天文学基础知识太阳系概述.ppt
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1,太阳系,天文协会学术部沙永强,天文学基础,一、太阳系概况,太阳系在银河系离中心近3万光年处,以太阳为中心受太阳引力支配的天体系统太阳系,太阳系:
太阳、八大行星、矮行星及其66颗卫星、小行星和彗星以及行星际间的介质等组成。
太阳是太阳系中唯一的一颗恒星,其质量占整个太阳系的99.87,能发出强烈的光和热。
八大行星:
太阳系直径118亿km,合79个天文单位。
太阳发出的光需要5.5小时才能穿出太阳系。
水星,金星,地球,火星,木星,土星,天王星,海天星,冥王星,矮行星:
小行星带:
火、木星之间;冥王星外柯伊伯环带。
太阳系中行星运转共面(黄道面)。
行星运动形式:
自转和绕太阳公转。
彗星,八大行星的分类:
(1)类地行星:
水星、金星、地球、火星。
特点:
密度大(内部为硅酸盐,有固体外壳)、体积小、自转慢、卫星少,有固态外壳和金属核心。
(2)类木行星:
木星、土星、天王星、海王星。
特点:
体积大,密度小,卫星多,自转快,无固体外壳,有浓密的大气。
(3)矮行星冥王星:
它是一个特殊的行星,既像类地,又像类木,但又都不是,它个头很小,轨道特殊,异常冰冷。
6,共面,近圆,同向,行星,彗星绕太阳公转卫星(月亮)同时还绕行星公转,太阳系内天体运动,1571-1630,表面的温度:
6000。
二.太阳,1.熊熊烈焰百亿年,直径约:
1.4106km,是地球直径的109倍。
寿命:
100亿年。
太阳:
中等主序星期的恒星。
大气中有73种元素。
氢:
71%;氦:
26.5%;氧、碳、氮、氖等气体:
2%,镁、镍、硅、硫、铁、钙等:
0.4%,其余60种不足0.1%。
2.能量及来源,太阳的能量主要来源:
中心的核心部分聚变反应。
核心:
温度1.5107oC;压力340亿倍大气压。
释放能量:
26.7MeV。
每秒钟有质量为6亿吨的氢热核聚变为5.96亿吨的氦,释放出相当于400万吨氢的能量,根据目前对太阳内部氢含量的估计,太阳至少还有50亿年的正常寿命。
爱因斯坦的质能关系:
氢热核聚变为氦:
3.结构与成分,根据物理属性分为:
核心、辐射层、对流层、光球层、色球层、色球层以外是太阳的大气日冕。
(1)日核太阳的中心核反应区。
约占太阳半径的20,集中了太阳质量的一半。
高温高压使这里的氢原子核聚变为氦。
(2)辐射区范围:
0.250.86太阳半径,边缘温度约为70万k。
辐射:
射线X射线极紫外线紫外线逐渐变为可见光和其他形式的辐射。
(3)对流层:
在辐射区外侧,太阳气体呈对流的不稳定状态,厚度大约14万km。
温度、压力和密度变化梯度很大,物质径向对流强烈又不均匀,可产生低频声波,将机械能通过光球传输到太阳的外层大气。
(4)光球层:
厚度为500km的不透明的黄色气体薄层,温度约5770k(太阳的平均有效温度)。
光球层发射几乎全部可见光。
光球层上最显著的现象是太阳黑子。
在光球层有“米粒”、“超米粒”组织,“米粒”组织直径约1000到2000公里,寿命约十分钟;“超米粒”组织,尺度达三万公里左右,寿命约20小时。
(5)色球层红色的色球层厚度约1500km。
色球层温度:
4500k8000k50000k。
日珥色球上玫瑰红色的舌状气体如烈火升腾,大的日珥高于日面几十万公里。
色球上有许多挺拔的针状物、彩色的谱斑、细细的网纹、冲天的日浪、耀斑。
耀斑在色球与日冕之间有时会突然发生剧烈的爆发现象。
(6)日冕太阳的最外层大气。
由高温、低密度的等离子体组成。
日冕温度达一二百万开。
