓦，这使木卫一成为太阳系中最迷人的天体之一。
根据探测器的图片及相关数据，我们了解到木卫二是一个锁在冰下的液态水世界，天文学家认为木卫二表面的冰可能有几公里厚，下面有100公里深的液态海洋。木卫二上的液态水很可能比我们整个星球上的液态水还要多，当然，水的存在并不一定意味着生命的出现，尽管木卫二有液态海洋，但与地球相比，它仍然是一个充满敌意的环境。
木卫三和木卫四的低密度意味着其布满了大量的冰，木卫三是太阳系最大的卫星，直径甚至超过了月球和水星，科学家认为木卫三主要由硅酸盐岩石和冰体构成，冰盖下有一片水含量超过地球的海洋，星体分层明显，拥有一个富铁的、流动性的内核；木卫四表面物质包括冰、二氧化碳、硅酸盐和各种有机物，伽利略号的探测结果显示木卫四内部可能存在一个较小的硅酸盐内核，同时在其表面下100千米处可能有一个液态水构成的地下海洋存在。
11.6 木星环
1979年旅行者号任务在木星赤道平面上发现了环绕木星的一个微弱的物质环，这个环位于行星顶层云层上方大约5万公里处，在最内侧卫星的轨道内，薄薄的物质可能一直延伸到木星的云顶，但环的大部分被限制在一个只有几千公里宽的区域内，木星环很可能是两个卫星相撞后的碎片产生的。
十二、土星
12.1 轨道和物理特性
土星是古代天文学家能看到的最远的行星，土星绕太阳的恒星年是29.4个地球年，土星质量为5.7 × 10^26 kg，相当于95个地球质量，半径是60000km，是9.5倍的地球半径，土星密度仅有700 kg/m3，比水的密度（1000 kg/m3）还低，意味着它可以“漂浮”在水面上。
土星内部的自转周期是10h46min，和木星一样，土星表面高纬度处的大气自转周期比土星内部周期要短，土星表面赤道处大气自转周期更短。土星的自转轴相对于其轨道平面的垂直方向倾斜了27°，与地球和火星类似。由于土星的密度较低，这种快速的自转使土星比木星更扁平，其实土星是太阳系中“最扁平”的行星，其极半径仅为54,000公里，比其赤道半径小10%左右。仔细的计算表明，这种扁平化程度虽然很大，但比仅由氢和氦组成的行星所期望的要小，因此天文学家认为土星也有一个岩石内核，可能是地球质量的15倍，木星核心质量的1.5倍。
土星最著名的是它壮观的环系统，在土星的一个轨道周期里，由于从地球上看土星的角度不同，我们看到的土星环的姿态也不同。
12.2 土星大气
土星没有像木星一样明显的明暗带或斑点，土星大气中含有氢（H2, 92.4%），氦（He, 7.4%），甲烷(CH4，0.2%)和氨（NH3, 0.02%），土星大气氦含量占比相对木星和太阳都较少，很可能土星中有更多的氦向中心下沉。和木星一样，土星大气随着深度增加分为三层，依次分别是氨、硫化氢铵和水冰，土星比木星的云层更厚。科学家在2010年在土星北半球发现巨大而复杂的天气现象，卡西尼的探测器测量到与之相关的强烈无线电波爆发，很可能是由云顶深处的强烈闪电放电产生的，闪电可能是由对流和降水（水和氨“雨”）驱动的，就像地球上的雷暴一样，但闪电的强度是地球上任何东西的数百万倍。
12.3 土星内部和磁场
土星和木星内部的基本结构相同，只是各成分的比例不同，土星的金属氢层较薄，核心较大，但温度比木星低，核心压力大约是木星核心的1/5。
土星辐射出的能量是从太阳吸收能量的近3倍，这说明它也有内部能量源，但土星离太阳更远，冷却更快，像木星那样的能量源不足以支撑该能量，科学家认为土星内部的能量和其表面氦的缺乏也有关，约20亿年前开始，土星就一直下着氦雨（helium precipitation），消耗外层的氦含量，由于氦向中心下沉，这颗行星的引力场将其压缩并加热，由此释放的引力能是土星内部的能量来源。
