第2章地球的宇宙环境

第2章地球的宇宙环境

第3节恒星和星系

第4节太阳和太阳系第5节月球和地月系地球上的经线和纬线

地球上的方向和距离地球—地心—地轴—北极和南极—经线和纬线—赤道和本初子午线

上章回顾地球上的方向地球上的距离⑴地平；⑵有关方向的最初定义：我国古代定义正南方为正午太阳所在的方向，日出为东（非正东），日没为西（非正西）；⑶地平方向和十二地支、方向与时辰；⑷有关方向的第二个规定：地球自转方向向东；⑸地球自转与时针方向：北极上空看，逆时针；南极上空看，顺时针；⑹地球上的南北方向东西方向；⑺“亦东亦西”与“非东即西”。⑴角距离⑵线距离①海里：经线1分的弧长（1圆周360°，1°=60′）②公里：经线1分的弧长（1圆周400°，1°=100′）③华里：经线1°之长的1/200（1圆周400°）经度与纬度纬度：线面角地理纬度：本地法线（即该点的铅垂线或大地水准面的法线）与赤道面的交角。地心纬度：地面一点与地心连线同赤道面的夹角。范围及书写方式：0°S～90°S，0°N～90°N。本地子午线平面与本初子午线平面的夹角。范围与书写方式：0°W～180°W，0°E～180°E。地理坐标地理坐标的作用：表示某一特定地点的地理位置；表示各个地点之间的方向和距离。地理坐标的读取与书写：纬度在前，经度在后。例：墨卡托投影图没有角度变形，常作航空、航海图。经度：二面角天球天穹和天球天球上的基本点和圈天球上的方向与距离天球的视运动天穹：人们直接观测到的半球形的天空。天球：是一个假想的以观测者或地心为球心，任意长为半径的球形天空。地心天球与日心天球地平圈与天顶、天底地平圈：通过天球中心，垂直于观测者所在地的铅垂线的平面同天球相交的大圆圈，叫做地平圈SWNE。天顶和天底（Z、Z'）：地平圈的两极，铅垂线向上和向下延长同天球的交点。天轴、天极与天赤道子午圈：过天顶、天底和天极的大圆四正点与上点、下点：黄道与黄极、二分二至圈南北方向：由南、北天极决定东西方向：参考地球上的方向左手定则天球上的距离：角距离天球的周日视运动方向：自东向西，与地球自转方向相反周日绕转中心：天北极周日运动路线：周日圈（周日平行圈）周年运动：⑴太阳周年运动方向：自西向东，与地球公转方向相同视行路线：黄道⑵星空季节变化本节学习重点恒星和星云；星座和星空；恒星的发光和光谱；恒星的亮度和光度；恒星的多样性；银河和银河系；太阳在银河系中的位置和运动；总星系；无限的宇宙太阳的距离、大小和质量；太阳的热能、温度和热源；太阳的大气；太阳的活动；太阳系的行星和卫星；行星的绕日公转；类地行星和类木行星；彗星；流星体；太阳系的起源问题月球的距离和大小；月球和地月系的绕转；月相和朔望月；面上的自然条件第三节恒星和星系恒星一、恒星及其自行定义恒星空间速度的两个分量：视向速度和切向速度恒星自行 恒星的自行速度，一般都小于每年0.1″，迄今只发现有400余颗恒星的自行超过每年1″。图2-2

北斗七星的自行及形状变化二、恒星的发光和光谱恒星的发光恒星演化史上某个阶段的现象；要有巨大的质量。恒星的光谱恒星的光谱反映恒星温度的高低；光谱中的吸收线和发射线反映恒星化学组成(化学组成大同小异,主要成分是氢)。三、多普勒效应四、恒星亮度和光度恒星的亮度：恒星的明暗程度星等：视星等m和绝对星等M视星等是亮度等级；绝对星等是光度等级；星等越小，亮度越大。连续几个星等的亮度成几何级数若相邻两星等的亮度比率(级数的公比)为R，则

R5=1005lgR=2

lgR=0.4R=2.512星等相差1等,恒星的亮度相差2.512倍；星等以等差级数增大，亮度以等比级数递减；太阳的亮度是一等星亮度的(2.512)27.74=1300亿倍。假设有两个恒星,其亮度为E和E0，星等为m和m0。则：

