第1章宇宙中的行星地球

第一章宇宙中的行星地球?宇宙星體?太陽系：結(jié)構(gòu)?地球在太陽系中的地位?地球在太陽系中的運動?星體影響和撞擊

平凡：地球是太陽系中的一顆普通行星

不平凡：太陽系中唯一存在生命演化和高級思維能力的人類；唯一發(fā)生板塊構(gòu)造運動的星體。?宇宙星體宇宙：一個統(tǒng)稱的概念，理論模型，無窮無盡，多不知星系：一些星系的精美圖片銀河系：第二章的內(nèi)容太陽系：本章的主要內(nèi)容地球：本書的內(nèi)容宇宙：深空宇宙島（河外星系）

漩渦星系橢圓星系不規(guī)則星系星系相互作用星系群和星系團(tuán)

宇宙：銀河星系示意圖銀河系銀河系中心視場大小為1500光年的射電圖象。宇宙：恒星世界恒星雙星脈沖星超新星球狀星團(tuán)疏散星團(tuán)星云（銀河系）?太陽系：結(jié)構(gòu)組成太陽系：由太陽、行星及其衛(wèi)星、小行星、彗星、流星體和行星際物質(zhì)構(gòu)成的天體體系。太陽：太陽系的中心天體。質(zhì)量、引力、發(fā)光恒星九大行星：內(nèi)層包含水星，金星，地球，火星；外層的行星為木星，土星，天王星，海王星和冥王星。也有分成類地行星、巨行星、遠(yuǎn)日行星或者類地行星、類木行星等。按傳統(tǒng)說法，太陽系被分為行星（繞太陽公轉(zhuǎn)的大物體）、衛(wèi)星（如月球，繞行星公轉(zhuǎn)的各種大小的星體）、小行星（小型的密集的繞太陽公轉(zhuǎn)的星體）和彗星（小個體的冰質(zhì)的繞高度偏心軌道公轉(zhuǎn)的星體）。小行星：幾十萬顆，正式編號的7625顆（1997.4.22止）衛(wèi)星：九大衛(wèi)星共66顆衛(wèi)星，半徑〉1000km的衛(wèi)星7顆，包括月亮。彗星：已知約1600顆，每年能觀測到約10顆，新發(fā)現(xiàn)50%。軌道有拋物線、雙曲線、橢圓三種類型。流星和隕石：塵粒或固體塊高速燃燒光跡稱為流星，未燃盡的流體塊墜地稱為隕石。1976.3.8吉林市郊隕石群，最大塊1770kg，世界已知最大。行星際物質(zhì)：密度很小，如地球軌道附近平均密度5個正離子+5個正電子/立方厘米太陽。SOHO拍攝太陽。這四幅太陽像是在不同元素譜線及不同波段上拍攝的，其中(a)鐵IX/X,17.1nm(b)鐵XII,19.5nm(c)鐵XV,28.4nm(d)氦II/硅XI,30.4nm。SOHO攝于1998年10月27日。

太陽系：能量太陽的熱核反應(yīng)：太陽系的能量源太陽表面溫度6000K，中心部分溫度推測高達(dá)1.5x10000000K，密度達(dá)到水的160倍，熱核反應(yīng)。太陽輻射和質(zhì)量損耗：能量輸出電磁波形式（光和熱）放射能量稱太陽輻射：輻射量大小：太陽常數(shù)（8.29J）；全球一年獲得的太陽能量是目前全世界總發(fā)電量的幾十萬倍。質(zhì)量耗損：太陽熱核反應(yīng)已維持50億年左右，假定能量輻射率不變，太陽處于壯年期，壽命可達(dá)100億年。太陽表面圖像太陽表面出現(xiàn)有史以來最大冠狀云聚集現(xiàn)象