可能是因为土星内部金属氢区较小，土星磁场仅为木星的1/20，但也是地球的1000倍。土星的磁场并不像地球一样相对于它的自转轴倾斜，土星的磁场方向和木星相同，和地球相反。土星的磁层深处没有较大的卫星，因此没有像木星一样的等离子体环面。土星也像木星一样发出无线电，但被地球电离层反射接收不到，但旅行者号接近时接收到了土星的无线电波。
12.4 壮观的土星环系统
土星最引人注目的是它的环系统，现在天文学家知道所有类木行星都有环系统，但土星环是最壮观的。
1610年伽利略望向土星看到了环状轮廓但没有意识到是环，1655年荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens）意识到了那是一个围绕土星的扁平的环，1675年法裔意大利天文学家卡西尼（Cassini）第一次发现了环的一些特征，从内缘向外约三分之二处的暗带，像是环上的一个缺口，这个缺口被命名为卡西尼环缝（Cassini division）。
经过多年的探测和研究，我们现在知道土星环既不是固体，也不是液体或气体，土星环的主要成分是水冰粒子。土星环非常薄，只有10到15米厚，原因是环状粒子之间的碰撞倾向于使它们在一个平面上沿圆形轨道运动。
【洛希极限】（Roche Limit）：当卫星绕行星旋转时，卫星收到行星的潮汐力并产生潮汐隆起，如果卫星离行星越来越近，潮汐力将会越来越大，在某个点，潮汐力会大到超过将卫星凝聚成整体的内在力，在该点处，卫星被行星的引力撕碎。对任何给定的行星和卫星，卫星在其内就会被破坏的临界距离被称为潮汐稳定极限，或洛希极限。
直径小于10km左右的卫星可以存在于洛希极限内，因为它们主要是被原子间的电磁力而非引力维持在一起。如果卫星的密度可以和母行星相比，洛希极限约为行星半径的2.4倍，土星主要的环占据了土星洛希极限内的区域。
目前土星环的形成有两种主流解释，一种观点是有卫星受到碰撞或其他原因进入了土星洛希极限内并被撕碎，另一种观点是这些环是土星形成阶段遗留下来的物质。有一点科学家比较认同是土星环很年轻，很可能形成时间不超过5000万年。
12.5 土星的卫星
土星的卫星系统可能是太阳系中最广泛和最复杂的，迄今已发现了145颗土星卫星。
土星最大的卫星是土卫六（Titan），它也是仅次于木卫三的太阳系第二大的卫星，土卫六是一颗有大气层的卫星，并且它的大气层比地球更厚，密度更大，通过旅行者一号和卡西尼号对土卫六无线电及红外的观测，科学家了解到土卫六的大气含有98%的N2和2%的CH4，以及少量的Ar和其他气体，这里可能发生着许多复杂的化学反应。土卫六表面很冷以至于这里的水像石头一样凝固，这里的甲烷像水一样流动，卡西尼号揭示了其表面持续侵蚀和火山活动的证据，惠更斯号探测器登陆了土卫六表面，拍摄了可能是由流动的甲烷雕刻的通道。
土星中等大小的卫星主要由岩石和冰构成，它们有各种各样的表面地形，有大量的陨石坑，并且被土星潮汐锁定在同步轨道上。最内侧的中等尺寸卫星土卫一（Mimas）对土星环的结构产生了影响，卡西尼环缝就是土卫一与环粒子共振的结果。土卫八有一个赤道脊，它的前后面形成了明显的对比，土卫二具有高度反射的外观，这是表面上水造成的，它的表面有“火山”。土卫五和土卫四表面有大片的冰崖，这是卫星冷却时外层开裂的结果。
十三、天王星和海王星
13.1 天王星和海王星的发现