E/E0=2.512m-m0

（2-1） 两边取对数,且有

lg2.512=0.4，得：

lgE0-lgE=0.4(m-m0

)

m-m0=2.5(lgE0-lgE)（2-2） 如果取零等星(m0=0)的亮度E0=1，则

m=-2.5lgE

（2-3）普森公式，根据恒星的亮度E推算星等m。图2-3

光源的视亮度与其距离的平方成反比，距离增加1倍，亮度便减为1/4天文学的距离单位天文单位，光年，秒差距；为了比较不同恒星的光度，必须移到同一距离上，这个标准距离为10秒差距，合32.6光年；1秒差距＝206265天文单位；太阳是恒星世界的普通一员。标准距离10秒差距下的恒星亮度称绝对亮度，其星等称绝对星等：光源的视亮度与其距离平方成反比；实际距离d、视星等m，10秒差距时的亮度Em和绝对星等M。设EM表示绝对亮度，Em表示视亮度，由公式(2-1)得：

EM/Em=2.512(m-M)恒星亮度与距离平方成反比，如以秒差距为单位，则：

EM/Em=

d2/102

d2/102=2.512(m-M)

两边取对数，且有lg2.512=0.4，则：

2lgd-2=0.4(m-M

)

m-M

=5lgd-5

M=m+5-5lgd

（2-4）只要测定恒星的绝对星等，便可求知该星的距离。五、恒星的多样性单星，双星，星团变星，新星，超新星巨星，超巨星，白矮星脉冲星，中子星光谱-光度图通常也叫赫罗图。它以恒星的光谱型（或温度）为横坐标，以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自的光谱型和光度，在图上占有一定的位置。太阳位于主星序的中部，可见它是一颗很典型的恒星。图2-4

光谱-光度图图2-5

恒星大小的比较六、恒星的演化

现代天体物理学最大的成就之一就是基本上说明了恒星演化和元素演化两个重要问题。发生→发展→衰亡→转化恒星是由星云凝聚而成。弥漫星云在自引力的作用下，收缩成比较密集的气体→引力势能转化为热能，内部温度升高并辐射能量→向赫罗图上某个主序位置移动。质量愈大，收缩愈快，达到主序的位置愈高（温度高，光度大）。恒星“移到”主序后，内部温度高到足以发生热核反应的程度→热核反应代替引力收缩成为主要能源→温度升高，热运动加快，恒星膨胀，排斥力足以同引力相抗衡→恒星停止收缩，长期稳定依靠热核反应进行辐射。一颗恒星在主序中的时间，占去其“生命”的大半辈子；且在主序上逗留的时间，取决于其质量的大小→质量愈大,引力愈强→它必须维持较高的温度和较久的辐射功率以与引力收缩抗衡→它的氢燃料消耗更快，寿命更短。热核反应是在恒星的中心区域进行的，那里的氢核燃料最先燃尽，逐渐形成一个由氦组成的核，停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭，是恒星在结构上逐渐发生变化的前奏。随着氦核的不断增大，其引力收缩急剧增强，并释放大量能量。结果，恒星的核心收缩（变得愈来愈致密和炽热），外层膨胀（温度降低而光度增大），成为一个非常巨大的具有“热”核的“冷”星。从而恒星离开主星序，进入红巨星区域——生命的“晚年”。在红巨星阶段，恒星的演化速度大大加快。中心区域的温度和密度因收缩而继续升高，到1亿摄氏度时开始进行由氦核聚为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素→能量有限，到了“垂暮之年”，一旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃→自行坍塌。红巨星收缩时，核心部分收缩最猛烈，外部处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星→以后逐渐变冷，变成又小又暗的黑矮星→终其一生。并非所有恒星都经历如此“平静”的演化道路。那些质量和体积特别巨大的恒星，演化的最后阶段会发生爆炸——超新星爆发。如留下“残骸”的质量足够大（1.4~3.2倍太阳质量），便会“一落千丈”地坍塌为中子星（于1967年发现，1978年发现了300颗以上）。恒星在核能耗尽后，如质量仍超过2倍的太阳质量，则平衡态不再存在，星体将无限收缩。连核力也将在引力作用前面低下头来，中子也会坍塌，形成所谓的“黑洞”。目前没有密度大于1015克/厘米3的物质的实验数据，无法推测星体的具体结构，但根据理论可以推断：星体的半径将愈来愈小，密度将愈来愈大，终于达到临界点→引力之大足以使一切粒子、包括光子，都不能外逸，因而谓之黑洞。星系一、银河与银河系同一事物的两个不同现象银河系是以银河命名的星系（形似圆盘）；银河是银河系主体在天球上的投影（环天光带）。银河系总质量：大约是太阳质量的1400亿倍；星数：1～2千亿颗。银河系结构银河系主体：圆盘体（直径约8万光年）和银晕；圆盘体：核球和银盘；核球中心：银核；银核中心：银心。图2-6银河系结构俯视图：图中十字符号代表银心；三条短黄线是太阳附近的三条旋臂图2-7银河系结构侧视图图中红点代表太阳）二、太阳在银河系中的位置和运动位于银道面附近。银河为周天的环带。太阳在银河系内偏距银盘的一侧，向银心所在方向，太阳距银盘边缘约6.4万光年；向银心相反方向，太阳距银盘边缘约1.6万光年。太阳在银河系中的的运动相对于银心的旋转，其速度为250km/s，绕转周期为2.5亿年；相对于邻近恒星的运动：太阳系以20km/s的速度向武仙座方向（近织女星）前进，此方向所指的点谓之奔赴点。三、河外星系河外星系星系群星系团总星系四、宇宙哲学宇宙宇宙无限；空间无限：无边无际（无边界，形状和中心）；时间无尽：无始无终（无起源，年龄和寿命）。科学宇宙：指总星系时间上有起源、空间上有边界；大爆炸宇宙学：在宇宙膨胀理论的基础上发展起来。大爆炸宇宙学（1929年）

