第二章 宇宙中的行星内容提要行星地球.docx
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第二章宇宙中的行星内容提要行星地球
第二章宇宙中的行星内容提要
一、太阳系的特征
1.太阳系组成的特点
太阳系是由太阳、8颗大行星、卫星以及无数的小行星、彗星及陨星组成的。
据估计太阳的质量占了整个太阳系99.85%，而行星的总质量只占0.15%。
由于太阳引力的作用，每个行星都有一个椭圆形的运动轨道，它们具有相同的运动方向。
最靠近太阳的水星有最快的轨道运动速度（48公里/每秒），最短的运动周期（88天）。
离太阳最远的冥王星（己被开除）轨道运动速度5公里/每秒，周期248年。
（1）类地行星与类木行星特征
类地行星有水星、金星、地球及火星，离太阳较近。
它们密度大（>3.0克/立方厘米）、体积小、自转慢、卫星少，内部成分主要为硅酸盐，具有固体外壳。
类木行星有木星、土星、天王星、海王星，离太阳较远。
它们密度小（平均密度相当于1.5倍水的密度），而且类木行星都有很厚的大气圈，其表面特征很难了解，一般推断它们都具有与类地行星相似的固体内核。
二大类行星最明显的区别是它们的大小，（地球是最大的类地行星，海王星是最小的类木行星）因此类木行星也常称为巨行星。
（2）组成二大类行星的物质特点
组成二大类行星的物质依据它们的熔点可分为三种：
气体、岩石、冰。
气体：
主要是氢、氦，它们的熔点接近绝对零度（-273ºC）或可能更低的温度。
岩石：
主要是硅酸盐矿物和金属铁，熔点超过700ºC。
冰：
还包括NH3、CH4、CO2、H2O，熔点居中。
类地行星：
岩石、金属物质和少量的气体。
类木行星：
大量的气体（主要是氢和氦）及数量变化的冰（主要是水、氨、甲烷），因此类木行星密度低。
（3）宇宙速度的几个概念和意义
第一宇宙速度（V1）
航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度，也叫环绕速度。
按照力学理论可以计算出V1＝7．9公里／秒。
由于引力的作用，航天器运行的速度要略小于V1。
第二宇宙速度（V2）
当航天器超过第一宇宙速度V1达到一定值时，它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星，这个速度就叫做第二宇宙速度，亦称脱离速度。
V2＝11．2公里／秒。
由于月球还未超出地球引力的范围，故从地面发射探月航天器，其初始速度不小于10．848公里／秒即可。
第三宇宙速度（V3）
从地球表面发射航天器，飞出太阳系，到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度，就叫做第三宇宙速度，亦称逃逸速度。
V3＝16．7公里／秒。
航天器的速度是挣脱地球乃至太阳引力的唯一要素，目前只有火箭才能突破宇宙速度。
第四宇宙速度（V4）
预计物体具有110km/s～120km/s的速度时，就可以脱离银河系而进入河外星系，这个速度叫做第四宇宙速度。
（4）类木行星为何拥有浓密的大气层？
类木行星有较大的表面重力，它比地球有一个较高的“脱离速度”（21公里/每秒-60公里/每秒）。
又由于类木行星远离太阳，表面温度较低。
具有较低温度的气体是难以获得较高的“脱离速度”的，因而类木行星拥有较浓密的大气层。
（5）为什么月球表面缺乏大气层？
月球具有较小的表面重力和相对较温暖的星球，具有较小表面重力的月球有较低的“脱离速度”，是不能够维持最重的气体的；较温暖的月球表面气体容易获得较高的运动速度，因此月球表面缺乏大气层。
2.太阳系的起源