高温使气体获得克服太阳引力的动能,形成不断发射的较稳定粒子流太阳风,是造成彗星尾背向太阳的主要动力。
日全食时看到的日冕,太阳风,三.类地行星(水星、金星、地球、火星),1.水星,水星距离太阳0.39AU。
质量约为3.31023kg,为地球的0.055倍。
日光辐照强度比地球表面大7倍,水星大气稀薄,昼夜温差大:
427-173。
自转周期为58.65地球日,公转周期为0.241地球年,即88地球日。
八大行星中除地球之外水星的密度最大(5.43g/cm3)。
水星地貌酷似月球,有大小不一的环形山、辐射纹、平原、裂谷、盆地等地形。
当水星走到太阳和地球之间时,我们在太阳圆面上会看到一个小黑点穿过,这种现象称为水星凌日。
水星凌日平均每世纪发生13次。
水星,金星离地球只有0.27AU。
黄昏的“长庚星,黎明的“启明星”。
2.金星,金星距太阳约1.082108km,直径约为12103.6km,体积为地球的0.86,质量为地球的0.81。
自转周期:
243个地球日,自转自东向西,与公转反向。
密度:
5.24克/立方厘米公转周期为224.7个地球日,赤道与轨道面的夹角只有2.6o,故季节效应不明显。
金星没有辐射带和磁场,CO2含量97%以上,强烈的“温室效应”使金星表面温度高达465485oC,温差很小,基本上没有昼夜、季节和地区的差别。
金星,金星表面的气压为90atm,相当于地球上海洋深处900米左右所受的压力。
表面风速大约2-3米/秒,随高度的增加,风速逐渐增大,在50-70公里高空,风速高达100米/秒,强烈的对流产生了频繁的闪电。
在离金星表面30-88公里的空间,是一层浓密的硫酸雾。
金星表面不存在任何液态水,没有任何生命形式存在的可能。
金星上最高的山脉是麦克斯威尔山,高度11270米,北半球大高原长3200公里,宽1600公里,比西藏高原大的多,有一条大裂缝穿过赤道地区,是太阳系天体上发现的最大裂缝。
3.地球,地球是太阳系中唯一适宜生命存在的天体。
地球内部有四个同心球层:
内核、外核、地幔和地壳。
地球有丰富的水,5.1亿平方公里的表面上有70.8%的海洋。
自转周期:
23小时56分4秒,即8.616104s。
公转周期:
365.2422天。
地球是一个三轴椭球体,赤道处略为隆起,两极略为扁平,赤道半径比极半径长20多公里。
地球的赤道半径为6378137m6.378106m,地极半径为6356752m6.357106m。
地球的质量大约为61024kg。
平均密度:
5.515克/厘米3太阳与地球质量比:
332946.0离太阳平均距离:
1.495978701011米表面温度:
-30+450C表面大气压:
1.013105帕斯卡公转轨道半长径149597870千米公转轨道偏心率0.0167黄赤交角23度27分,地球,月球,月球地球唯一的卫星。
月球的直径3476km,自转周期为27天7时43分11.5秒,公转周期为27天12时44分。
月球的公转轨道接近圆形,轨道半径为38万km。
它始终以一面朝地球。
月球表面有较平坦的暗色的“月海”,和一系列布满“月陆”的环形山。
月球,朝向地球的月面,月球环形山,4.火星,火星轨道是地球的1.5倍,自身半径是地球的0.53倍(3389km),体积大约为地球的1/7。
密度3.934g/cm3自转周期:
24小时37分。
公转周期为686.98地球日,其赤道与轨道面的倾角为24o,故季节效应和地球一样明显。
火星,1976年美国发射的海盗(Viking)1号和2号登上了火星。
探测结果表明,火星表面的大气压0.008atm,大气的组成是CO2体积占95.6%,N2占2.7%,Ar占1.6%,O2占0.1%,而水汽的含量极微。