（Big-bangcosmology）：在宇宙膨胀理论的基础上发展起来。主要观点：宇宙有一段由热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的。而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。，这一从热到冷，丛密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。大爆炸的整个过程：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但因为整个体系在不断膨胀，结果温度在不断下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素。化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束。这时，宇宙间的主要物质是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度下降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。大爆炸模型能统一地解释以下几个观测事实：大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。观测到河外天体有系统性的谱线位移，而且红移与距离大体呈正比。如果用多普勒效应来解释、那么红移就是宇宙膨胀的反映。在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度产生很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。根据宇宙膨胀速度，以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一具体历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一的伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，在微波波段上，果然探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约3K。

上述观测事实无论在定性上还是在定量上都同大爆炸理论的预言相符。但是，在星系的起源和各向同性分布等方面，大爆炸宇宙学还存在着一些未解决的困难问题。五、天文新发现EastChinaNormalUniversity第四节太阳和太阳系太阳一、太阳的距离、大小和质量日地平均距离：1.496×108km（即天文单位）大小：半径约700000km（为地球半径的109倍）表面积：地球表面积的12000倍

体积：地球体积的1300000倍质量：1.989×1030kg（约为地球质量的33万倍）二、太阳的热能、温度和热源太阳热能太阳常数：8.16J/(cm2·min)；平均距离，太阳直射，大气界外；太阳辐射总量：3.826×1026J/s；地球所得：1.74×1017J/s（占22亿分之一）。图2-8推测出的太阳结构与剖面示意图太阳是我们惟一能观测到表面细节的恒星。直接观测到的是太阳的大气层，它从里向外分为

光球→色球→日冕太阳温度根据太阳辐射热量推算的温度称有效温度；根据太阳辐射光谱测定的温度称辐射温度；太阳光球温度：5770K

；太阳中心温度：15000000K；色球温度：100000K；日冕温度：1500000K。太阳热源产热过程：热核反应（氢核聚变为氦核）；产热方式：质量转化为能量；产能中心：在太阳核心。四、太阳活动：太阳大气各种变化的总称（太阳“天气变化”）黑子：扰动太阳的明显标志。耀斑：扰动太阳的主要标志，对地球的影响最强烈。磁暴：电离层干扰。产生极光。太阳系一、太阳系的发现

