天文学导论第4讲-行星

1、天文学导论 II：行星科学,第4讲 太阳系（1）：行星 第5讲 太阳系（2）：矮行星、小天体 与太阳系形成 第6讲 （太阳）系外行星与地外生命探索,天文学导论,第4讲 太阳系(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),本讲内容,太阳系概观 类地行星 水星 金星 地球与月球 火星 类木行星 木星 土星 天王星 海王星,太阳系,太阳系指太阳本身以及被其引力所束缚的天体一起所构成的体系 太阳（一颗“不”普通的恒星） （八大）行星：（4）类地与（4）类木 矮行星 （数目？） 小天体：小行星、彗星、流星体等 卫星 撞击：陨石,冥王星的行星地位之争,地球 金星、木星、水星、火星，土星 天王星、海王星：望远镜与发现者 冥王星（1930年发现），将其列为第九大行星早已被“天文界”称作“历史性的误差” 近年来，在海王星轨道以外的柯伊伯带不断观测到一些天体，它们的质量（如“塞德娜”）和冥王星的质量相似，有的天

3、体如“阋神星（齐娜）”甚至比冥王星还大 Planet 10，11，？ “塞德娜”、“阋神星”和冥王星一样，都应该属于“柯伊伯”带中质量较大的天体,国际天文学联合会（IAU）行星决议案,第26届IAU大会，2006/8/24，布拉格 现代的观测正在改变我们对行星系统的认识。重要的是，我们对天体的命名需要反映我们目前的理解。特别地，这也适用于对“行星”的确认。最开始“行星”这个词描述的只是以天空中移动的光点为人所知的“游荡者”。最近的发现使得我们可以根据目前已有的科学信息创建一个新的定义。,IAU 行星决议案：太阳系的行星定义,决议5：IAU因此决议把行星和太阳系内的其它天 体定义为如下不同的三类

4、： 行星是一个具有如下性质的天体：（a）位于围绕太阳的轨道上，（b）有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状(近于球形)，以及（c）已经清空了其轨道附近的区域。 矮行星是一个具有如下性质的天体：（a）位于围绕太阳的轨道上，（b）有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状（近于球形），（c）还没有清空其轨道附近的区域，以及（d）不是一颗卫星。 其它所有围绕太阳运动（不是卫星）的天体被定义成“太阳系小天体”。,IAU 行星决议案：冥王星,决议6：IAU进一步决议： 根据上述的定义，冥王星是一颗矮行星，并且被认定成新一类海（王星）外天体的原型。,1。太阳系概观,处于中心的太阳，

5、其质量为太阳系其它所有成员总质量的约1000倍 太阳系（八大）行星，由最靠近太阳的行星算起，依次为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。均为1900年以前被发现的。 矮行星：冥王星 、谷神星、阋神星（Eris 齐娜，2003UB313）等 太阳系小天体：小行星 ，彗星，流星体（流星）等小天体 柯伊伯带（盘状）和奥尔特云（球壳状）,行星（+冥王星）的相对大小,太阳和由气体构成的气态巨行星（木星、土星、天王星和海王星）是太阳系中最大的天体,相对直径,行星（+冥王星）到太阳的距离,和到太阳的距离相比，行星的大小实在是微不足道 地球到太阳的平均距离=1天文单(AU)=1.5x108千米

6、，约为地球直径的10,000倍,行星到太阳的平均距离,距离（轨道，空间）快速增大,质量（相对于地球）,气态巨行星的质量也占行星总质量的绝大部分,密度,气态巨（外）行星的大质量是由于其体积大，而不是由于其密度大 内行星（岩石）是最致密的,公转（Revolution）轨道（Orbit）,行星公转轨道为椭圆，太阳位于一个焦点上 同向公转：所有行星环绕太阳公转的方向一致（逆时针） 包括太阳在内，大部分行星的自转和公转同向 太阳系形成的证据,真实的轨道大小和形状（按比例） 行星不按比例 逆时针公转（顺行）,Top View,1996秋的内太阳系,1996秋的内太阳系,白色表示在黄道面上方，黄色在黄道面下

7、方 内行星轨道基本上在同一平面内 水星轨道面 最扁 与黄道面夹角最大(7度),Side view,太阳系行星全貌 （1996秋，轨道按比例）,注意外太阳系的巨大空间 内太阳系被压缩好像变为一个轨道 （冥王星轨道的偏心率很大）,Top View,太阳系行星全貌 （1996秋，轨道按比例）,相对黄道面，冥王星轨道面倾斜很大（17度）,Side View,轨道偏心率,2。类地行星The terrestrial (Earth-like) planets,按比例的类地行星,Earth 地球,Venus 金星,Mars 火星,Mercury 水星,类地行星的一般特征,像地球 靠近太阳 铁（镍）核心和岩石外

