《行星科学概论》复习纲要.doc

行星科学概论复习纲要一、 名词解释1. 行星系统围绕太阳运行的行星及其卫星、矮行星、小行星、流星体、彗星和行星际尘埃。2. 行星一颗行星是一个天体，它满足(1)围绕太阳运转，(2)有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的(近于圆球)形状，同时(3)清空了所在轨道上的其他天体。一般来说，行星的直径必须在800公里以上，质量必须在50亿亿吨以上。3. 矮行星一颗矮行星是一个天体，它满足(1)围绕太阳运转，(2)有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的(近于圆球)形状，(3)没有清空所在轨道上的其他天体，同时(4)不是一颗卫星。4. 潮汐任何天体对另一天体不同部分与其中心的引力差称为“潮汐力”。对一个天体的合力决定了其质心的加速度，而潮汐力可以使天体变形，也可以产生影响其转动状态的力矩。潮汐可改变行星及其卫星的轨道、自旋特征和自身的形状。在偏心轨道运动的卫星所受到的潮汐力还可导致潮汐加热。5. 洛希极限如果一个小天体可看成是一个质量很小的流体团，当它绕着一个大天体运动时，由于大天体的引力很大，在小天体运动至与大天体的距离小于或接近于某一临界距离时，大天体吸引产生的潮汐作用会使小天体的形状变成细长直至流体团碎裂瓦解。这个临界距离是一个极限距离洛希极限 。6. 黄赤交角行星的赤道平面与黄道面之间的夹角。根据国际天文学联合会的约定，行星的北极位于黄道面上面。地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面（ecliptic plane）。黄道面与天球相交的大圆称为“黄道”。黄道面与地球赤道面的交角为2327。在天球上距离黄道90的两个点叫“黄极”。7. 月壤月壤是由 结晶岩碎屑、矿物碎屑、角砾岩碎屑、粘合集块岩、各种玻璃 等基本颗粒组成的覆盖在月球表面的一层细小微粒。月壤的厚度是不均匀的，从几厘米到几百米。这一方面反映了月球表面不同地区的地质差别，也显示了物理特征的不均匀性。月壤会对载人探月产生影响，它对月球车的影响有：视线模糊 、仪器出现伪读数 、尘埃覆盖层和污染 、摩擦力减小、机械障碍 、热控制问题 、密封失效 、吸入和过敏 等。8. 月海月球表面上反照率很小（0.050.08）的低洼区域或平原，看上去是像海一样的大的暗黑区域，这些区域称为月海。月海比月球平均水准面低km，大多呈圆或椭圆形 。月面上有22个月海，其中有19个在朝向地球的正面。正面上的月海面积约占月球正面面积的50%，而背面上的月海只占其半球面积的2.5%，全部月海约占月球总表面面积的17%。月海的填充物主要是玄武岩，含巨大的钛铁矿。9. 卡洛里盆地是水星最热的地方，最热时达427。在中午，岩石中的铅、锡被强烈的阳光熔化析出，汇聚成金属液潭。它具有地沟、褶皱脊、山丘等构造结构，而且有很多小陨石坑在内，有中心陨石坑阿波罗。被认为是大约3.77Gyr前由一个大的小行星撞击而成的。10. 金星大气超旋在16 km以上,大气层旋转比金星自身旋转得块,这称为大气层超旋。金星在243天内自旋一周，而在云顶(70 km )，纬向旋转周期为45天（即速度大约是100 m /s）。实地探测结果显示，从表面到云层，纬向风速度随高度的增加而增大，表面风速只有1 m/ s或更小。超旋可能起因于行星波（特别是在日下点局地加热产生的热源），这些波将来自固体行星的动量向上输送到高层大气。11. 塔尔希斯（Tharsis）山地位于火星上，高达27km，横跨4000km。有3个东北-西南向排列的盾形火山，间距约700km，直径为350400km。火山口深34km。12. 火星的壳磁场火星磁场较弱，并且没有发现有地球那样的偶极子场，但火星局部地区的磁场(壳磁场)很强，这强的局地磁场就是壳磁场。