科學(xué)家拍攝到的太陽表面火焰3D照片大多數(shù)光斑的高度在150到400公里之間太陽釋放帶電粒子太陽活動與黑子周期：能量變化太陽活動：光球、色球、日冕三層太陽活動：直接受太陽磁場的支配處于局部的劇烈運動稱之。太陽活動的最基本標(biāo)志：黑子，日面上溫度比周圍光球低1000C左右的“暗斑”。黑子活動規(guī)律：空間分布：蝴蝶圖，時間變化：11年、22年、80年、數(shù)百年的黑子周期。太陽活動的其他類型：色球?qū)拥墓獍?、耀斑、日珥，日冕層的膨脹等。最突出的如耀斑爆發(fā)、磁暴、太陽風(fēng)等。太陽黑子太陽黑子的本影和半影兩個巨大的黑子群

太陽黑子區(qū)域的耀斑太陽光球上的米粒組織黑子群的空間分布及變化：蝴蝶圖太陽日冕。SOHO探測器拍攝。

太陽日冕。1998年8月11日攝于土耳其東部的Haza湖岸。太陽日冕。4英寸折射望遠(yuǎn)鏡攝于1998年2月

太陽日冕。攝于1991年7月11日日全食時。太陽活動的日冕變化太陽的日珥和日冕。攝于日全食時太陽日珥的爆發(fā)(右上角)。SOHO攝于1999年9月14日

太陽日珥的爆發(fā)(右下角)。太陽活動與地球上氣候、水文、地震、疾病流行等現(xiàn)象之間存在某種復(fù)雜關(guān)系：如明末清初的災(zāi)害群發(fā)期與17世紀(jì)太陽活動的蒙德極小期聯(lián)系，太陽活動與北半球降水的關(guān)系?地球在太陽系中的地位：

九大行星（運動）基本參數(shù)比較行星運動規(guī)律：德國天文學(xué)家開普勒行星運動三定律九大行星的比較：日地距離及旋轉(zhuǎn)周期、體積和質(zhì)量、密度和內(nèi)部物性分異結(jié)論：地球得天獨厚，恰好具備了有利于生命演化和人類發(fā)展所必需的多種自然條件。無論哪一項參數(shù)稍有改變，對生物界和人類的生存都會引起嚴(yán)重的甚至毀滅性的后果。行星運動定律：德國天文學(xué)家開普勒行星運動三定律行星運動第一定律（橢圓定律）：

所有行星繞太陽的運動軌道是橢圓，太陽位于橢圓的一焦點上。行星運動第二定律（面積定律）：

聯(lián)接行星和太陽的直線在相等的時間內(nèi)掃過的面積相等。行星運動第三定律（調(diào)和定律）：

行星繞太陽運動的公轉(zhuǎn)周期的平方與它們的軌道半長徑的立方成正比。九大行星的主要天體特征

太陽系的特點

為了說明太陽系的成因，認(rèn)識太陽系的以下特點：

（1）行星運行軌道都接近圓形（近圓性），并幾乎位于同一軌道平面上（共面性），只有水星和冥王星的軌道有較大傾斜。（2）行星繞太陽運行的方向除金星外都是逆時針的。大多數(shù)衛(wèi)星也按相同方向繞行星運行。（3）太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.8％，但太陽的角動量很小，不超過太陽系總角動量的2％，角動量的分配與各星體的質(zhì)量很不協(xié)調(diào)（角動量分配異常）。

（4）類地行星與類木行星在體積、質(zhì)量、密度、旋轉(zhuǎn)速度、衛(wèi)星數(shù)量方面具有系統(tǒng)性差別。

（5）其他星球上已知的元素，地球上都存在，即具有組成元素的一致性。

（6）撞擊坑形成作用在石質(zhì)行星及衛(wèi)星表面具有普遍意義。

（7）大多數(shù)行星與太陽的相對距離符合提丟斯-波得定律。

上述特點是相關(guān)聯(lián)的。因此太陽系起源的假說都是從解釋太陽系的這些特點得出的。地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)(示意圖)。