8、壳 没有或极少卫星 体积小 质量不大 致密，密度= 4-5 g/cm3 大气稀薄,类地行星的物理数据,Mercury 水星铁质行星,Planet 1，距太阳0.39AU 0 卫星 从地面很难研究，因为和太阳同升同落而被阳光污染 地面雷达 Mariner （水手）10 号（1974-1976） “信使”号水星探测器：2004/8/3发射，已于2011年3月18日进入水星轨道，将进行至少1年的科学探测,水星表面酷似月球,表面布满陨石坑 (craters) 是水星最令人注目的特征。好像月球那样，屡屡遭受撞击,撞击坑的典型特征包括辐射纹和中心的小山丘 没有板块构造的证据 怪异轨道和高密度（铁）特征强大

9、碰撞造成现在的面貌！ 卡路里盆地的另一面长约5000千米的山脉,水星几乎没有大气,极稀薄大气，主要是钠气和少量氦气。表面大气压接近零 气态钠表明水星表面温度极高（水星最接近太阳），足以使岩石中的钠气化 稀薄大气 水星表面昼夜温差极大 T= 430 C (昼) T= - 170 C (夜),金星 炼狱行星,Planet 2 from the Sun，距地球最近 晨星和晚星 -4.4 等，“太白”，“维纳斯” 0 卫星 被具有高反射效率的云层所包裹 探测器： 前苏联：“金星”号系列； 美国：水手号，先锋号，麦哲伦号,金星的自转,自转方向和其它行星相反 自转轴没有倾斜，几乎和公转平面垂直，所以金星没

10、有四季之分 自转非常缓慢，恒星日=243天 巨大天体的碰撞？,浓密大气与严重的温室效应,金星的大气层浓密，气压为地球的90倍 大气成分：90%二氧化碳、3%氮气、少量二氧化硫 地球： 79% N2 20% O2 少量CO2 等 由于大气富含二氧化碳等温室气体，能把吸收的太阳能围困于大气中，造成有效的温室效应 金星表面各处的温度基本一致，差不多都达500C，是太阳系最热的行星，也没有昼夜温差,金星的云和酸雨,整个金星表面被硫酸(H2SO4)云所覆盖，所以金星上的雨是名副其实的酸雨 酸雨溶解了岩石中的碳酸盐和硫酸盐，释放出二氧化碳和二氧化硫，进一步加强金星大气的温室效应和腐蚀性,先锋10号的紫外像

11、,金星的表面光滑,和水星不同，金星由于受到浓密大气的保护，表面陨石坑比较少，比较光滑,麦哲伦号飞船的雷达资料： 陨石坑、火山、平原、河谷等 壳层只包含一个板块,古拉蒙斯火山,49千米宽的陨击坑,地球 金锁轨道上的行星,地球表面适宜水保持液态 0.95-1.5 AU：生命区域 （几乎）太阳系唯一适宜高等生命生存的星球 活动的行星,质量 6x1024 kg. 半径 6400 km： 光每秒可绕地球 7.5圈 最高珠峰（8844.43米），只是地球表面一条不起眼的小皱褶 平均密度约为水的5.5倍，密度最大的行星 除了诸多人造卫星，只有一颗自然卫星我们的月亮,地球的结构,最深处为地核(铁和镍) ，很热

12、，分内外两层，内核固态（T6000），外核液态。维持地热的能源主要来自地球内部的天然放射性物质 地核之外是呈半液态的地幔，高温使固体岩石流动 最外层是固态的岩石地壳,Plate Tectonics 大地板块构造说,地壳不是坚硬的球体，而是由若干连绵数千公里，但厚度只有50公里，且漂浮在炽热的软流层上的板块所组成,地球的磁场,地心的旋转（对流）产生了地球磁场 磁轴既不和地球自转轴一致，也不通过地球的中心 磁极南北倒向,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 极光,地球磁场俘获太阳风所携带的带电粒子，并把它们导向地球两极。当带电粒子与地球大气中的原子和分子碰撞时，这些原子和分子便会发光，产生绚丽多彩（多为绿色）的极光 地球磁场由于屏蔽了太阳风而保护了我们,北极光（Alaska）,南极光（奋进号航天飞机）,地球大气,氮气78% 氧气20% 其它：氩气，二氧化碳等 温室气体 二氧化碳 二氧化硫 甲烷 ,温室效应 Greenhouse Effect（自学）,地球大气中的温室气体能有效阻挡红外线向外太空辐射，从而使地球温度升高，即温室效应 大

