天文學(xué)導(dǎo)論第4講-行星

1、天文學(xué)導(dǎo)論 II：行星科學(xué),第4講 太陽系（1）：行星 第5講 太陽系（2）：矮行星、小天體 與太陽系形成 第6講 （太陽）系外行星與地外生命探索,天文學(xué)導(dǎo)論,第4講 太陽系(1) 行星,You are a child of the universe no less than the trees and the stars; you have a right to be here, and whether or not it is clear to you, no doubt the universe is unfolding as it should. DESIDERADA (AUTHOR

2、UNKNOWN),本講內(nèi)容,太陽系概觀 類地行星 水星 金星 地球與月球 火星 類木行星 木星 土星 天王星 海王星,太陽系,太陽系指太陽本身以及被其引力所束縛的天體一起所構(gòu)成的體系 太陽（一顆“不”普通的恒星） （八大）行星：（4）類地與（4）類木 矮行星 （數(shù)目？） 小天體：小行星、彗星、流星體等 衛(wèi)星 撞擊：隕石,冥王星的行星地位之爭,地球 金星、木星、水星、火星，土星 天王星、海王星：望遠鏡與發(fā)現(xiàn)者 冥王星（1930年發(fā)現(xiàn)），將其列為第九大行星早已被“天文界”稱作“歷史性的誤差” 近年來，在海王星軌道以外的柯伊伯帶不斷觀測到一些天體，它們的質(zhì)量（如“塞德娜”）和冥王星的質(zhì)量相似，有的天

3、體如“鬩神星（齊娜）”甚至比冥王星還大 Planet 10，11，？ “塞德娜”、“鬩神星”和冥王星一樣，都應(yīng)該屬于“柯伊伯”帶中質(zhì)量較大的天體,國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）行星決議案,第26屆IAU大會，2006/8/24，布拉格 現(xiàn)代的觀測正在改變我們對行星系統(tǒng)的認識。重要的是，我們對天體的命名需要反映我們目前的理解。特別地，這也適用于對“行星”的確認。最開始“行星”這個詞描述的只是以天空中移動的光點為人所知的“游蕩者”。最近的發(fā)現(xiàn)使得我們可以根據(jù)目前已有的科學(xué)信息創(chuàng)建一個新的定義。,IAU 行星決議案：太陽系的行星定義,決議5：IAU因此決議把行星和太陽系內(nèi)的其它天 體定義為如下不同的三類

4、： 行星是一個具有如下性質(zhì)的天體：（a）位于圍繞太陽的軌道上，（b）有足夠大的質(zhì)量來克服固體應(yīng)力以達到流體靜力平衡的形狀(近于球形)，以及（c）已經(jīng)清空了其軌道附近的區(qū)域。 矮行星是一個具有如下性質(zhì)的天體：（a）位于圍繞太陽的軌道上，（b）有足夠大的質(zhì)量來克服固體應(yīng)力以達到流體靜力平衡的形狀（近于球形），（c）還沒有清空其軌道附近的區(qū)域，以及（d）不是一顆衛(wèi)星。 其它所有圍繞太陽運動（不是衛(wèi)星）的天體被定義成“太陽系小天體”。,IAU 行星決議案：冥王星,決議6：IAU進一步?jīng)Q議： 根據(jù)上述的定義，冥王星是一顆矮行星，并且被認定成新一類海（王星）外天體的原型。,1。太陽系概觀,處于中心的太陽，

5、其質(zhì)量為太陽系其它所有成員總質(zhì)量的約1000倍 太陽系（八大）行星，由最靠近太陽的行星算起，依次為：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。均為1900年以前被發(fā)現(xiàn)的。 矮行星：冥王星 、谷神星、鬩神星（Eris 齊娜，2003UB313）等 太陽系小天體：小行星 ，彗星，流星體（流星）等小天體 柯伊伯帶（盤狀）和奧爾特云（球殼狀）,行星（+冥王星）的相對大小,太陽和由氣體構(gòu)成的氣態(tài)巨行星（木星、土星、天王星和海王星）是太陽系中最大的天體,相對直徑,行星（+冥王星）到太陽的距離,和到太陽的距離相比，行星的大小實在是微不足道 地球到太陽的平均距離=1天文單(AU)=1.5x108千米