?地球在太陽系中的運動地球自轉(zhuǎn)與晝夜交替

地理坐標(biāo)系：地極（南北極）、赤道、緯線、經(jīng)線（圈）、GPS全球定位系統(tǒng)天球坐標(biāo)系：天軸、天極、天赤道、黃道、黃極、天頂天底、赤經(jīng)赤緯等地球自轉(zhuǎn)：恒星日、太陽日、自轉(zhuǎn)速度晝夜交替：形成地方時標(biāo)準(zhǔn)時區(qū)：格林威治世界時，24個理論時區(qū)地球自轉(zhuǎn)的地學(xué)意義：科氏力，南北半球的影響地球自轉(zhuǎn)速度的不均勻性變化地月關(guān)系地球軌道參數(shù)地球。這是人們第一次看到地球的真實面貌。NASA的"阿波羅"17號(Apollo17)拍攝。地球。NASA的"阿波羅"17號(Apolla17)拍攝。地球晝夜形成示意圖地球地理坐標(biāo)系地球四季形成示意圖天球坐標(biāo)系太陽日與恒星日時區(qū)劃分地月關(guān)系月球基本參數(shù)月地距離：3844011km，日地距離的1/389月球大小：半徑1738km，地球半徑的3/11；表面積為地球的1/4；體積為地球的1/49月球質(zhì)量：地球質(zhì)量的1/81.3；地球密度的3/5月球的旋轉(zhuǎn)地-月系統(tǒng)，月球公轉(zhuǎn)：月球自轉(zhuǎn)；月球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)周期相等（一個恒星月）天文潮汐和地球自轉(zhuǎn)速度變慢潮汐變形;

海洋潮汐；引力潮與潮汐隆起；潮流；潮汐摩擦;潮汐摩擦能導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)速度長期減慢的學(xué)說地月合影。"伽里略"號(Galileo)探測器攝于1992年。在月球表面看地球升起地球軌道參數(shù)公轉(zhuǎn)繞日地共同質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，距日心距離450km偏心率約0.017或1/60，近日點，遠(yuǎn)日點黃赤交角黃道面與赤道面的夾角，大小等于地軸與地球軌道面的夾角的余角，約23度26分。黃道與天赤道相交的兩個點是春分點和秋分點，黃道上距天赤道最遠(yuǎn)的兩個點是夏至點和冬至點。相對天赤道的上下往復(fù)運動，稱為太陽回歸運動，南北回歸線，回歸年。歲差地軸進(jìn)動形成歲差現(xiàn)象。最近一次歷時25000年旋轉(zhuǎn)一周（歲差周期）地球公轉(zhuǎn)軌道和偏心率黃赤交角和太陽回歸運動陀螺軸與地軸進(jìn)動?星體影響和撞擊

星體間的相互影響

星體之間都存在相互影響米蘭科維奇軌道參數(shù)：偏心率、地軸斜度、歲差米蘭科維奇學(xué)說：解釋冰期形成慧木撞擊及其啟示科學(xué)預(yù)警和預(yù)警系統(tǒng)建立天象對思想的影響九星聯(lián)珠，地球末日，人類劫難來臨，地球大爆炸等彗星結(jié)構(gòu)示意圖哈雷(Halley)彗星的核池谷－關(guān)(Ikeya-Seki)彗星。利克天文臺(LickObservatory)攝于1965年。Alcock彗星，即1959f。美國亞利桑那州的美國海軍天文臺(U.S.NavalObservatory)的40英寸反射望遠(yuǎn)鏡攝于1959年9月1日早晨。百武(Hyakutake)彗星。7英寸折射望遠(yuǎn)鏡拍攝。Tago-Sato-Kosaka彗星。攝于1969年。彗星撞擊木星(1994年)