北半球夏天白昼的温度约-10C,夜间可降到-85C;在冬季,白昼的最高温度-85C,夜间-125C。
火星表面75%是由硅酸盐,褐铁矿等铁氧化物构成的沙漠,一片橙红和棕红色的戈壁景象。
当地球和火星运行到太阳的同一侧并差不多排列在一条直线时,称为火星冲日,由于火星的椭圆轨道偏心率较大,每隔15-17年有一次与地球特别接近的冲,称为大冲,是观测火星的最佳时刻。
火星表面表现为两个截然不同的半球,被一个大约倾斜于赤道30度的大圆分开,南部半个球面崎岖不平,部满环形山,最大的直径约1600公里,局部地区环形山的密度与月球和水星差不多;北部半个球面相对平坦。
火星最高的山峰是“奥林匹斯火山”,其底部直径约500公里,火山口直径72公里,高度约25000米,几乎是珠穆朗玛峰的三倍。
最大的峡谷是“水手9号”发现的水手谷,绵延5000多公里,宽200公里,比周围地面低6-7公里。
火星表面不存在液态水,但从发现的数千条干枯河床来看,火星从前曾经有过水。
火星表面的地形起伏,火星上的谷地,木星是太阳系中最大的行星,质量占除太阳外其余质量的35%,为地球的318倍,太阳质量的0.1%。
体积是地球的1300倍,密度只有l.4gcm3。
其主要成份和太阳一样,是氢和氦。
木星大气按质量氢占82%,氦占17%,此外有微量的甲烷(CH4),氨(NH3),水汽,磷化氢(PH3),锗化氢(GeH4),乙烷(C2H6),乙炔(O2H2)等。
木星公转周期:
4332.71地球日,约12年。
自转周期:
0.410地球日。
四.类木行星(木星、土星、天王星、海王星),1.木星,木星,木星大气呈现红、棕、蓝、白等丰富彩色和花纹。
木星表面花纹的主流是平行赤道的一系列亮带(上升的热气流)和暗带(下降的冷气流)。
最惹人注目的是中心在南纬20的“大红斑(GreatRedspot)”,它横跨5万km,是类似于地球上飓风的大气旋。
据信这是某种形式的耗散结构。
木星的赤道半径为7.15104km,是地球的11.2倍,极半径为6.69104km,其外形是扁的,是很快的自转所致。
木星上的大红斑,是地球直径的三倍,木星上的阳光辐射只有地球的4,从热量收支平衡来计算,它的等效温度应是-149C。
木星辐射的能量是它从太阳吸收的能量的1.67倍,即木星内部有一定的能源。
木星的内部在强大的引力作用下缓慢地收缩,从而释放出一些热量。
引力收缩还不能“点燃”核聚变反应。
所以人们说木星是一颗“失败了的恒星”。
现已发现的木星的卫星可均分为4组。
最内的一组4个卫星很小,其中3个是被旅行者号发现的;外面的第二组即伽利略卫星。
上述两组卫星的轨道近于圆形,平行于木星的赤道面顺行。
再外面的第三组轨道偏心率都较大,与木星赤道面约成30角,逆向运行。
最外面一组卫星太小了,对它们的转动几乎一无所知。
木卫一、二、三、四是木星的最大的四颗卫星(伽利略卫星),木卫一(Io)和木卫二(Europa)的大小和地球的月亮差不多;木卫三(Gansmede)和木卫四(Callisto)比水星稍大,是太阳系中最大的卫星。
木卫一是个不断喷发着岩浆的火山世界,木卫二、三、四的表面都是冰。
四颗卫星的外面几乎都没有大气。
木卫二可能是太阳系中除地球外唯一有液态水的星球,在它表面的冰层下有个很深的“地下”海洋(水幔);覆盖着整个硅酸盐的内核。
2.土星,土星离太阳的距离是9.539AU,它离太阳比木星几乎远一倍,也因高速自转(周期10.2小时)而变得有些扁。
土星的赤道长半径6.016104km,是地球的9倍。
公转周期:
10759.5地球日,29.5地球年。
体积:
745个地球质量:
5.71026kg,为地球的95.159倍密度:
0.70g/cm3,是九大行星中最小的故而它更应是最轻的元素氢和氦为主组成的。
土星,土星赤道面与轨道面夹角有27,故土星上的季节效应颇为重要。
土星内部是由分子氢和金属组成的幔(mantle)和一个硬的内核。
据估计,土星内核的平均密度有19gcm3,含25的金属,75的冰、甲烷和氨。
土星向空间散发的能量是它所接收阳光辐射的三倍,故其内部也有可观的能源。
不过它的引力收缩效应比木星弱得多,其能量来自氦与氢分离而向下沉积时释放出的引力势能。
土星美丽的光环,1610年伽利略就注意到土星有许多“耳朵”;1655年惠更斯正确描绘它是与赤道共面的薄盘;17世纪意大利(天)卡西尼(G.Cassini)设想它是由大量不相连的碎细物体组成;土星环内颗粒大小从数米到1微米,其成份是混有杂质的脏冰雪。
土星环的厚度小于10m。
土星有18个卫星,最大的是土卫六(Titan),比木卫三略小,但大于水星。
土卫六的密度为1.9gcm3,其成份是冰雪与岩石掺半。
旅行者1号的探测,土卫六的大气稠密,表面大气压1.5atm,温度-180C。
大气成份主要是N2(82一94%),其余部分是甲烷和氩。
3.天王星,天王星是太阳系中次于木星、土星的第三大行星。
它到太阳的距离19AU。
天王星的成份主要是氢和氦。
它的赤道半径25900km,是地球直径的4倍,体积是地球的65倍,质量是地球的14.63倍。
平均密度1.24g/cm3。
公转周期是30685地球日,折合84地球年。
自转周期17时14分24秒(0.71833地球日),为逆向自转。
天王星几乎“横躺”在公转轨道面上,在它的一年内,太阳光轮流照在它的北极和南极上(目前是它的南极处于昼半球)。
卫星数(已确认的)27个,天王星,4.海王星,海王星到太阳的距离30AU。
它的赤道半径24750km,是地球赤道半径的3.88倍,体积是地球的57倍,质量是地球的17.22倍。
平均密度1.67g/cm3。
自转周期18小时12分24秒(0.658地球日),公转周期是60190地球日,折合164.8地球年。
卫星数:
13(已确认的)海王星的色调偏绿,其大气主要成份氢、氦,尚含有较多的甲烷。
海王星的大气不像天王星那样平静,旅行者2号在它的南纬22度处观察到一个“大黑斑”,这是和木星大红斑一类的持久气旋。
海王星,已发现海王星有13颗卫星,1989年8月24日旅行者2飞临海王星时,对海卫一(Triton)进行了较详细的考察,确定了它的半径为1360km,小于月亮,但它的质量却等于1.9个月亮。
海卫一密度较大,其成份应包含相当多的金属和硅酸盐。
海卫一具有极稀薄的N2大气,南北极覆盖着固态氮和甲烷的极冠,那里的温度只有37K。
海卫一的表面呈现出许多火山活动的遗迹,加之它的成份与附近星体如此不同,人们怀疑它是位“异乡来客”。
海卫一的奇特轨道似乎也说明这一点:
其轨道面相对主星赤道面的倾角达28,却与土星绕日的轨道共面;此外,它绕主星的旋转是逆行的。
50,海王星,与美国大小比较,太阳系的遥远边疆,冥王星和冥卫一,海王星是太阳系中大气活动最为剧烈的一个行星,冥王星是太阳系最外的行星,它很奇特,2006年确定为太阳系的二级行星矮行星。
冥王星到太阳的距离39.4AU。
它的赤道半径1500km,体积是地球的0.009倍,质量是地球的0.0026倍。
平均密度1.1g/cm3。
自转周期6.3872地球日,公转周期是90800地球日,折合248地球年。
卫星数(已确认的)3,五.矮行星(冥王星),冥王星,1766年德国天文学家提丢斯(J.Titius)偶然发现一个数列:
(n+4)/10,将n=0,3,6,12,代入,可相当准确地给出当时已知行星的轨道半径。
