赵江南宇宙新概念公选课2太阳系.ppt

第二章 太阳系,太阳系由太阳、八大行星及其100多颗卫星、2000多颗小行星、彗星、流星体以及行星际物质等组成。太阳是太阳系的核心天体，无论是质量还是大小，太阳都居首位，它占太阳系总质量的99.6，它的引力控制着太阳系里其他天体的运动，太阳的引力范围延伸到大约日地距离的4500倍以外。太阳系是银河系的一部分，距银河系中心约3.26万光年。,2.1 太阳,一、太阳的基本参数（一）日地距离 日地距离是指太阳和地 球的平均距离，天文学上常用它作为计量天体距离的基本单位，称为天文单位 1天文单位1.495 979108千米,太阳日珥的爆发(右下角),（二）太阳的大小太阳的半径R6.959 9105千米（三）太阳的质量太阳的质量M1.991030千克,这四幅是在不同元素谱线不同波段上拍摄,（四）太阳的位置 太阳位于距银心3.26万光年的旋臂内，距银面以北约26光年处（五）太阳的运动 太阳除在旋臂中和其他恒星一起绕银心运动外，还相对于它周围的恒星作每秒19.7千米的平动,（六）太阳常数 太阳常数指单位时间垂直射入地球大气层外单位面积上的能量，用f表示。f 1.36106尔格秒-1厘米-2 0.136焦秒-1厘米-2,二、太阳大气太阳大气大致可分为三层：光球、色球和日冕（太阳大气中的物质是极不宁静、极不均匀的）,（一）光球 肉眼看到的光亮的太阳表面就是光球，它是太阳大气的下层，厚度为400500千米，太阳的可见光几乎全部由光球发出。光球的平均温度为5770开尔文,夏季的太阳,太阳黑子：在光球上经常可以观察到 一些大大小小的黑色斑点，这就是人们熟知的太阳黑子。除了黑子外，光球中还有一些其他现象，如米粒组织、光斑等。,太阳黑子,（二）色球层 光球之外是色球。色球层的结构不均匀，厚度约为2500千米 色球的物质较稀疏透明，它发出的可见光总量不足光球的千分之一，因此平时不容易观测到,太阳X射线图像,（三）日冕 日冕是太阳大气最外面的一层，也是最厚的一层，日冕的直径可达太阳视圆面直径的 1020倍。日冕的温度很高，约为200万开，所以日冕物质呈现电离状态。日冕的物质不断向四面八方膨胀，这就是所谓的太阳风,太阳日冕,三 日球 日球（Heliosphoere)，又称日球层。它是这样来定义的：以太阳为中心，太阳风及其磁场所延伸到的整个空间范围称为日球。,四 太阳的能量来源 热核反应：4个氢核合成一个氦核的聚变反应，这种反应称为质子质子循环，又称为氢燃烧。另一种被称为碳氮循环的反应发生在比太阳更热的恒星中。,太阳日珥的爆发(右上角),五 太阳中微子之谜 中微子不带电荷，没有静止质量，在真空中以光速运动，与所有的物质都只有很微弱的相互作用。实际测得的中微子数量不足理论模型计算值的1/3 中微子失踪案！,2.2 地球和月球,太阳系中只有地球的环境适合生命存在的条件,一、地球的基本参数,地球不完全是球形的，而是在两极方向略为扁平些，大致为一旋转椭球体，垂直于自转轴的截面是正圆，通过两极的截面是椭圆，其长半轴d和短半轴c分别为：d=6 378.164千米 c=6 356.779千米,地球的其它基本参数为：平均半径：R=6 371千米赤道周长：L=40 075.51千米最高山峰：海拔8 840米最深海沟：海拔11 000米地面起伏：约20千米地球质量：M=5.9761024千克平均密度：5.517克/厘米3 年龄：约46亿年,地球的主要分层,二 地球大气,地球大气的质量为5.131018 千克，其中氮占75，氧占23，还有少量其他气体。