太阳系形成至今至少有46亿年，太阳系由何而来？
大致可归结为两大阵垒：
灾变说和星云说。
灾变说认为太阳系是在一次突然的巨大的剧变中产生的，太阳的形成先于行星和卫星；而星云说则认为整个太阳系包括太阳都是由同一块星云物质凝聚而形成的。
（1）灾变说（布丰灾变说和金斯灾变说）。
布丰灾变说（1745）：
布丰认为太阳形成后，曾经有一个彗星“掠碰”（擦边而过）到它，使太阳自转起来，同时碰出了不少物质。
这些物质一部分落回太阳，一部分脱离太阳的引力飞走了，还有一部分则绕太阳旋转起来，后来形成了行星。
金斯灾变说（1916）：
金斯认为当另一颗恒星接近太阳时，在太阳的正面产生了很大的潮；它的反面的潮比正面的小得多并很快衰落。
正面的潮很大，物质被经过的恒星拉出来形成一个长条。
在这一恒星离开太阳时，长条内形成了所有的行星。
长条的中部较粗，两头较细，所以，由中部物质形成的木星、土星较大。
（2）星云说（康德微粒假说和拉普拉斯假说）。
德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯二位科学家独立提出了太阳系起源的“星云假说”。
他们都认为太阳系是由一团“星云”物质通过万有引力等自然规律作用而逐渐形成的。
康德“微粒假说”（1755）：
宇宙中散布着微粒状的弥漫物质，称为原始物质。
原始物质在万有引力的作用下，较大的微粒吸引较小的微粒，并逐渐聚集加速，结果在弥漫物质团的中心形成巨大的球体，即原始太阳。
周围的微粒在向太阳这一引力中心垂直下落时，一部分因受到其他微粒的排斥而改变了方向，便斜着下落，从而绕太阳转动。
最初，转动有不同的方向，后来有一个主导方向占了上风，便形成一扁平的旋转状星云。
云状物质后又逐渐聚集成不同大小的团块，便形成行星，行星在引力和斥力共同作用下绕太阳旋转。
拉普拉斯假说（1796）：
太阳系是由一个灼热的气体星云冷却收缩而成的。
原始的灼热星云呈球状，直径比今天太阳系直径大得多，缓慢地自转着；由于冷却而收缩，其自转速度逐渐变快，同时因赤道附近的离心力最大，故星云逐渐变扁。
一旦赤道边缘的离心力大于星云对它的吸引力，赤道边缘的气体物质便分离出来，形成一个旋转的气环。
由于星云继续冷却收缩，上述过程重复发生，又形成另一个旋转的气环，最终形成了与行星数相等的气环。
星云的中心部分最后形成太阳，各环在绕太阳旋转的过程中逐渐聚集形成行星。
行星也同样发生上述作用形成卫星。
土星的光环可能就是由尚未聚集成卫星的许多质点构成的。
康德的假说可以解释行星的运行轨道具有共面性、近圆性、同向性等特点，但解释不了太阳系的角动量来源。
拉普拉斯的假说同样能解释行星运行轨道的各项特点，以及组成太阳、行星和卫星的元素一致性，也能解释太阳系角动量的由来，但解释不了角动量分配的特点。
目前人们已经探知宇宙中许多星云的温度并不高，收缩不是由于冷却，而是由于吸引力引起的；星云在收缩过程中，温度不是降低而是升高的。
（3）太阳系起源的其他假说：
“旋涡学说”、“霍伊尔假说”“新星云说”、“星子假说”
3.地球卫星的特征
月球是地球的唯一卫星。
体积约为地球的1/49，质量约为地球的1/81，月球的直径为3475千米，约1/4地球的直径。
月地间的平均距离为384400千米。
月球的平均密度为3.34克/立方厘米，只有地球平均密度的0.6倍，故月球的引力较地球小，月球内部铁核较小。
月岩的年龄为31到46亿年，说明月球的地质活动至今仍停留在星球演化的早期阶段。
月球周围没有磁场，月球上没有发生过造山运动。
（1）月球的表面特征
月球表面存在二种不同的地形：
月海和月山（高地）。
月球的正面是高地和月海各一半。
而月背表面主要由高地和撞击坑组成，少量的月海且相对较小。