那时天王星尚未发现,提丢斯波得定则对土星以内的所有行星(包括地球)的位置都描述得很成功,只是在2.8AU处有个空档。
1781年英国天文学家赫歇尔根据公式推算发现了天王星,天王星的发现进一步证实这公式有效,更激发了人们在火星和木星之间寻找这颗“缺失”行星的热情。
六.小行星带,1.提丢斯波得定则,1801年,意大利的皮亚齐(G.Plazzi)在例行的天文观测中偶然发现在2.77AU处有个小天体,即把它命名为谷神星(Ceres)。
其实它的半径只有500km,算不得是颗行星。
1802年德国天文学家奥伯斯(H.Olbere)在同一区域内又发现另一小行星,随后命名为智神星(Pallas)。
尔后数年,又有人发现另外两颗小行星婚神星(Juno)和灶神星(Vesta)。
2.小行星带的发现,现在拍摄下来的小行星有50多万。
大部分小行星在火星和木星之间,到太阳的平均距离是2.8AU,其中半数的轨道在此数2.80.25AU的范围内。
轨道与地球轨道相交的小行星,统称阿波罗小行星。
轨道已查明的阿波罗小行星有28个,它们都很小(0.4-8km)。
估计阿波罗小行星的总数约1300。
与地球相撞的概率是25万年中有一次。
近来天文界则认为,太阳与木星的引力平衡带是形成小行星带的主要原因。
在这个引力平衡带中,任何大块的星体都会被太阳和木星的引力扯碎。
1.彗星概况,七.彗星,1687年牛顿提出,彗星是和其它天体(行星)一样在绕日轨道上运行的天体,它们遵从同样的天体力学定律。
哈雷(E.Halley)注意到,1682年出现的彗星与1607和1531年的管星极其相似,认为它们是同一天体,每76年出现一次,并预言它将在1758年再次来临。
彗星与行星的重大区别之一,是它们轨道的偏心率很大,即近日点和远日点的距离相差甚远。
彗星,哈雷彗星,彗星分为短周期和长周期两类。
短周期彗星的扁椭圆轨道完全处在太阳系中,周期小于200地球年。
现已知的这类彗星约100个。
其中最典型的就是哈雷彗星,其近日点在0.587AU处(金星以里),远日点差不多在海王星轨道处,轨道偏心率达0.9672。
大多数短周期彗星是顺行的,但约有1/20是逆行的,哈雷彗星即属此例,其轨道面倾角为162.2。
长周期彗星的轨道延伸到冥王星以外很远的地方,很难说它们的轨道是椭圆还是抛物线。
2.彗星的成分与结构,彗星的质量极小,其形状和大小随它们相对于太阳的位置显著地变化。
彗星的结构主要由彗核(nucleus),彗发(coma)和彗尾(tail)三部分组成。
1950年F.Whipple提出彗星的“脏雪球”理论,认为彗核由一些易挥发物质(如水、CO2、HCN、甲醛、甲烷、氨等)的冰组成,其中混杂着一些硅酸盐尘埃和岩石碎块。
1986年2月当哈雷彗星再次到达近日点时,苏联发射的一对“金星一哈雷彗星(Vega)”飞行器在离彗核仅八、九千米处穿过它。
探测的结果都肯定了脏雪球理论。
62,彗核,气体彗尾,离子彗尾,彗发,太阳,彗星运动方向,彗星结构,彗星的结构,彗发体积的80%是水汽,其密度只有地球海平面上空气密度的310-12,。
彗发中除水外,最多的成分是CO2。
哈雷探测器还在离彗核106km处探测到CO+、CH+、C+、H2O+、H+、C2+、OH+、H3O+等离子和OH、C2、C3、CN、NH、NH2等自由基,这些无疑是阳光光化学作用的产物。
彗尾有两个,第一个永远沿着背离太阳的方向,随着到太阳的距离而消长。
这种彗尾由高激发态的气体离子组成,发着荧光。
第二个彗尾的指向稍落后于前者,它弥散暗淡,由自身不发光的尘埃组成,只反射阳光。