得益于天文望远镜，天王星在1871年被发现，这是2000多年来发现的第一颗新行星，从地球上看它很暗，但其实条件好的话肉眼还是可见的，在发现天王星之后，天文学家开始绘制其轨道图，并很快发现这颗行星的预测位置与他们实际观测到的位置之间存在微小的差异，尽管差异微小但仍大到无法用观测误差解释，天文学家意识到可能有另一颗新的行星对其产生了干扰，有2位数学家先后计算出了新行星的位置，并在之后被观测到了被命名为海王星。
13.2 轨道和物理特性
天王星和海王星的轨道半长轴分别是19.2AU和30.1AU，刚好在柯伊伯带内，半径分别是地球的4倍和3.9倍，质量分别是地球的14.5倍和11倍，平均密度分别是1300kg/m3和1600kg/m3。和其他类木行星一样，天王星的自转周期也很快，只有17.2小时，不同纬度的大气转速也不同，和木星土星不一样的是，天王星的极地自转速度比赤道更快。天王星的自转轴几乎位于黄道平面内，准确地说，与黄道垂直方向的夹角为98°，天王星的自转和金星的一样，被归为逆行，天王星特别的自转轴使它有了特别的季节变化，北半球的夏季将一直是白天，北半球的冬季一直是黑夜，南半球则相反，天文学家推测天王星自转轴的倾斜可能是太阳系形成后期被其他天体撞击形成的。海王星大气的平均自转周期是17.3h，磁场（可能是内部）的自转周期是16.1h，意味着它是太阳系类木行星里唯一内部自转比外部快的行星，海王星的自转轴与黄道面垂直方向倾角为29.6度， 和土星接近。
13.3 天王星和海王星的大气
天王星和海王星的外层大气和木星土星相似，主要成分是H2（84%），其次是He（14%）和CH4，海王星的CH4含量（3%）比天王星（2%）高一些，天王星和海王星NH4的含量比木星和土星要少，这是由于外层行星的温度更低，而NH4在约70K就会凝结成晶体，天王星和海王星呈蓝色，这是因为它们大气的CH4含量相对较高，而CH4能有效吸收红光，反射的光呈现出偏蓝的颜色，天王星呈蓝绿色，海王星CH4更高些，呈蓝色。
天王星没有明显的内部热源，并且由于表面温度较低，缺乏高层云，内部的云层结构更难被观测到，天王星的大气云和环流方向和它的自转方向相同，风速范围在200-500km/h。海王星尽管离太阳更远，但它上层大气的温度比天王星还高些，海王星拥有内部热源，科学家推测可能和木星一样是在行星形成时保留下来的，海王星的大气也被发现有风暴，有的风暴速度达到了1500km/h，并且存在地球大小的风暴。
13.4 磁层和内部结构
天王星和海王星都有很强的内部磁场，磁场强度是地球的100倍，是土星的1/10，天王星和海王星的磁场相对它们自转轴的倾角分别有60°和46°，并且它们的磁场不在星球中心，而是有不小的偏移，发电机理论在此似乎不适用。
13.5 天王星和海王星的卫星系统
迄今已经发现了27颗天王星的卫星，五颗最大的天王星卫星尺寸和土星的中等卫星尺寸差不多，它们的密度在1100-1700kg/m3，暗示了它们主要由岩石和冰组成，它们很暗，反射率很低，有一种被更多科学家接受的解释是，撞击这些卫星表面的辐射和高能粒子往往会破坏卫星表面的分子，最终导致化学反应，慢慢地形成一层黑色的有机物质，并且卫星受到的陨石撞击越少，表面也会越暗。
海王星没有规则的卫星系统，没有卫星的轨道是大致圆形的、赤道平面上的、顺行的。海卫一距离太阳45亿公里，表面反射性很强，表面温度只有37 K。旅行者2号经过海卫一时，探测到海卫一两股巨大的氮气喷流从其表面喷出，并上升几公里，科学家认为这些“间歇泉”是在地下的液氮形成的，可能是海卫一的表面被一些内部能量源或太阳微弱的能量加热和蒸发，汽化产生高压，迫使气体穿过地壳的裂缝，产生氮气喷流。海卫一的逆行轨道使它慢慢靠近海王星，总有一天，它会接近海王星的洛希极限，成为海王星的环。