月海是月球表面较光滑的、呈现黑暗的区域，是由于它有较平滑的底面和像玄武岩一样黑色的岩石，比粗糙的月山反射较少的阳光。
近距离地观察月海发现，月海中有数千个细小的撞击坑，并且这些坑是月球上熔岩硬结后被撞击形成的。
这说明月球上曾经有过火山喷发。
月山是月球上比较粗糙的、较明亮的高地。
月球表面没有水、没有大气、没有生物，因此也没有像地球那样的侵蚀和搬运作用以及在水中的沉积作用。
（2）陨石坑
陨石坑是月球表面上最明显的特征，而且数量众多。
大多陨石坑是由陨石群快速撞击形成的，说明太阳系早期阶段陨石撞击作用比现在要频繁得多。
较年轻的陨石坑周围呈现放射状亮纹条带，这些条带是由最初从撞击坑中弹出的岩屑物质、撞击过程中形成的玻璃珠，以及撞击过程中形成的更小的、次一级的陨石坑组成的。
月地之间的这一差异应归结于：
（1）地球存在大气层；
（2）形成于地球早期历史阶段的陨石坑痕迹己被侵蚀作用和构造作用所消除。
（3）月壤
月壤是一种浮土，是指松散的岩石矿物，不含水和有机物质，主要由火成岩石、玻璃珠和细粒的月球灰尘组成。
4.八大行星的特点
（1）水星
水星是一颗最靠近太阳的一颗行星，也是最热的、围绕太阳运动速度最快的行星。
水星上的一天等于176个地球日（在太阳系中是最长的），比水星的一年（88个地球日）还要长。
水星的直径为4880千米，平均密度为5.4克/立方厘米，其外层密度为3克/立方厘米，因此推断它具有直径约3600千米的金属内核。
水星表面陨石坑非常密集。
陨石坑充满了玄武质熔岩。
但熔岩流无任何变形。
这说明水星曾有过岩浆活动，但是并未伴随构造运动。
水星没有岩石圈板块运动的迹象。
水星上缺乏大气圈，它吸收了大部分的阳光，仅反射6%进入太空。
水星是一颗具有最大日温差的行星。
（2）金星
除日月之外，金星是天空中最亮的天体，也是距地球比较近的行星。
金星的大小、质量和密度都与地球的非常接近，比任何其它的行星更接近于地球。
它的内部结构也很可能像地球有固体的外壳、幔层和部分是液体的核构成。
金星表面被稠密的灰黄色的云层所笼罩，金星的大气层主要由CO2和大约3%的N2构成。
金星的大气层非常稠密，大气压力相当于地球的90倍。
金星有很厚的大气层，它表面非常热，温度高达460ºC，稠密的CO2，导致金星表面的“温室效应”。
金星密度与地球的非常接近，它很可能具有像地球一样的铁质内核，而且内核中至少有一部分是熔融状态。
然而金星却不具备象地球这样的磁场，其原因很可能是因为金星的自转速度太慢，不足以引起液态内核的明显运动。
金星表面的岩石像地球上玄武岩流。
金星表面的土壤、化学成分很类似于地球表面的土壤。
（3）火星
火星在夜空中发出特殊的红光，它是离地球最近的行星，也是太阳系中表面环境与地球最为相似的行星。
火星的直径为6787千米，质量为地球的1/10；火星的公转周期大约相当于地球的两年（687天），火星上的一天仅比地球长41分钟。
火星上不仅有类似地球的四季之分，还可明显地区分出“五带”（即热带、南、北温带；南、北寒带）。
火星是一颗比地球更为寒冷的行星，其温差范围很大，在赤道区（热带）的昼夜温度在20℃～-80℃之间；最寒冷的极区温度变化于-70℃～-140℃。
火星火星大气的密度是地球的1/100，95%为二氧化碳。
火星的极地有“冰”帽（主要为二氧化碳干冰），随着季节的变化，冰帽的范围发生周期性扩大与收缩。
火星上大气层非常稀薄，但火星上盛行风暴作用。
火星上地貌非常类似地球上沙漠地貌。
火星上存在着粘土及硫酸盐矿物（很可能是石膏），这表明火星上风化作用很显著。
火星上至少有20个巨大的盾状火山以及更多较小的火山。
火星内部有长期活动的岩浆源，此外，奥林匹斯火山锥的坡上很少见有陨石坑，说明此火山的年龄不老，可能不超过一亿年。