14、量温室气体能强烈影响一颗行星的表面温度,If increase CO2 in Earths atmosphere, probably get global warming (uncertain?),月球引起的潮汐Tide,月球对地球的引力作用，以对近月的海水最强、地球本身次之，而对远端的海水最弱 相对地心来说，这个引力差形成了两处隆起的海水 地球自转导致同一地点海水一天两次涨潮的现象,太阳引起的潮汐,太阳对地球及海水的引力是月球的一半，其引力差同样造成同一地点海水一天两次涨潮 在新月或满月时，月球和太阳的影响会叠加在一起，所以当日的涨潮更高,月球,地球唯一的天然卫星 地月平均距离为地球直径的3

15、0倍 月球直径仅为地球的1/4，质量则为1/81，因此月球表面的引力只有地球的1/6,月面上较暗的部分称为月海maria, 滴水全无，只是远古时期月壳形成时凝固了的熔岩 月面上较亮的部分称为山，其实不是山，而是由大量星际物质撞击月面时所形成的环形山（陨坑）（伽利略命名）,mare,highland,死寂的月球,月面上保存了大量完好的环形山（陨击坑craters，非火山），暗示月球内部的演化已处于停滞期，甚至可以说月球已经死亡,月球存在水！,环形山的成因,简单环形山形如一个碗 复杂环形山则有一个小山丘在陨坑中央。小山丘是由撞击后变形的月壳物质反弹所形成的,月球无大气,引力太小不能有效束缚大气 S

16、o temperature goes through extremes: -100 C (night) to 130 C (day) ! 平均表面温度：-42,月球成因？,姊妹说：同源于一个母体-太阳系原始星云 母女说：月球是地球形成后从地球分离出去的一部分形成的 情侣说：月球另有来源，特定条件下被地球俘获 撞击说（主流观点）：地球形成初期，一个火星般大小的原行星剧烈撞击尚未凝固好的年轻地球，造成地球自转轴倾斜，并喷发出一部分由原始地球和撞击物组成的物质，从而形成月球，并缓慢远离地球,月球探测,月球是目前人类唯一踏足过的天体。自二十世纪六十年代末至七十年代初，美国的阿波罗登月计划便有六次载人成

17、功登陆月球 新一轮探月（登月、月球基地）高潮已经开始 日本的月亮女神2007年9月14日发射成功 中国的嫦娥一号2007年10月24日发射成功 中国的嫦娥二号2010年10月1日发射成功,火星红色行星,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 海盗 2,地球生命

19、来自火星？,1996年在地球南极发现的火星陨石中显现出36亿前的原始生命的可能迹象! Tube-like structures (tiny bacteria?) + several lines of chemical evidence, very controversial, but intriguing!,火星探测器,1997-7-4，火星探路者（Mars Pathfinder）：火星小车“索杰娜” Spirit and Opportunity勇气号和机遇号 2004-1-4和5 名称：一个小姑娘的提议 /home/index.htm

20、l,“火星像地球”,Planet 4，1.38AU-1.67AU，-2-1.5星等 火星是一颗（桔）红色的行星，这是由于其表面有丰富的氧化铁（惑星或荧惑） 火星的自转周期为1.026天，自转倾角为24，所以火星也有四季和昼夜长短的变化 和地球一样，火星拥有极冠，但主要为固态的二氧化碳(干冰) 和少量水冰, 且夏消冬长 火星年有680多天 0.53倍地球半径,稀薄大气,火星质量仅为地球的1/10，表面重力不及地球的4/10，因而大气层十分稀薄，表面压力只有地球的1%。大气主要由二氧化碳(95%)和氮(3%)组成，水蒸气0.01%。 虽然大气主要由二氧化碳组成，但是火星大气太稀薄，不能有效束缚太阳

21、能，因此它的表面温度变化很大：-130C - 30C。 由于火星距离太阳遥远，所以表面平均气温很低 火星也有云，有些云是白色的，由水汽和二氧化碳组成；有些云则是黄色的，其中参杂了大量的沙尘，橙红色天空 大温差干燥导致剧烈变化气候，因而火星上多风，时常沙尘暴，可席卷整个火星，但风速不大,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 没有河流，生命？ 古老河床：曾经有过丰富的水资源，目前水可能存在于永久冻结带和极冠区域

22、 NASA火星勘测轨道器：堆积在火星极地附近的冰层 火星全球勘测者：火星表面在过去七年形成的溪谷火星不久前还有水喷出,有趣的地形,火星表面有许多火山，大多数比地球的更壮观 火星上没有活火山，但仍留下大量与火山活动有关的地貌，是由于缺乏类似于地球的板块漂移运动所致,太阳系最大的火山：奥林匹斯火山，高达25公里（珠峰高度的3倍），直径600公里,火星和地球火山的形成,火星表面的峡谷,火星另一个重要特征是峡谷。最大的一个是绵延5000公里、宽200公里、深7公里的水手峡谷（深度为美国大峡谷的4.4倍）,火星没有类似于地球的板块运动也可由其表面欠缺绵延不断的山脉得到证明,火星的卫星：“双月悬天”,火星