65,哈雷彗星(1986年),哈雷彗星,66,海尔波普彗星,海尔波普彗星(1997年),67,百武彗星,百武彗星,68,3.彗星的运行周期与来源,彗星的周期是不太准的,例如哈雷彗星每次总迟到4.1地球日,也有的彗星提前到来。
这是由于彗星每次通过近日点时,会有大量物质蒸发后被剥离,可以看到,一些彗星周期性地来临时,一次比一次暗淡,甚至突然消失。
短周期的彗星寿命一般只有几千年;短周期彗星是长周期彗星与太阳系内的天体(特别是质量最大的木星)遭遇时转化而来的。
长周期彗星的远日点多在5104AU处,故1950年荷兰天文学家奥尔特(J.Oort)假设,在这个距离上聚集了一个由脏雪球组成的永久云层(后称“奥尔特云”)。
由于奥尔特云的半径已达离太阳系最近恒星的间隔的1/10,毗邻恒星引力的摄动作用会偶尔触及其中个别“脏雪球”的轨道,把它们抛掷到太阳系内部来,形成长周期彗星。
奥尔特(J.Oort)假设,73,苏梅克利维9号彗星(1994年),从不同角度所见彗木相撞的情况,彗木相撞壮观,4.彗星撞地球与生物大灭绝,1983年美国古生物学家D.Raup和J.Sepkkdki对地球上2.5108年以来古生物资料进行统计分析后发现,在这段时间里至少发生过7次周期性的大规模物种灭绝事件。
绝灭率最高的一次在白垩纪末,物种灭绝达70%,恐龙从此在地球上消失了。
事件发生的周期是2.6107年,每次延续2106年。
因此,L.W.Alvarez等人1980年在全球范围内发现了两层富铱的地质沉积物,其沉积年代与两次物种灭绝事件重合。
此外,陨石坑形成的统计数据也表明有大体上一致的周期性。
当前较有诱惑力的一种解释是太阳有颗伴星,它与太阳互绕的周期是2.6107年。
每当这伴星经过近日点时,必穿过奥尔特云,使其中一小部分星体脱离原来的轨道而进入太阳系,有的与地球相撞,形成陨石雨,使地球上尘埃蔽日,形成类似“核冬天”的灾难,地壳中铱的丰度比宇宙中小得多,陨石雨将相对来说富铱的物质带给地球,这便是富铱沉积层的来源,这位假设的太阳伴侣被命名为Nemesis,她是希腊神话中专司因果报应的女神。
“报应女神”假说,77,奥尔特云示意图,柯依伯带天体照片,78,解答太阳系生命起源之谜。
彗星上携带着丰富的碳、水、氨气、氨基酸,非常有可能地球上的生命,就是彗星撞击的赐与。
研究和探测彗星的意义,79,流星和陨石,流星:
行星际空间的尘粒和固体块(流星体)闯入地球大气圈同大气摩擦燃烧产生的光迹。
若它们在大气中未燃烧尽,落到地面后就称为“陨星”或“陨石”。
流星有单个流星、火流星、流星雨几种。
80,81,火流星,82,83,“吉林一号”陨石,2008年4月10日,西班牙科学家发现太阳系外最小的行星。
这颗迄今太阳系外探测到的最小行星是GJ436c,它的质量是地球的5倍。
其表面主要由岩石构成,半径略大于地球半径的一半,它环绕距离地球30光年狮子星座中的一颗小型红矮恒星GJ436运行。
据悉,研究人员是在分析环绕恒星GJ436的另一颗较大行星变形轨道时发现了GJ436c的存在,这种分析方法早在100多年前探测海王星时使用过。
GJ436是一颗并不比地球大多少的恒星,它与GJ436c的运行轨道非常接近,因此不适宜生命体存在。
85,太阳系的起源,星云学说:
原始星云(自引力作用)收缩中心形成太阳,外面星云盘行星和卫星,86,猎户座Orion,三颗新生恒星的放大像恒星周围有星云盘包围,恒星形成区,87,原始太阳星云开始坍缩,a.缓慢旋转运动的原始星云;b.原始星云开始收缩;c.一面旋转一面下落,形成星云盘和核球,太阳系形成示意图,88,星子形成的想象图,
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