6、，約為地球直徑的10,000倍,行星到太陽的平均距離,距離（軌道，空間）快速增大,質(zhì)量（相對于地球）,氣態(tài)巨行星的質(zhì)量也占行星總質(zhì)量的絕大部分,密度,氣態(tài)巨（外）行星的大質(zhì)量是由于其體積大，而不是由于其密度大 內(nèi)行星（巖石）是最致密的,公轉(zhuǎn)（Revolution）軌道（Orbit）,行星公轉(zhuǎn)軌道為橢圓，太陽位于一個焦點上 同向公轉(zhuǎn)：所有行星環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)的方向一致（逆時針） 包括太陽在內(nèi)，大部分行星的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)同向 太陽系形成的證據(jù),真實的軌道大小和形狀（按比例） 行星不按比例 逆時針公轉(zhuǎn)（順行）,Top View,1996秋的內(nèi)太陽系,1996秋的內(nèi)太陽系,白色表示在黃道面上方，黃色在黃道面下

7、方 內(nèi)行星軌道基本上在同一平面內(nèi) 水星軌道面 最扁 與黃道面夾角最大(7度),Side view,太陽系行星全貌 （1996秋，軌道按比例）,注意外太陽系的巨大空間 內(nèi)太陽系被壓縮好像變?yōu)橐粋€軌道 （冥王星軌道的偏心率很大）,Top View,太陽系行星全貌 （1996秋，軌道按比例）,相對黃道面，冥王星軌道面傾斜很大（17度）,Side View,軌道偏心率,2。類地行星The terrestrial (Earth-like) planets,按比例的類地行星,Earth 地球,Venus 金星,Mars 火星,Mercury 水星,類地行星的一般特征,像地球 靠近太陽 鐵（鎳）核心和巖石外

8、殼 沒有或極少衛(wèi)星 體積小 質(zhì)量不大 致密，密度= 4-5 g/cm3 大氣稀薄,類地行星的物理數(shù)據(jù),Mercury 水星鐵質(zhì)行星,Planet 1，距太陽0.39AU 0 衛(wèi)星 從地面很難研究，因為和太陽同升同落而被陽光污染 地面雷達 Mariner （水手）10 號（1974-1976） “信使”號水星探測器：2004/8/3發(fā)射，已于2011年3月18日進入水星軌道，將進行至少1年的科學(xué)探測,水星表面酷似月球,表面布滿隕石坑 (craters) 是水星最令人注目的特征。好像月球那樣，屢屢遭受撞擊,撞擊坑的典型特征包括輻射紋和中心的小山丘 沒有板塊構(gòu)造的證據(jù) 怪異軌道和高密度（鐵）特征強大

9、碰撞造成現(xiàn)在的面貌！ 卡路里盆地的另一面長約5000千米的山脈,水星幾乎沒有大氣,極稀薄大氣，主要是鈉氣和少量氦氣。表面大氣壓接近零 氣態(tài)鈉表明水星表面溫度極高（水星最接近太陽），足以使巖石中的鈉氣化 稀薄大氣 水星表面晝夜溫差極大 T= 430 C (晝) T= - 170 C (夜),金星 煉獄行星,Planet 2 from the Sun，距地球最近 晨星和晚星 -4.4 等，“太白”，“維納斯” 0 衛(wèi)星 被具有高反射效率的云層所包裹 探測器： 前蘇聯(lián)：“金星”號系列； 美國：水手號，先鋒號，麥哲倫號,金星的自轉(zhuǎn),自轉(zhuǎn)方向和其它行星相反 自轉(zhuǎn)軸沒有傾斜，幾乎和公轉(zhuǎn)平面垂直，所以金星沒