13.6 外侧类木行星的环
和木星土星一样，天王星和海王星也有环，1977年，天文学家观测到一次恒星掩星（stellar occultation），这些光环从一颗明亮的恒星前面经过，使恒星的光线暂时变暗，由此发现了天王星的环，根据现在的观测，天王星周围共存在9个薄环，与土星环不同，天王星的环暗且狭窄，间隔较大，和土星环相同的是，它们都很薄，只有不到几十米厚，像土星的部分环一样，天王星的窄环也需要牧羊犬卫星（shepherd satellites）来防止它们扩散。
海王星有5个环，也都比较暗。由于环的寿命都较短，我们能在太阳系同时看到4个类木行星的环说明环的形成是一个比较普遍的现象。
十四、太阳系碎片
14.1 小行星
小行星的轨道通常更接近椭圆，且主要分布在火星和木星之间，小行星带（asteroid belt）距离太阳2.1AU到3.3AU之间，由于小行星带中的小行星的成分差异以及总质量过小（总质量小于月球质量），科学家更倾向于认为小行星带是太阳系形成之初没有形成行星的碎片，而不是某个行星碰撞后残留的碎片。天文学家根据小行星的光谱类型对其进行分类，最暗反射效果最差的被称为C型小行星，因其含有大量的碳，所以也称为碳质小行星，反射率强的称为S型小行星，其含有硅酸盐或岩石物质。小行星带中主要是S型小行星，但总的来说，太阳系中大约75%的小行星是C型，15%是S型，10%是其他类型（主要是M型小行星，含有大量的镍和铁）。许多行星科学家认为碳质小行星由非常原始的物质组成，代表了太阳系最早的阶段，它们很可能在46亿年前首次形成以来，没有受到过明显的加热或化学变化。
三颗最大的小行星谷神星（Ceres）、智神星（Pallas）和灶神星（Vesta）的直径分别为940公里、580公里和540公里。灶神星在小行星中是独一无二的，尽管它的体积很小，但它很可能在遥远的过去经历了火山活动。
轨道与地球轨道相交的小行星称为越地小行星（Earth-crossing asteroids），也叫阿波罗小行星（Apollo asteroids），轨道只与火星轨道相交的小行星被称为阿莫小行星（Amor asteroids），科学家一直在寻找那些可能会撞击地球的小行星，尽管造成物种灭绝规模的小行星约一千万年才会有一次，但广岛原子弹威力的小行星数年就会出现一次，如果在碰撞前几年放置推进器对它产生小小的“推动”，很可能就可以改变它的轨道，刚好与我们擦肩而过。
除了小行星带，还有一类被称为特洛伊小行星（Trojan asteroids）的小行星，在木星的轨道上运行，由于木星的强大引力，它们与木星的轨道共振为1：1，法国数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日（Joseph Louis Lagrange）在1772年首次进行的计算表明，在太阳系中有五个地方，在这5个地方的一个小天体可以在两个大天体的共同引力影响下，与木星同步绕太阳运行，这些地方现在被称为行星轨道的拉格朗日点，其中与木星和太阳共线的3个拉格朗日点是不稳定的，在这些点上的小天体终将会远离太阳，另外2个60度方向上的拉格朗日点是稳定的，特洛伊小行星业主要聚集在这2个拉格朗日点（由于未知原因，更多的聚集在其中的一个点）。