天文学基础知识――太阳系概述

1太阳系天文协会学术部沙永强天文学基础2/70太阳系一、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。3/70太阳系4/70太阳系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5/70太阳系八大行星的分类：（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Kepler定律太阳系内天体运动1571-16307/70太阳系表面的温度：6000℃。二.太阳1.熊熊烈焰百亿年直径约：1.4106km，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%。8/70太阳系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1.5107oC；压力340亿倍大气压。04e2e2Hp4释放能量：26.7MeV。2mcE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：9/70太阳系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：0.25~0.86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。10/70太阳系11/70太阳系（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。12/70太阳系（5）色球层红色的色球层厚度约1500km。色球层温度：4500k——8000k——50000k。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。13/70太阳系（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14/70太阳系太阳风15/70太阳系三.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3.31023kg，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。16/70太阳系水星17/70太阳系金星离地球只有0.27AU。——黄昏的“长庚星，黎明的“启明星”。2.金星金星距太阳约1.082108km，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465~485oC，温差很小，基本上没有昼夜、季节和地区的差别。18/70太阳系金星19/70太阳系金星表面的气压为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。20/70太阳系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8.616104s。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6378137m6.378106m，地极半径为6356752m6.357106m。21/70太阳系地球的质量大约为61024kg。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：1.49597870×1011米表面温度:-30～+450C表面大气压:1.013×105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22/70太阳系地球23/70太阳系月球月球——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24/70太阳系朝向地球的月面25/70太阳系月球环形山26/70太阳系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。27/70太阳系火星28/70太阳系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-10C，夜间可降到-85C；在冬季，白昼的最高温度-85C，夜间-125C。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。29/70太阳系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。30/70太阳系火星表面的地形起伏31/70太阳系火星上的谷地32/70太阳系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.4g／cm3。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33/70太阳系木星34/70太阳系木星大气呈现红、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7.15104km，是地球的11.2倍，极半径为6.69104km，其外形是扁的，是很快的自转所致。35/70太阳系木星上的大红斑，是地球直径的三倍36/70太阳系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-149C。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”。37/70太阳系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。38/70太阳系木卫一、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。39/70太阳系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6.016104km，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：5.71026kg，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。40/70太阳系土星41/70太阳系•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19g／cm3，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