10、有四季之分 自轉(zhuǎn)非常緩慢，恒星日=243天 巨大天體的碰撞？,濃密大氣與嚴重的溫室效應(yīng),金星的大氣層濃密，氣壓為地球的90倍 大氣成分：90%二氧化碳、3%氮氣、少量二氧化硫 地球： 79% N2 20% O2 少量CO2 等 由于大氣富含二氧化碳等溫室氣體，能把吸收的太陽能圍困于大氣中，造成有效的溫室效應(yīng) 金星表面各處的溫度基本一致，差不多都達500C，是太陽系最熱的行星，也沒有晝夜溫差,金星的云和酸雨,整個金星表面被硫酸(H2SO4)云所覆蓋，所以金星上的雨是名副其實的酸雨 酸雨溶解了巖石中的碳酸鹽和硫酸鹽，釋放出二氧化碳和二氧化硫，進一步加強金星大氣的溫室效應(yīng)和腐蝕性,先鋒10號的紫外像

11、,金星的表面光滑,和水星不同，金星由于受到濃密大氣的保護，表面隕石坑比較少，比較光滑,麥哲倫號飛船的雷達資料： 隕石坑、火山、平原、河谷等 殼層只包含一個板塊,古拉蒙斯火山,49千米寬的隕擊坑,地球 金鎖軌道上的行星,地球表面適宜水保持液態(tài) 0.95-1.5 AU：生命區(qū)域 （幾乎）太陽系唯一適宜高等生命生存的星球 活動的行星,質(zhì)量 6x1024 kg. 半徑 6400 km： 光每秒可繞地球 7.5圈 最高珠峰（8844.43米），只是地球表面一條不起眼的小皺褶 平均密度約為水的5.5倍，密度最大的行星 除了諸多人造衛(wèi)星，只有一顆自然衛(wèi)星我們的月亮,地球的結(jié)構(gòu),最深處為地核(鐵和鎳) ，很熱

12、，分內(nèi)外兩層，內(nèi)核固態(tài)（T6000），外核液態(tài)。維持地熱的能源主要來自地球內(nèi)部的天然放射性物質(zhì) 地核之外是呈半液態(tài)的地幔，高溫使固體巖石流動 最外層是固態(tài)的巖石地殼,Plate Tectonics 大地板塊構(gòu)造說,地殼不是堅硬的球體，而是由若干連綿數(shù)千公里，但厚度只有50公里，且漂浮在熾熱的軟流層上的板塊所組成,地球的磁場,地心的旋轉(zhuǎn)（對流）產(chǎn)生了地球磁場 磁軸既不和地球自轉(zhuǎn)軸一致，也不通過地球的中心 磁極南北倒向,The magnetic field is tilted by about 18with respect to the rotation axis, so compasses po

13、int to a magnetic pole that is in northern Canada.,Aurora 極光,地球磁場俘獲太陽風(fēng)所攜帶的帶電粒子，并把它們導(dǎo)向地球兩極。當帶電粒子與地球大氣中的原子和分子碰撞時，這些原子和分子便會發(fā)光，產(chǎn)生絢麗多彩（多為綠色）的極光 地球磁場由于屏蔽了太陽風(fēng)而保護了我們,北極光（Alaska）,南極光（奮進號航天飛機）,地球大氣,氮氣78% 氧氣20% 其它：氬氣，二氧化碳等 溫室氣體 二氧化碳 二氧化硫 甲烷 ,溫室效應(yīng) Greenhouse Effect（自學(xué)）,地球大氣中的溫室氣體能有效阻擋紅外線向外太空輻射，從而使地球溫度升高，即溫室效應(yīng) 大

14、量溫室氣體能強烈影響一顆行星的表面溫度,If increase CO2 in Earths atmosphere, probably get global warming (uncertain?),月球引起的潮汐Tide,月球?qū)Φ厍虻囊ψ饔茫詫碌暮Ｋ顝?、地球本身次之，而對遠端的海水最弱 相對地心來說，這個引力差形成了兩處隆起的海水 地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致同一地點海水一天兩次漲潮的現(xiàn)象,太陽引起的潮汐,太陽對地球及海水的引力是月球的一半，其引力差同樣造成同一地點海水一天兩次漲潮 在新月或滿月時，月球和太陽的影響會疊加在一起，所以當日的漲潮更高,月球,地球唯一的天然衛(wèi)星 地月平均距離為地球直徑的3