大气层主要可以分为三层：对流层 平流层 电离层,盘旋于太平洋上空的热带风暴,三、地球的自转、公转和地轴进动,地球自转轴的进动,四 月球的基本参数,月球是地球的天然卫星，月球绕地球运动的轨道为一椭圆 月球距地球的最远距离：406 700千米 最近距离：356 400千米 平均距离：384 400千米 月球半径：1 738.2千米 月球质量：7.351022千克 月球的平均密度：3.34克/厘米3 月球表面引力约为地球表面引力的1/6,五 盈亏现象,在不同夜晚观察到的月球呈现不同的形状，月球的各种视形状统称为月相，月相的变化现象叫做月球的盈亏现象。盈亏现象来源于两个方面：第一，月球本身不发光，它被太阳照着的半边是亮的，另半边是暗的；第二，月球每月绕地球一周，又跟着地球每年绕太阳转一周，日、月、地三者的相对位置不断变化着。,六 月球的表面状况,月球上有些部分暗些，有些部分亮些，用 望远镜观测暗的部分比较平坦，亮的部分高 低不平。月球上较大的暗淡部分称为“海”，较小的 为“湖”，最大的“海”叫风暴洋。月球上基本没有大气，也没有水，每昼夜 温差大，月球表面大部分被一层月尘和岩屑 覆盖。,在月球表面看地球升起,七 月球探测茫茫宇宙中，月亮是地球唯一的伴侣，几十亿年来，形影不离地伴着我们的地球转动。千百年来，飞到月球上去一直是人类追求的最大愿望。,从科学的角度来看，对月球的探测有着很重要的现实意义。于是人类对月球进行了一次又一次的探测。尤其是美国的“阿波罗11”号登月舱顺利软着陆在月球上，宇航员阿姆斯特朗踩在月面上，是人类迈出的一大步。,美国宇航员尼尔阿姆斯特朗,月面的近景,八 日、月、地天文现象,日、月、地之间产生的主要天文现象有潮汐、日食、月食,月球对地球的引力作用，可以引起海水的潮汐现象，并通过潮汐作用使地球的自转逐渐变慢。地球和月球本身是不发光的，太阳光在地球和月球后面都投出长长的影子。当月球绕地球转动中走进地影时，就发生月食；当月球的影子投到地球上时，在月影遮蔽部分的观测者就能看到日食。,日全食过程中的倍丽珠现象,九 日地空间,日地空间是指太阳和地球之间的空间，也就是我们生活的环境。日地空间大体可以划分为两个势力范围：一个属于地球，一个属于太阳。地球的势力范围很小，只有它附近的几十万千米，不到日地距离的1%，其余的范围全属于太阳。地球在等离子体环境中围绕太阳运行。日地空间中的等离子介质是太阳以“风的形式”吹出来的。太阳风中的主要成分是电子和质子，也有少量氦离子。,总的来说，日地空间是由太阳风、磁层、电离层以及低层大气组成的，各部分依照动力学和热力学的过程相互联系着。因此，只要在一个环节上偏离了平衡，就会影响到其他环节。太阳的状态起着主导的作用，破坏平衡的事件在太阳上是时常发生的。太阳活动也会通过一系列环节影响底层大气，造成气候异常或剧变。,2.3 太阳系的其他天体,一 八大行星,根据质量、大小和化学组成不同，可将行星分成三类：类地行星：体积小、密度大、中心由铁镍核。包括水星、金星、地球和火星。巨行星：包括木星和土星。体积大、密度小，主要由氢氦等元素组成，是无固体表面的流体行星。,火星,远日行星：包括天王星、海王星。它们的体积、密度介于上述两类之间。主要由氢、氦、甲烷、氨等元素组成。由于表面温度低，可能大部分处于冰冻状态。,海王星及其卫星,太阳系八大行星主要参数,行星公转轨道的偏心率都很小，除最内侧的水星和最外侧的冥王星外，偏心率都在0.010.09之间，它们都沿同一方向自西向东绕太阳转动，轨道大致在同一平面上。大部分行星有一个或若干个小天体环绕自己运动着，这些小天体称为卫星。月球就是地球的卫星。,天王星是1781年赫歇耳用望远镜发现的。在它被发现后的40年里，天文学家逐渐注意到这颗行星的实际观测位置和计算出来的位置不符，而且差距越来越大。