平均来说,火星壳磁场比地壳磁场强10倍，它是火星头几亿年发电机磁场的剩余，这种磁记录含有许多关于火星热演变和火星发电机的信息。在撞击平原（如Hellas盆地)和火山区(如Elysium、奥林匹斯山、塔西斯山和Alba Patera) 缺少磁化，这起因于大的撞击和热事件的消磁作用。北部低地扩展区具有相对弱的磁痕迹，表面北部许多平原在更古老的磁化壳的下面。 13. 木星的大红斑大红斑是木星的一个特征，大小为12,000km25,000km，可容下两个地球。大红斑高出周围的云层顶几千公里，里面刮着逆时针方向的风，就象一团飓风，每12个地球日旋转一周。 从发现到今一直存在，而且没有太大的变化。14. 土星的环位于土星赤道面上的环沿径向有7层，从内向外分别为 D环、C环、B环、卡西尼缝、A环、F环、G环 和E环。由于环与卫星相互作用，会在环上产生缝隙与螺旋波等特征，B环中央不时会出现轮辐。行星环的可能成因由于卫星进入行星的洛希极限内为行星的起潮力所瓦解；太阳系演化初期残留下来的某些原始物质，因在洛希极限内绕行星公转而无法凝聚成卫星；位于洛希极限内的一个或更多的较大天体被流星轰击成碎片，构成行星环。二、 复习思考题1. 怎样看待国际天文学联合会对行星、矮行星、类冥王体的定义？目前的定义如下行星是：一颗行星是一个天体，它满足(1)围绕太阳运转，(2)有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的(近于圆球)形状，同时(3)清空了所在轨道上的其他天体。一般来说，行星的直径必须在800公里以上，质量必须在50亿亿吨以上。 矮行星是：一颗矮行星是一个天体，它满足(1)围绕太阳运转，(2)有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的(近于圆球)形状，(3)没有清空所在轨道上的其他天体，同时(4)不是一颗卫星。 类冥王星是：在比海王星更远的距离上环绕太阳运转的天体，有足够的质量以自身的重力克服流体静力平衡，使形状接近球体，但未能在轨道上清除邻近天体。这类天体的卫星本身不是类冥王星。类冥王星可以被视为是矮行星和海王星外天体的交集。在2008年，冥王星、阋神星、鸟神星和岩神星是仅有的类冥矮行星，但还有多达42个天体可能会被纳入此一分类中。由于原有的一些概念定义不明确，如大行星与小行星；而且新发现与原有的观念发生了矛盾，比如原有观念谷神星（直径约959公里）是太阳系最大的小行星，而新发现开珀带天体中，直径在1000公里左右的有9颗，新发现的开珀带天体大于冥王星。并且冥王星在许多性质上，如轨道倾角和大小，与其他八颗行星有不小的差异。（为了规范太阳系内天体的分类，使定义更加明确，分类更加简便容易，国际天文联合会对行星、矮行星、类冥王体经行了重新的定义，将冥王星降级为矮行星。这是人类对太阳系认识更加深入导致的结果，随着对太阳系的了解更加丰富，一定会有更精细更明了的定义出现。这些新的定义对于知识的进步是有帮助的。）（此为个人观点，非课件上的）2. 比较类地行星环境的特点（表面形态、液体水、磁场、大气层、温度、气候）类地行星包括：水星、金星、地球和火星基本上是由岩石和金属组成的，密度高、旋转缓慢、固体表面、没有环、卫星少。经常把月球与类地行星放在一起研究。卫星水星和金星没有天然卫星，地球一颗，火星两颗。表面形态基本都为球形，表面有盆地、高地、平原、陨石坑等构造。对于水星来说表面较为平坦，也会有悬崖、盆地、陨石坑等形态。火星北半球比较平坦，南半球地势较高，东半球有一个盆地，西半球有四座高山，赤道附近东西方向有大峡谷。它有着太阳系最高的火山奥林匹斯（Olympus）火山，以及著名的“水手”大峡谷。还有河床和冲击平原等形态。两极还有存在干冰及水冰的极冠。