15、0倍 月球直徑僅為地球的1/4，質(zhì)量則為1/81，因此月球表面的引力只有地球的1/6,月面上較暗的部分稱為月海maria, 滴水全無，只是遠古時期月殼形成時凝固了的熔巖 月面上較亮的部分稱為山，其實不是山，而是由大量星際物質(zhì)撞擊月面時所形成的環(huán)形山（隕坑）（伽利略命名）,mare,highland,死寂的月球,月面上保存了大量完好的環(huán)形山（隕擊坑craters，非火山），暗示月球內(nèi)部的演化已處于停滯期，甚至可以說月球已經(jīng)死亡,月球存在水！,環(huán)形山的成因,簡單環(huán)形山形如一個碗 復(fù)雜環(huán)形山則有一個小山丘在隕坑中央。小山丘是由撞擊后變形的月殼物質(zhì)反彈所形成的,月球無大氣,引力太小不能有效束縛大氣 S

16、o temperature goes through extremes: -100 C (night) to 130 C (day) ! 平均表面溫度：-42,月球成因？,姊妹說：同源于一個母體-太陽系原始星云 母女說：月球是地球形成后從地球分離出去的一部分形成的 情侶說：月球另有來源，特定條件下被地球俘獲 撞擊說（主流觀點）：地球形成初期，一個火星般大小的原行星劇烈撞擊尚未凝固好的年輕地球，造成地球自轉(zhuǎn)軸傾斜，并噴發(fā)出一部分由原始地球和撞擊物組成的物質(zhì)，從而形成月球，并緩慢遠離地球,月球探測,月球是目前人類唯一踏足過的天體。自二十世紀六十年代末至七十年代初，美國的阿波羅登月計劃便有六次載人成

17、功登陸月球 新一輪探月（登月、月球基地）高潮已經(jīng)開始 日本的月亮女神2007年9月14日發(fā)射成功 中國的嫦娥一號2007年10月24日發(fā)射成功 中國的嫦娥二號2010年10月1日發(fā)射成功,火星紅色行星,Fascination for the possibility of life,It will be possible to see cities on Mars, to detect navies in its harbors, and the smoke of great manufacturing cities and towns. Is Mars inhabited? There can

18、 be little doubt of it . conditions are all favorable for life, and life, too, of a high order. Is it possible to know this of a certainty? Certainly. - quoted in Feb., 1973 National Geographic (from a book called World Making 1895 by Samual Leland Phelps a professor of astronomy),Viking 2 海盜 2,地球生命

19、來自火星？,1996年在地球南極發(fā)現(xiàn)的火星隕石中顯現(xiàn)出36億前的原始生命的可能跡象! Tube-like structures (tiny bacteria?) + several lines of chemical evidence, very controversial, but intriguing!,火星探測器,1997-7-4，火星探路者（Mars Pathfinder）：火星小車“索杰娜” Spirit and Opportunity勇氣號和機遇號 2004-1-4和5 名稱：一個小姑娘的提議 /home/index.htm

20、l,“火星像地球”,Planet 4，1.38AU-1.67AU，-2-1.5星等 火星是一顆（桔）紅色的行星，這是由于其表面有豐富的氧化鐵（惑星或熒惑） 火星的自轉(zhuǎn)周期為1.026天，自轉(zhuǎn)傾角為24，所以火星也有四季和晝夜長短的變化 和地球一樣，火星擁有極冠，但主要為固態(tài)的二氧化碳(干冰) 和少量水冰, 且夏消冬長 火星年有680多天 0.53倍地球半徑,稀薄大氣,火星質(zhì)量僅為地球的1/10，表面重力不及地球的4/10，因而大氣層十分稀薄，表面壓力只有地球的1%。大氣主要由二氧化碳(95%)和氮(3%)組成，水蒸氣0.01%。 雖然大氣主要由二氧化碳組成，但是火星大氣太稀薄，不能有效束縛太陽