据此，发现了海王星以及海卫一。考虑到海王星的引力影响后，人们发现天王星的观测位置和计算位置仍然存在小的差别，而且，海王星的观测位置和计算位置也不完全符合，1930年2月，发现了冥王星。,天王星的光环,水星、金星在地球轨道之内，称为内行星。1916年爱因斯坦的广义相对论发表后，水星运动异常的问题获得了圆满解决。金星拥有一个比地球还浓密百倍的大气层，大气中96是二氧化碳，3是氮气。火星的自转情况与地球相似。探测器已成功在火星登陆多次，有的在火星上工作了很多年。火星每年都要刮数次特大尘暴，风速达到每秒180多米，大风暴可以席卷整个火星。,火星地貌,木星是太阳系中最大的行星，木星上有很强的磁场，与地球磁场的方向正好相反。木星没有固体外壳，在浓密的大气之下是液态氢组成的海洋。木星是发光（红外和射电）的行星，有18颗卫星。土星是仅次于木星的大行星，显著特征是有一个光环，光环是由直径几厘米至几米的冰块组成，它们以很快的速度绕土星运转。土星是太阳系中卫星数目最多的一颗行星，迄今已发现61颗卫星。,土星,二 太阳系的小天体,太阳系有很多小行星、彗星、流星等小天体。有些小行星甚至比大行星卫星的体积还要小。,Tago-Sato-Kosaka彗星,提丢斯-波得定则,.1764年德国的一位中学教师提丢斯发现行星的排列有一个规律：如果令土星到太阳的距离为100个单位，那么：水星离太阳 4+0=4个单位金星离太阳 4+3=7个单位地球离太阳 4+6=10个单位火星离太阳 4+12=16个单位?离太阳 4+24=28个单位木星离太阳 4+48=52个单位土星离太阳 4+96=100个单位当时在离太阳28个单位处并未发现有行星。柏林天文台台长彼得把提丢斯的想法总结成为提丢斯彼得定则，可写成如下的数学公式：Rn=0.4+0.32n-2,（一）小行星,关于小行星的来源：一种观点认为，火星和木星之间存在过一颗大行星，后来爆炸成小块，形成了小行星群。另一种观点认为，小行星起源于原始星云，原始星云在逐渐形成太阳和太阳系的行星的时候，有一部分星云演化不健全，形成小行星群。,木星和森林之火,最新的发现表明，小行星也可有卫星，如直径243千米的大力神星就有一颗直径为45.6千米的卫星，两者相距977千米。,小行星逐渐接近地球(示意图),（二）彗星,彗星是太阳系里一种比较特殊的天体，当它远离太阳时呈现为一个云状小斑点，接近太阳时它会长出尾巴，越靠近太阳，尾巴越大、越长。,彗星结构示意图,彗星中最著名的是哈雷慧星，因为它是被预言回归的周期彗星。彗星质量主要集中在彗核内，彗核的大小约为数千米，彗核的密度约为1克/厘米，而彗尾物质极为稀薄，约为地面空气密度的十亿分之一。,哈雷(Halley)彗星的核,（三）流星和陨星,夜晚，人们有时会看到一道亮光划破夜空，这就是常见的流星现象 在太阳系空间存在无数尘粒和小固体块，总称为流星体。它们都绕太阳公转，地球绕太阳公转时常会和流星体相遇，它们闯入地球大气层后，摩擦生热、燃烧、发光。,流星,质量在5千克以上的流星体在停止发光时还会有残余的未气化部分，假如它落到地面上就称为陨星。除了单个、零星的流星外，还有一类周期性流星，在每年大致相同的日子里，可以看到较多流星从天空某一点向外辐射状射出，这种现象又叫做流星雨。,狮子座流星雨,冥王星已不是九大行星之一,2002年10月，美国加州理工学院的天文学家布朗和特鲁希略在美国天文学会行星科学部的一次会议上宣布，他们在太阳系的最外缘发现了一个球形天体。新天体暂用名为“夸欧尔”。夸欧尔绕太阳公转的周期为288年，直径约为1290千米，相当于冥王星的一半，位于太阳系边缘的“柯伊伯带”，距地球64亿千米，由冰和岩石组成。