红外探测在行星研究中的作用主要体现在两个方面，首先，通过测量天体黑体辐射谱的峰值波长，判断其表面温度。这在太阳系外围尤其重要，那里太阳能量难以企及，天体温度较低。其次，一些分子、原子在红外有特征波长。如很多太阳系天体存在的水冰，在近红外的3微米和中红外的15微米有特征波长。此外还有甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等分子的特征吸收也在红外波段，而水和甲烷都是生命存在的重要因素，所以红外探测另一重大作用是探测行星大气中的化学成分。

最靠近太阳的行星是水星，由于缺乏大气层保护，水星表面布满了陨石撞击的陨击坑，面向太阳的一面温度高达430℃，而背向太阳一面低至-180℃。美国国家航空航天局（NASA）的信使号在2011～2015年绕水星飞行，对其进行了详细研究。信使号携带的水星大气和表面成分谱仪（MASCS）工作在紫外到红外波段，通过测量紫外线发射确定了水星周围稀薄大气的特征，并通过测量红外反射率确定了水星表面铁和钛矿物的普遍存在（图1）。

图1 信使号的水星大气和表面成分谱仪（MASCS）和水星双成像系统 （MDIS）拍摄的合成图，显示了水星的矿物成分、年龄和火山喷口

金星温度高达482℃，是太阳系中最热的行星。它的表面包裹着厚重的大气层，气压是地球的100倍，其主要成分是二氧化碳，高空还有二氧化硫形成的厚厚的硫酸云，高温高压使二氧化碳具有腐蚀性。金星恶劣的环境使得对它的探测极为困难，而浓密的大气使光学探测无法看到金星表面。1990年，美国的麦哲伦号探测器绕金星飞行，使用雷达穿透浓密的云层，首次清晰地看到了金星表面，发现了火山、长熔岩通道、煎饼形穹顶，以及深处有热地幔柱的证据。红外波段同样可以穿透云层，2006～2015年，欧洲空间局的金星快车携带从紫外到红外的多台仪器，在金星轨道上对金星进行了详细探测。

有大量的观测证据表明火星表面曾经存在液态水，意味着火星可能曾经发展出利于生命存在的条件。甚至火星上的生命可能仍然存在，只是隐藏在地表下或深层含水层中。但是深入地表直接探测生命是很困难的，一种办法是在火星大气中探测生命代谢的产物，如甲烷。但是其他一些地质原因如火山活动也会产生甲烷，所以难点在于区分甲烷的生命起源或是地质起源。2003～2006年，一些天文学家利用夏威夷红外望远镜设施（IRTF）和凯克望远镜在近红外波段观测火星甲烷强度分布，在三个特定地点观测到甲烷，浓度随时间变化，在北半球夏季达到峰值。随后欧空局的火星快车探测器和NASA的好奇号火星车都在火星上检测到了甲烷。但是欧空局和俄罗斯航天局合作于2016年发射的火星生命探测计划2016火星探测器携带的微量气体轨道器（TGO）却没有探测到任何甲烷的痕迹。关于火星甲烷仍然没有定论，需要更多的探测。

木星是太阳系最大的行星，它表面的条纹和旋涡实际上是寒冷、流动的氨和水构成的云，漂浮在氢和氦的大气中。木星的标志性大红斑是一场比地球还大的巨大风暴，已经在木星上肆虐了几百年。图2显示了木星大气中的一个热点。左图由8.1米可见光/红外的双子座北望远镜（Gemini North）于2020年9月16日在近红外波段拍摄，红外线比可见光能穿透云层，让我们能够看到更深、更热的木星大气层内部，而最厚的云层看起来很暗。通过红外光谱中不同波长的图像，还能得到能量和物质通过大气向上传输的三维图片。红外波段的图像，加上来自哈勃空间望远镜（HST）和朱诺号木星探测器（Juno）的照片，可以告诉我们很多关于木星天气模式的信息。右图是2020年9月16日朱诺号第29次近距离掠过木星期间，可见光成像仪（JunoCam）拍摄的图像。在可见光波段热点看起来很暗，在木星赤道带上表现为黑暗、无云的区域，但在5微米波长的红外波段很明亮，揭示了云层下方温暖的深层大气。