1994年7月16日至22日，一顆命名為蘇梅克·列維9號的彗星斷裂成21個碎塊（其中最大的一塊寬約4公里），以每秒60公里的速度連珠炮一般向木星撞去。這次慧木相撞使天文學(xué)家們激動不已，它可能是望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以來——甚至是望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以前的很長時間以來——人類所能觀察到的第一次大規(guī)模天體相撞。科學(xué)家們計算，在太陽系中，像這次彗木相撞的天文奇觀大約要隔數(shù)百萬年乃至上千萬年才會出現(xiàn)一次，它為人類更深刻地了解宇宙的奧秘，揭示地球上生命的起源及進(jìn)化（如對恐龍的滅絕的爭論）提供了千載難逢的機會。這顆彗星是美國天文學(xué)家尤金·蘇梅克和卡羅琳·蘇梅克夫婦以及天文愛好者戴維·列維1993年3月24日利用美國加州帕洛瑪天文臺的46厘米天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，故以他們的姓氏命名。根據(jù)對其運行軌道進(jìn)行的計算，這顆彗星曾于1992年7月8日運行到距木星表面僅4萬公里的位置。由于受木星引力的影響，慧核斷裂成21個可反光的碎塊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去像是一串光彩奪目的珍珠懸掛在茫茫宇宙中。天文學(xué)家們推測，這顆彗星環(huán)繞木星運行也許已經(jīng)有一個多世紀(jì)了，由于它距離地球太遙遠(yuǎn)和亮度太暗淡而久久未被發(fā)現(xiàn)。它開始時可能只是一顆從外層空間進(jìn)入太陽系的普通彗星。據(jù)目前推測，太陽系外圍有一個由數(shù)十億顆彗星構(gòu)成的彗星帶?？赡苁怯捎谶^往星體產(chǎn)生的引力攝動的原因，不時有一些彗星脫離彗星帶而進(jìn)入太陽系。有的彗星像匆匆過客，只是從太陽系掠過，然后再回到外層空間，有的彗星則像哈雷彗星一樣被吸進(jìn)太陽系軌道作周期性運行。蘇梅克——列維9號彗星顯然就是被木星軌道捕捉住的一位“不速之客”。蘇梅克——列維9號彗星與木星相撞的撞擊點正好在相對于地球的背面陰暗處，人們在地球上無法直接觀察到撞擊情況。但是木星周圍有16顆衛(wèi)星和兩道暗淡的光環(huán)，科學(xué)家們可以觀察到撞擊對木星的衛(wèi)星和光環(huán)產(chǎn)生的反光效應(yīng)。此外，木星的自轉(zhuǎn)周期為9小時56分鐘，眾多的撞擊點可以隨著木星的快速自轉(zhuǎn)運行到面對地球的位置，使人類每隔20分鐘左右就能觀察到撞擊后出現(xiàn)的蘑菇狀煙云和其他效應(yīng)。眾多設(shè)備中離木星最近的一個是伽利略號木星探測器?；勰鞠嘧矔r，它正處于距木星約2億公里的位置。該探測器原定于1986年5月由美國航天飛機帶入太空發(fā)射，由于“挑戰(zhàn)者”號1986年初升空后爆炸，致使原計劃推遲到1989年10月。美國字航局對其發(fā)射方式也作了相應(yīng)調(diào)整，采取了大迂回方式，即首先讓它朝著太陽的方向飛去，途中接近金星，受金星的影響而加速，然后飛回地球附近，靠地球加速再飛入前往木星的軌道。這種方式需要花6年時間讓其到達(dá)木星附近。正是由于該探測器發(fā)射計劃和方式的變更，才使人類獲得了一次原先沒有料到的觀測手段。伽利略號探測器上裝有CCD照相機、紫外線分光儀、等離子體檢測器、磁強針等先進(jìn)的觀測設(shè)備，能對木星發(fā)出的各種光、對撞無線電波和塵埃環(huán)境等進(jìn)行測量并作詳盡的記錄。蘇梅克——列維9號彗星的第一塊含有巖石和冰塊碎片于格林尼治時間7月16日20時15分以每小時21萬公里的速度落入木星大氣層，釋放出相當(dāng)于2000億噸TNT炸藥的能量。撞擊后產(chǎn)生的多個火球綿延近1000公里，發(fā)出強光。人們通過天文望遠(yuǎn)鏡，看到木星表面升騰起寬闊的塵云，高溫氣體直沖至1000公里的高度，并在木星上留下了如地球大小的撞擊痕跡?？茖W(xué)家們測定在慧木相撞前的一段時間內(nèi)，木星發(fā)出的強電磁波比平時強9倍，撞擊時濺落點溫度瞬間上升到上萬攝氏度。木星是太陽系9大行星中位居中間而且又是最大的一個星球。它的半徑為71300公里，比地球大11倍；體積是地球的1316倍，重量是地球的318倍，相當(dāng)于其他8大行星總質(zhì)量的2.5倍。但木星的密度僅為地球的1/4，這說明木星表面有深而廣的海洋，海洋上面