,冥王星,在“柯伊伯带”内侧，有条被称为库伯带的小行星带，冥王星就是在库伯带中发现的一颗大行星，其中某些天体可能比冥王星还大。这一发现动摇了冥王星作为太阳系九大行星之一的地位。然而，“欧夸尔”这个名字还需得到国际天文学会的认可。,2006年8月24日晚在布拉格召开的国际天文学联合会(IAU)第26届大会上，来自各国天文界权威代表投票通过联合会决议，今后原来九大行星中的冥王星将不再位于“行星”之列，而属于矮行星。,按照新定义，位于围绕太阳的轨道上；有足够大的质量来克服固体应力，达到流体静力平衡的形状(近于球形)；并可以清空自身轨道附近区域的天体叫“行星”。即便满足前两个条件要求，但还没有清空自身轨道附近区域的天体就不叫行星，而起新名字为“矮行星”。,四 太阳系有第九大行星吗？,2005年7月29日，发现“夸欧尔”的美国加州理工学院行星科学教授麦克布朗再次向新闻界宣布他发现了太阳系内的第十大行星编号为“2003-UB313”。,一、深度撞击1、撞击计划2005年1月12日，“深度撞击”号宇宙飞船成功发射，并在距离地球1.3亿千米处发射撞击舱撞击“坦普尔1号”彗星的彗核。这是人类历史上史无前例的“炮轰”彗星太空实验。,2.4 深度撞击和登陆火星,坦普尔1号彗星,2、撞击的目的和意义目的：首次直接探测彗核内部的物质；了解彗核表面的构成、密度、强度及其多孔性；研究彗核表面和其内部物质的关系；了解彗星演化的历史；根据撞击坑的形状和深度等，判断彗核物质发生的变化。,深度撞击号成功撞击坦普尔1号彗星,意义：这次撞击会将彗核内部可能包含的太阳系原始物质暴露出来，从而加深人类对太阳系起源演化的认识有助于解开地球生命之谜实战演练炸毁有可能撞击地球的小天体是美国军方导弹防御系统在太空中的一次“演习”,深度撞击号成功撞击坦普尔1号彗星,撞击彗星发生瞬间的情景模拟图,3、撞击过程,4、撞击结果当“深度撞击”的撞击器轰击“坦普尔1号”的彗核表面后，覆盖在彗核表面的细粉状碎屑以每秒5千米的速度腾起，在彗星上空形成一片云雾。这些漫天飞舞的碎屑中包含有水、二氧化碳和有机物。,撞击彗星瞬间图,二、登陆火星,1、火星奥德赛,2、火星快车,3、勇气号和机遇号,“勇气”号火星探测器着陆模拟图,4、火星勘测轨道飞行器,2.5月球撞击,2009年10月9日，NASA连续用一枚“半人马座”运载火箭和月球陨坑观测和传感卫星(LCROSS)撞击月球南极的凯布斯坑，以探测月球之上的水冰。NASA的科学家们在行动前分析：首先一个2.2吨的火箭以时速5600英里、超过音速7倍的极速一头扎在月球暗无天日之所，4分钟后再来个相当于首次撞击强度三分之一的“二撞”，应会在月表产生高达约10公里的尘埃和持续约30秒的闪光，尘埃和蒸汽能攀升到足以捕获阳光的程度，并可在地球位置观测到。,撞月一小时后，位于美国加利福尼亚州圣迭戈附近的帕洛马天文台天文学家称，他们用口径为英寸的望远镜观测了两次撞击，但没有观测到火箭撞击产生尘埃的迹象。当天一大早起来欣赏此次撞月的一些天文爱好者对此也感到失望，不知究竟发生了什么，甚至认为这次撞月有些“虎头蛇尾”。,撞月的确发生了，月球坑观测和传感卫星科学团队正在对相关数据进行初步评估，目前还不好判断月球上是否有水。月球坑观测和传感卫星与月球勘测轨道飞行器2009年月日升空，开始月球探测之旅，这次任务是美国“重返月球”战略计划的第一步，将为美国载人探月和探索太阳系提供重要数据。