21、能，因此它的表面溫度變化很大：-130C - 30C。 由于火星距離太陽遙遠，所以表面平均氣溫很低 火星也有云，有些云是白色的，由水汽和二氧化碳組成；有些云則是黃色的，其中參雜了大量的沙塵，橙紅色天空 大溫差干燥導(dǎo)致劇烈變化氣候，因而火星上多風(fēng)，時常沙塵暴，可席卷整個火星，但風(fēng)速不大,火星地表,Viking 2 lander (1976),Mars Pathfinder (1997 July 4),The Sky is not Blue!,水：？ ！,Mars Pathfinder (1997): 大量平原 沒有河流，生命？ 古老河床：曾經(jīng)有過豐富的水資源，目前水可能存在于永久凍結(jié)帶和極冠區(qū)域

22、 NASA火星勘測軌道器：堆積在火星極地附近的冰層 火星全球勘測者：火星表面在過去七年形成的溪谷火星不久前還有水噴出,有趣的地形,火星表面有許多火山，大多數(shù)比地球的更壯觀 火星上沒有活火山，但仍留下大量與火山活動有關(guān)的地貌，是由于缺乏類似于地球的板塊漂移運動所致,太陽系最大的火山：奧林匹斯火山，高達25公里（珠峰高度的3倍），直徑600公里,火星和地球火山的形成,火星表面的峽谷,火星另一個重要特征是峽谷。最大的一個是綿延5000公里、寬200公里、深7公里的水手峽谷（深度為美國大峽谷的4.4倍）,火星沒有類似于地球的板塊運動也可由其表面欠缺綿延不斷的山脈得到證明,火星的衛(wèi)星：“雙月懸天”,火星

23、有兩顆細小且不規(guī)則的天然衛(wèi)星，較大一顆（火衛(wèi)一）的直徑僅27千米 自轉(zhuǎn)周期=公轉(zhuǎn)周期。極可能是俘獲的小行星,Phobos 火衛(wèi)一,Deimos 火衛(wèi)二,擴展閱讀,3。類木行星 The Jovian (Jupiter-like) planets,The jovian planets to the same scale,Jupiter 木星,Uranus 天王星,Neptune 海王星,Saturn 土星,類木行星的一般特征,像木星，離太陽遠 體積大， 質(zhì)量大 密度低：0.7-1.7 g/cm3 擁有很多衛(wèi)星 巖石/鐵核心 + 液態(tài) 濃密大氣層 快速自轉(zhuǎn),類木行星的物理數(shù)據(jù),* Up to 200

24、2 May,木星行星巨無霸,彩色云帶：與赤道平行,Lots of swirl spots: stormy,充當源自奧爾特云的小天體撞擊地球的巨大屏障？,木星的基本特征,Planet 5 from the Sun 太陽系內(nèi)體積和質(zhì)量最大的行星 半徑 11 Earth 0.1 Sun 質(zhì)量 320 Earth 10-3 Sun 低密度（1.3） 自轉(zhuǎn)周期約10小時。高速自轉(zhuǎn)使木星兩極扁平、赤道隆起為橢球形,木星內(nèi)部的引力坍縮 Gravitational collapse,大質(zhì)量木星的強大引力，令其內(nèi)部產(chǎn)生強大的引力坍縮，不斷將物質(zhì)的引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能 結(jié)果，木星向外太空輻射的能量比它從太陽得到的能

25、量還要多 但是木星的質(zhì)量不夠大，其引力坍縮所產(chǎn)生的熱能不足以點燃氫，因從不會產(chǎn)生核反應(yīng) 因此，我們?nèi)祟惡苄疫\，木星沒有成為另一個“太陽”。假如,木星主要成分,主要成分為氫和氦 (like Sun), 以及少量的甲烷和氨 表面氣壓極大，超過地球的1000倍，以致木星的中心由金屬相的氫組成,金屬核的超高速自轉(zhuǎn)解釋了木星的強大磁場和在木星兩極觀測到的極光,木星的大紅斑 The Great Red Spot,通常只看到木星的上層大氣。通過望遠鏡可看到木星表面的云帶和斑 (bands and spots) 木星大氣極度動蕩，其表面風(fēng)速每小時可超過1000千米,著名的木星大紅斑，就是木星大氣上的臺風(fēng)，它淡