地心说日心说图2-9以地球和行星共同绕太阳运动来解释行星的视行，这是哥白尼日心说的精髓开普勒行星运动定律第一定律（轨道定律）：行星轨道都是椭圆；太阳位于椭圆的焦点之一；第二定律（面积定律）：行星向径在轨道平面上扫过的面积与时间成正比，即面速度不变；第三定律（周期定律）：两行星周期平方之比，等于其距离立方之比：

T12/T22=a13/a23图2-10开普勒第二定律：面速度不变第一牛顿用万有引力定律，修正了第三定律：

T12(M+m1)/T22(M+m2)=a13/a23

T1和T2分别表示两行星的的公转周期，a1和a2分别表示它们与太阳的平均距离（即各自轨道的半长轴）开普勒认为，行星单纯绕太阳中心运动；牛顿认为，行星和太阳都绕它们的共同质心；质心的位置取决于二者的质量比。开普勒廓清了行星轨道的几何特征，指出了行星怎样运动；获得了“天空立法者”的美誉；牛顿解释了行星运动的物理原因，回答了行星为什么这样运动。至此太阳系理论完全确立。二、太阳系的组成九大行星水星，金星，地球，火星，土星，天王星，海王星，冥王星。其他成分小行星，卫星，彗星，流星体等。三、行星按照轨道位置划分以地球为界分为地内行星和地外行星；以小行星带为界分为内行星和外行星。按物理性质划分类地行星和类木行星：类地行星：水星，金星，地球，火星距太阳较近，质量较小，平均密度高，以重物质为主，温度高；类木行星：木星，土星，天王星，海王星，离太阳较远，质量大，平均密度低，以轻物质为主，温度低。九大行星的轨道图2-11行星的轨道大小行星的大小对比图2-12行星的大小对比四、彗星和流星体彗星本质上是在偏心率很大的轨道上绕日运行的冰物质彗星的奇特外貌是它通过近日点前后的暂时现象哈雷彗星图2-13哈雷彗星的轨道

5,200,000,000km图2-14彗星的结构短周期彗星与非周期彗星彗星的结构彗核彗发彗尾离子彗尾尘粒彗尾五、流星和流星体流星

火流星

偶发流星

图2-15下半夜的流星多而且明亮六、太阳系起源的星云假说行星轨道的共同特征：同向性，共面性，近圆性星云假说的基本论点形成太阳系的物质基础是弥散星云；形成太阳系的动力来源是自引力。意义：在“僵化的自然观上打开第一个缺口”（恩格斯语）。2-16太阳系起源示意图1太阳星云2星云变成扁球形3原始太阳和

圆环体4太阳和行星的形成5太阳系月球据测定，月球的地平视差为57'

，它与地球半径r和月地距离d的关系为：

csc57'=d/r

d=rcsc57'=60r即月地距离为地球半径的60倍。第五节月球和地月系图2-17地平视差天体位于天顶时，视差为零；天体位于地平时，视差最大，称为天体的地平视差一、月球的距离和大小月地平均距离：384400公里半径：1738公里，地球赤道半径的27.25%表面积：地球表面积的7.4%体积：地球体积的2.03%质量：7.196×1022kg，地球质量的1/81.3平均密度：3.34g/cm3，约为地球的60.5%月面重力加速度：1.622m/s2，约为地面的1/6二、月球表面月海月陆环形山辐射纹月谷

三、月面的物理状况月海，月陆，环形山没有大气，没有水分，没有生命地月系一、地月系的绕转图2-18月球和地球都绕它们的共同质心而运动（共同质心在地球内部位置的变化）月球绕转地球轨道形状椭圆，偏心率0.0549；白道：月球轨道在天球上的投影；黄白交角：白道面相对于黄道面的交角（5º9'

）；周期：27.32日（恒星月）；速度：角速度：33'/小时，线速度1.02km/s。

几个概念恒星月：月球在白道上连续两次通过同一恒星（无明显自行）所需的时间：27.3217日。从这一次新月（或满月）到下一次新月（或满月）所经历的时间：29.5306日。近点月：以月球近地点为参考点，月球的公转周期：27.5546日。交点月：