,2.4 太阳系的起源和演化,一个合理的太阳系起源理论，首先要能解释下列事实：（1）各行星沿共同的方向在同一平面内在接近正圆的轨道上运动（2）行星分布的提丢斯-彼得定则（3）太阳系角动量的荒谬分布（4）无论是质量还是组成都有很大不同的两类行星类地行星和类木行星（5）类地行星的自转速度比类木行星的自转速度慢得多（6）在火星和木星的轨道之间有几十万颗小行星，且都顺行，该区域预计应有一颗大行星（7）卫星和彗星是如何产生的？特别是彗星，既有顺行又有逆行,一 太阳系起源的研究简史,关于太阳系起源的学说，本质来说可以分为两类：灾变说 星云说,1）灾变说,法国动物学家布封在18世纪提出第一个灾变说，他认为太阳系的形成是由于彗星的碰撞。不过此中说法一直没有被人们作为正确的理论所接受。,极光,2）星云说,法国科学教笛卡儿最先提出。他提出了漩涡星云理论。1754年，德国哲学家康德提出了具有真正科学意义的星云说，他认为太阳系内现有的天体都是由于同一星云通过万有引力作用而形成。,极光,拉普拉斯的星云说获得很大的成功，他认为星云是一团庞大的炽热的气体星云，这团星云在宇宙中缓慢自转，由于温度下降而收缩，自转加快，在引力和离心力的作用下，星云变为盘状。当离心力大到可以和引力抗衡时，一部分星云在原处形成圆环状星云，同时可形成光环。中心物质形成太阳，环内物质聚集在密度大的地方形成行星。此外，拉普拉斯考虑了温度的变化。康德和拉普拉斯的星云说称为古典星云说。,3）其他假说,除灾变说和星云说外，还有其他的一些假说:如星子说，潮汐说，双星说等，但是它们都有某种灾变的味道。,白矮星和普通星组成的双星,二 太阳系起源的现代观点,迄今为止，世界各国提出的星云说有三十多个，大体分为两类：俘获说：太阳从恒星际空间俘获物质，形成太阳周围的星云，然后星云在聚成行星和卫星。共同形成说：太阳和行星，卫星由星云同时形成。又包括旋涡学说，原行星学说，电磁学说等,三 太阳系的演化,太阳系自从46亿年前形成以来一直非常稳定，但并不是说太阳系是静止的。根据已得证据，太阳系的形成用了大约一亿年左右的时间。由于太阳系小天体的形成和演化至今也无统一的说法，特别是规则和不规则的卫星的存在，使得太阳系形成的理论更加复杂。,Peg51的发现,Peg51是1995年瑞士天文学家米歇尔和迪迪尔发现的一颗与太阳类似的带有一颗小行星的恒星。Peg51的发现的重要意义：第一：证明行星系统的存在不是太阳系的专利，随着各种处于不同时期的行星系统的发现，将使太阳系起源和演化的理论得到发展和完善。,第二：为人类寻找宇宙中的知音提供了可能。尽管Peg51的行星温度太高，不适合生命的存在，但不能排除在该恒星附近存在与地球相仿的行星的可能，生命现象有可能在该恒星的其他行星上发生，也就是说，生命的存在应该不是太阳系的专利。,四 太阳系起源和演化的哲学思想,牛顿的经典力学体系，尽管是唯物的，但却是形而上学的。他提出了宇宙不变论。康德的星云说基本上坚持了唯物主义观点，他的名言：给我物质，我就用它造出一个宇宙。他对牛顿的宇宙不变论提出了两点批判：,太阳系成员示意图,第一：批评了牛顿的外因论，强调了内因论。指出行星，卫星绕中心天体旋转的原因并非来自上帝的“第一次推动”，而是由于原始弥漫物质内部的引力与斥力相互作用所引起的运动及其转化造成 第二：批判了牛顿的永恒不变论，强调了发展论。指出，在宇宙中，包括太阳系内的一切天体，既是有生有灭的，又是有灭有生的，它们处于永恒的生死成毁的循环发展过程中。,人们对客观的真理性认识，总是有一个过程。借助假说的形式，不断积累观测资料，综合运用已知的各种科学理论去探索未知的客观规律，增加假说中的科学内容，减少假定的成分。随着新的观测事实的发现，又会出现原先的假说不能解释的新现象，从而再提出新的假说。这就是科学的世界观和方法论，是指导我们探索宇宙，进行科学研究的唯一有效的认识过程。,END,