26、淡的紅色來自硫化物。和地球上的臺風(fēng)不同，這個風(fēng)暴足有地球的3倍大，已經(jīng)刮了300多年仍未止息（但發(fā)生了變化）,木星的光環(huán)系統(tǒng),和土星一樣，木星亦有光環(huán)系統(tǒng)，但它的光環(huán)十分暗淡，地面望遠鏡根本看不到 事實上，（光）環(huán)系統(tǒng)也是四顆類木行星的共同特征,木星的衛(wèi)星,木星有61個衛(wèi)星，包括四顆著名的伽利略衛(wèi)星： 木衛(wèi)一艾奧 Io, 木衛(wèi)二歐羅巴 Europa（生命？） 木衛(wèi)三加尼未 Ganymede 木衛(wèi)四卡利斯托 Callisto,Brightness, structure, and crater density of moon terrains give clues to geological ac

27、tivity,艾奧：最著名的是它的火山活動，噴出大量硫化物，并形成非常年輕的地貌 加尼未是太陽系最大的衛(wèi)星 歐羅巴和卡利斯托的冰層下可能存在湖泊,IO：火山口（黑點）；內(nèi)部熔化,土星有光環(huán)的“天神”,土星的基本特征,Planet 6 from the Sun Large size and mass, 2nd largest 在眾多行星中，密度最低(0.7g/cm3），比水輕，“水上漂” 土星和木星十分相似： 高速自轉(zhuǎn), 10 hr 15 min 類似的內(nèi)部熱能轉(zhuǎn)化機制 類似的大氣成分(Mostly H, He), 云帶（不顯著） 金屬氫核心 強磁場 ,華麗的光環(huán),土星的光環(huán)名聞遐邇。光環(huán)的厚度

28、約1公里，主要由數(shù)毫米至數(shù)米的塵埃和冰塊組成 光環(huán)并非連續(xù)，有無數(shù)小環(huán)組成。地球上可見4-5個環(huán) 因此土星光環(huán)有很多寬窄不一的暗的狹縫，最明顯的是兩個主環(huán)之間的卡西尼縫 Cassini division,Voyager 2 旅行2號 image of outer B ring,土星光環(huán)的成因,在很久以前，土星的潮汐力曾把一個或數(shù)個衛(wèi)星撕碎（或者說，土星的強大潮汐力使它周圍的物質(zhì)未能形成衛(wèi)星），便形成了現(xiàn)在的美麗光環(huán) 光環(huán)位于赤道上，與其軌道面成27度夾角 每29年側(cè)對地球兩次（e.g., in 1995）,牧羊衛(wèi)星,部分土星光環(huán)，在其外圍和內(nèi)圍都有一顆衛(wèi)星，稱之為牧羊衛(wèi)星，它們的引力作用猶如牧

29、羊犬的作用，可以把離群的碎片趕回光環(huán)之內(nèi)，穩(wěn)定環(huán)的結(jié)構(gòu),Voyager 2 images of Epsilon Ring,土星的衛(wèi)星,土星有很多衛(wèi)星（3161顆），最著名的是土衛(wèi)六泰坦（Titan 太陽神）： Largest among moons around Saturn 大氣濃厚，主要由氮組成 煙霧彌漫，有溫室效應(yīng) 甲烷湖泊 Life possible?,“卡西尼” 細探土星，“惠更斯”登陸泰坦,1997/10/5 發(fā)射，2004/7/1進入繞土星軌道 2004/12/25，“惠更斯”與“卡西尼”分離，于2005/1/14到達泰坦表面,天王星躺著自轉(zhuǎn)的行星,Planet 7 from the Sun 1781發(fā)現(xiàn)（威廉 赫歇爾） 軌道周期 84