23、有两颗细小且不规则的天然卫星，较大一颗（火卫一）的直径仅27千米 自转周期=公转周期。极可能是俘获的小行星,Phobos 火卫一,Deimos 火卫二,扩展阅读,3。类木行星 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,类木行星的一般特征,像木星，离太阳远 体积大， 质量大 密度低：0.7-1.7 g/cm3 拥有很多卫星 岩石/铁核心 + 液态 浓密大气层 快速自转,类木行星的物理数据,* Up to 200

24、2 May,木星行星巨无霸,彩色云带：与赤道平行,Lots of swirl spots: stormy,充当源自奥尔特云的小天体撞击地球的巨大屏障？,木星的基本特征,Planet 5 from the Sun 太阳系内体积和质量最大的行星 半径 11 Earth 0.1 Sun 质量 320 Earth 10-3 Sun 低密度（1.3） 自转周期约10小时。高速自转使木星两极扁平、赤道隆起为椭球形,木星内部的引力坍缩 Gravitational collapse,大质量木星的强大引力，令其内部产生强大的引力坍缩，不断将物质的引力势能转化为热能 结果，木星向外太空辐射的能量比它从太阳得到的能

25、量还要多 但是木星的质量不够大，其引力坍缩所产生的热能不足以点燃氢，因从不会产生核反应 因此，我们人类很幸运，木星没有成为另一个“太阳”。假如,木星主要成分,主要成分为氢和氦 (like Sun), 以及少量的甲烷和氨 表面气压极大，超过地球的1000倍，以致木星的中心由金属相的氢组成,金属核的超高速自转解释了木星的强大磁场和在木星两极观测到的极光,木星的大红斑 The Great Red Spot,通常只看到木星的上层大气。通过望远镜可看到木星表面的云带和斑 (bands and spots) 木星大气极度动荡，其表面风速每小时可超过1000千米,著名的木星大红斑，就是木星大气上的台风，它淡

26、淡的红色来自硫化物。和地球上的台风不同，这个风暴足有地球的3倍大，已经刮了300多年仍未止息（但发生了变化）,木星的光环系统,和土星一样，木星亦有光环系统，但它的光环十分暗淡，地面望远镜根本看不到 事实上，（光）环系统也是四颗类木行星的共同特征,木星的卫星,木星有61个卫星，包括四颗著名的伽利略卫星： 木卫一艾奥 Io, 木卫二欧罗巴 Europa（生命？） 木卫三加尼未 Ganymede 木卫四卡利斯托 Callisto,Brightness, structure, and crater density of moon terrains give clues to geological ac

27、tivity,艾奥：最著名的是它的火山活动，喷出大量硫化物，并形成非常年轻的地貌 加尼未是太阳系最大的卫星 欧罗巴和卡利斯托的冰层下可能存在湖泊,IO：火山口（黑点）；内部熔化,土星有光环的“天神”,土星的基本特征,Planet 6 from the Sun Large size and mass, 2nd largest 在众多行星中，密度最低(0.7g/cm3），比水轻，“水上漂” 土星和木星十分相似： 高速自转, 10 hr 15 min 类似的内部热能转化机制 类似的大气成分(Mostly H, He), 云带（不显著） 金属氢核心 强磁场 ,华丽的光环,土星的光环名闻遐迩。光环的厚度

28、约1公里，主要由数毫米至数米的尘埃和冰块组成 光环并非连续，有无数小环组成。地球上可见4-5个环 因此土星光环有很多宽窄不一的暗的狭缝，最明显的是两个主环之间的卡西尼缝 Cassini division,Voyager 2 旅行2号 image of outer B ring,土星光环的成因,在很久以前，土星的潮汐力曾把一个或数个卫星撕碎（或者说，土星的强大潮汐力使它周围的物质未能形成卫星），便形成了现在的美丽光环 光环位于赤道上，与其轨道面成27度夹角 每29年侧对地球两次（e.g., in 1995）,牧羊卫星,部分土星光环，在其外围和内围都有一颗卫星，称之为牧羊卫星，它们的引力作用犹如牧

29、羊犬的作用，可以把离群的碎片赶回光环之内，稳定环的结构,Voyager 2 images of Epsilon Ring,土星的卫星,土星有很多卫星（3161颗），最著名的是土卫六泰坦（Titan 太阳神）： Largest among moons around Saturn 大气浓厚，主要由氮组成 烟雾弥漫，有温室效应 甲烷湖泊 Life possible?,“卡西尼” 细探土星，“惠更斯”登陆泰坦,1997/10/5 发射，2004/7/1进入绕土星轨道 2004/12/25，“惠更斯”与“卡西尼”分离，于2005/1/14到达泰坦表面,天王星躺着自转的行星,Planet 7 from the Sun 1781发现（威廉 赫歇尔） 轨道周期 84