火星上另一种重要地貌特征是峡谷。
现在火星表面没有水，但火星表面发育有流水侵蚀的遗迹，火星漫游探测器发现了火星表面的土壤下面有蛋白石矿物存在，科学家认为水也许有可能在火星表面的松散层之下有冰土，其中埋藏着固态水。
由此推测火星：
火星的过去可能与现在情况相反（过去是气候温暖，洪水横溢的）。
（4）木星
木星是太阳系中最大的行星，但密度较小。
木星被浓密气体所包围，大气主要由氢、氦、氨、甲烷组成。
木星自转快，它的一天还不到10小时。
由于离心力的作用，赤道上有一个明显可见的隆起部分。
木星有非常强的磁场和较强的放射场。
从木星表面辐射回空中的热要比木星从太阳那里得到的热要多，这多余的热可能来源木星形成的原有的热和重力收缩热。
如果木星质量再大一些，其内部温度就会增高到足以使其产生热核聚变的程度，它就会转变为另一个太阳。
大红斑是木星的一个特征，它大到足以圈下二个地球。
大红斑类似于地球上的大风暴。
木星上的风从西吹到东，速度达360km/h。
木星可能是石质的内核，内核外面有二层氢液态层，再向外是数百公里厚的木星的大气层（其中90%是氢，10%是氦和微量的其它元素）。
木星表面看起来有亮—暗的彩色条带覆盖其表面，且平行于赤道，科学家认为：
亮带是上升的气体，暗带是下沉的气体，硫和硫化物使木星表面呈现黄—桔黄色的色彩。
木星的外层包裹着相当稠密的、不透明的、湍动的气体。
（5）土星
土星与太阳的距离比木星几乎远一倍，公转周期29.5年，自转周期比11小时稍长。
因自转快，它也相当扁。
土星与木星成分相似，但体积较小。
土星的密度为0.68克/立方厘米。
土星内部也有能源，辐射出的能量是吸收能量的2.5倍。
土星的环带
土星具有十分巨大的环带，这是极为特征的现象。
发出桔色与蓝色的光。
土星的环带由无数较小的环组成，每个环包含有数百万个质点。
质点围绕土星作环状轨道运动。
质点主要是由冰组成的，混杂有氧化铁，故呈现桔黄色。
土星的卫星
土星至少有17颗卫星，其中最大、最有趣的一颗卫星是蒂坦。
蒂坦体积较大，是太阳系中仅有的具有丰富大气层的卫星。
大气的成分：
90%—99%是氮、少量的乙炔、乙烯等其它气体，这使得大气呈不透明的桔色烟雾。
（6）天王星
天王星也是一颗大行星，直径是地球的近4倍，体积是地球的60多倍。
围绕太阳公转一周为84年，因此它在星座间的位置变化很慢。
天王星距太阳的距离约为地球距太阳的19倍，其表面温度在零下200摄氏度以下。
天王星独特之处在于它是“躺着自转”的，即它的自转轴与轨道平面法线的交角为97度55分，自转周期为15.5小时。
天王星也有象土星那样美丽的光环，光环中包含有大大小小的9条环带。
后来发现的木星也有环，人们推测，行星环是几个较大行星的共同特征。
（7）海王星
海王星被称作“笔尖下发现的海王星”。
海王星的发现使哥白尼学说和牛顿力学得到了最好的证明。
海王星比地球大近4倍，距太阳的距离是地球和太阳距离的30倍；表面温度在零下200摄氏度以下；自转一周约16小时，公转一周约为165年。
四季变化十分缓慢。
（8）冥王星
冥王星的体积和质量远比其他行星小。
绕太阳公转一周要248年。
它向阳的一面的温度在零下220摄氏度左右。
1978年发现了冥的卫星卡戎。
（9）冥王星被开除的原因
按照国际天文学联合会的定义，一个天体要被称为行星，需要满足三个条件：
围绕太阳公转；
质量大到自身的引力足以使它变成球体；
清除了其公转轨道周围的天体。
2006年8月24日国际天文学联合会将冥王星归为矮行星。
冥王星被降级的原因是因为没法满足第三个条件。
5.太阳系中其他成员的特点
（1）天文单位（Au）