图2 双子座北望远镜在5微米近红外波段拍摄的木星图像，与朱诺木星探测器拍摄的可见光图像合成图

最有名的土星探测器当属卡西尼-惠更斯号土星探测器，它于1997年发射，2004年进入土星轨道，绕土星运行了13年，对其进行了详细的研究。它携带的复合红外光谱仪(CIRS)测量了广阔土星大气、环和表面的红外辐射，在三个维度上绘制了土星大气的地图，以确定温度和压力剖面与高度、气体成分以及气溶胶和云的分布。它还测量了热特性以及卫星表面和环的组成。可见光和红外测绘光谱仪（VIMS）测量了大气、环和表面在0.35～5.1微米波长范围内的反射和发射辐射，以确定它们的成分、温度和结构。图3是2014年卡西尼号多个波外波段拍摄的土星，许多细节在红外波段清晰可见，云带显示出巨大的结构，包括拉得很长的风暴。最引人注目的是围绕土星北极的六边形云图案，每条边长相当于地球直径，它的起源和稳定性仍然是一个研究课题。赤道下方，是土星环投下的阴影。

图3 卡西尼号在不同红外波段拍摄的土星

2005年，科学家们从卡西尼号9～16.5微米波长的红外观测中发现，土星的卫星土卫二的南极比预期要暖。其赤道温度与预期大致相同，最高温度约为80K（-193℃），但南极的温暖区域达到85K（-188℃），复合红外光谱仪数据进一步表明，在土卫二南极的冰层中长长的平行裂缝，这些裂缝称为老虎条纹，它们地质年代很年轻，这些裂缝的某些地方温度更高，远高于110K（-163℃）。如果阳光是加热地表的唯一能源，土卫二南极的高温就很难解释，因此，南极部分地区很可能因从内部逸出的热量而变暖，这意味着土卫二是一个地质活跃的地方。更大的惊喜在后面，卡西尼号果然发现了土卫二南极老虎条纹中喷射而出的气体和冰物质羽流。随后，卡西尼号多次飞越南极喷流并采样，用离子和中性质谱仪（INMS）分析成分，最终确定羽流中近98%的气体是水，约1%是氢气，其余是二氧化碳、甲烷、氨、盐和二氧化硅和等分子的混合物，其密度远高于科学家的预期。卡西尼号的发现表明，土卫二南极热点不是喷流的原因，而是喷流的结果。当水喷射到太空中时，温暖的液态水通过裂缝向上流动，并将其部分热量沉积在地表冰层中。这意味着土卫二地表下可能存在内部海洋和热液活动，也许将来某一天适合人类在上面居住。

天王星和海王星是距离太阳最远的太阳系行星，又称为远日行星，接收太阳能量少、寒冷、很暗、公转周期长。截至2022年，只有旅行者2号对它们进行过近距离飞越探测。哈勃、斯皮策、赫歇尔等空间望远镜也在红外波段对其进行过观测研究。

利用红外观测，能有效地探测从行星大气散发的热量。一个国际研究小组结合了近二十年来从多个天文台收集的所有现有海王星热红外图像。其中包括位于智利的欧洲南方天文台的超大望远镜和双子座南望远镜，以及夏威夷的昴星团望远镜、凯克望远镜和双子座北望远镜，以及来自斯皮策空间望远镜的光谱。他们惊讶地发现，海王星的热亮度不断下降，平流层平均温度2003～2018年下降了约8℃。海王星有一个轴向倾斜，所以它会像地球一样有季节更替。不过因为它与太阳的距离很远，海王星需要超过165年才能绕太阳一周，因此它的季节变化缓慢，每个季节长达40多个地球年。科学家们本来预测现阶段海王星温度会逐渐变暖，但观测结果让人非常意外。尤其海王星南极部分2018～2020年升温了大约11℃，这在以前没有观测到过。这些意外的平流层温度变化的原因尚不清楚，需要对温度和云模式进行后续观测。