日地平均距离称1天文单位。
（2）提丢斯--波得定则
十八世纪，德国数学家提丢斯提出一个能十分精确地表示出各行星之间相对距离的数字关系公式。
波得—提丢斯定则：
αn=0.4+0.3×2n-2（天文单位）
n取值随距太阳远近分别为：
负无穷大、2、3、4、5…
（3）小行星带
火星与木星之间存在小行星带。
1618年开普勒发表了第三定律：
任何二个行星围绕太阳公转周期的平方比（年）等于它们与太阳平均距离的立方比（天文单位）。
开普勒第三定律认为：
距离太阳越远的行星，它的运动周期越长，有二个原因是：
运动轨道较长；
运动速度比其它离太阳较近的行星慢。
（4）彗星
每当彗星接近太阳时，它的亮度迅速地增强。
彗星的轨道沿着被高度拉长的椭圆运动，而且太阳是在这椭圆的一个焦点上。
发育完全的彗星由彗核、彗发和彗尾三部分组成。
最著名的哈雷彗星的公转周期为76年。
（5）流星与陨石
流星
除行星、卫星、慧星以外，还有无数小物质和尘埃，它们统称为流星物质（流星体或微流星体）。
陨石和陨石的成分
在相当稀罕的情况下，有些特别大的流星体进入大气层，而没有被完全烧毁直至到达地面即称为陨石。
陨石落地时都在地面上留下陨石坑。
陨石中有的金属态铁、镍，而地壳中几乎不存在；陨石中常见矿物为无水的，而地壳中常见矿物是含水的，这些差异表明陨石是在高温还原状态下形成的。
陨石的类型有：
（a）石陨石，约94％，相当于地幔成分。
（b）石铁陨石，约占1.5％。
（c）铁陨石，约占4.5%，相当于地核的成分。
陨石的同位素年龄约为46亿年。
陨石坑
二、太阳系以外的星系
1.星际物质
在星际空间存在着稀薄的、主要由气体和尘埃构成的物质，这些星际物质称为星云。
星云是稀薄的、弥漫状的物质，星云是形成恒星和行星的基本物质。
如果星际物质接近于非常热的恒星，它将会发光，这种星云称为“亮星云”。
有二种主要类型的亮星云：
发射星云、反射星云。
发射星云
主要由大量的氢组成的巨大的气体团块，它们吸收置于它们内部或邻近恒星发射的紫外光后，其能量以可见光的形式重新发射出来，由紫外光转变成的可见光称为荧光。
反射星云
指仅仅反射其附近恒星的光的星云。
一般认为反射星云由大量稠密的星际尘埃构成。
当这种稠密的星际尘埃离恒星较远，不能被恒星照亮时就成为暗星云。
2.恒星的演化
（1）小质量恒星的生命周期
星云→原恒星→主序星→白矮星→黑矮星
（2）中等质量恒星的生命周期（如太阳）
星云→原恒星→主序星→红巨星→恒星状星云→白矮星→黑矮星
（3）大质量恒星的生命周期
星云→原恒星→主序星→红超巨星→超新星爆炸→中子星（或黑洞）
3.银河系
银河的形状像一个巨大的、薄的、中间凸出的凸透镜，肉眼看到的所有行星都在银河系内。
4.星系
星系的三种类型：
螺旋状星系、椭圆状星系、不规则状星系。
5.红移
光是电磁波，当光源远离观测者时，接受到的光波频率比其固有频率低，即向红端偏移，这种现象称为“红移”。
当光源接近观测者时，接受到的光波频率比其固有频率高，相当于向蓝端偏移，称为“蓝移”。
6.宇宙大爆炸
20世纪有两种“宇宙模型”比较有影响是稳态理论和大爆炸理论。
（1）稳态理论
稳态理论认为：
物质正以恰当的速度不断创生着，这一创生的速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。
这种状态从无限久远的过去一直存在至今，并将永远地继续下去。
（2）大爆炸理论
“红移”现象（说明宇宙正在膨胀）、“宇宙微波背景辐射”两个发现给大爆炸理论以有力的支持，大爆炸理论己广泛地为人们所接受。
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