液体水目前没有观测表明水星含有明显的水。金星的大气层是非常干燥的 ,云下平均水蒸气混合比大约是30 ppmv。有很多证据显示火星上具有水，但是并不在表面以液态水的形式存在。磁场水星磁场的偶极矩是261012Tm3。四极矩的强度和偶极矩的倾角是不知道的，偶极矩像地球一样指向南。具有较为典型的磁层。金星磁场比地球磁场弱的多。而且这些弱小的磁场是由金星电离层与太阳风相互作用产生的。金星磁层很弱，不能保护其大气层不受各种来自宇宙的各种辐射的影响。金星电离层与地球电离层有很大差异。金星上层大气不受磁场控制而直接与太阳风相互作用，因此金星大气很容易逃逸到行星际空间。由于火星没有显著的全球性偶极磁场，因此没有大尺度磁层。其大部分区域太阳风直接与火星电离层和大气层相互作用。火星局部地区的磁场(壳磁场)很强 ，大约是地球壳磁场的30倍。大气层水星大气大主要成分是氦和氧，地面光谱测量还发现水星大气中有钠和钾。金星大气层的CO2(96.5%)和N2(3.5%)是最主要的成分，少量的成分有SO2、 H2O、 CO、 OCS、 HCl、 HF和惰性气体 。金星中层大气最主要的特征是全球云层，在45 km 高度开始，延伸到70 km。因为大气层非常稠密，表面压强93bars，等效于1公里深处水的压强。火星星大气以氢和氦等轻的气体为上层大气主要成分。大气中含有甲烷。火星大气压很低。温度水星表面温度最高温度：427C；最低温度：-173 C；平均表面温度： 179C。金星表面状态可比作地狱。在行星平均高度的温度为437，最高处的温度比这个值低约10C。一年内温度的变化只有大约1C。火星上最低温度:-140C，最高温度:20C，平均温度:-63C。气候水星大气密度较小，对气候的研究不多。金星有大气层超旋和极区涡旋特征。火星上的风速高达每秒180多米。大风暴有时可以席卷整个星球。火星表面的尘暴，是火星大气中独有的现象，整个火星一年中有14的时间都笼罩在漫天飞舞的狂沙之中。火星现在的气候 火星以二氧化碳为主体的薄大气层提供了小的温室效应，使火星平均表面温度比没有大气层的情况升高了大约5C。 大气层含有数量可变的构成云和尘埃的冰粒子 ,衰减了入射阳光 轨道参数引起了火星冷和干燥的气候具有季节变化性 火星缺乏臭氧层，薄的、干燥的大气层允许短波紫外辐射穿透到表面 表面低温，没有液体水（总结的不全，还是好好看看相关章节，有助于到时临场发挥）3. 月球资源a.月球矿物 矿物定义为自然存在的固体化合物，有确定的化学成分、确定有序的原子排列。月球上的矿物有两种主要类型，硅和氧化物矿物。硅矿物的主要成分是硅和氧，从体积上来说，90以上的月球岩石都是由硅矿物构成的。氧化物矿物主要由金属和氧构成的，在月球上的丰度仅次于硅矿物。人类在月岩中已经发现100多种矿物，其中绝大多数矿物的成分和结构与地球的矿物相同。三种新的月球矿物粒径约.微米的纯钼微粒；粒径至微米的硫化银微粒；粒径约0.2至0.7微米的铁锡固溶体。b. 氦3氦3是氦的同位素之一，原子核由2个质子和一个中子组成。是稳定同位素，其相对丰度是0.000137%；使用氦3的热核反应堆中没有中子，故不会产生辐射，不会给环境带来危害。根据初步计算，氦3在月球上的储量约有100万吨到500万吨。c. 月球水冰 月壤中含有水份，而且在极区的陨石坑中可能存在水冰。由于测量到的陨石坑底部反照率较低，因此陨石坑底部只能有“脏”水冰，即冰于月壤混合，冰的含量约。 （人类能否在月球长期居住，重要的条件是月球就地资源利用的水平与程度。最重要的可利用资源是水冰、氢、氧、铁和铝。水冰是人类生存的最重要物质，可在极区提取。氧是维持生命的重要气体，另外，氧还可以用于做运载火箭的推进剂。氢可以与氧合成水，同时还是火箭的推进剂原料。铁和铝在月球上蕴藏丰富。如能在月球上就地提炼铁和铝，将使月球基地的建设迈入新的阶段。） 4. 新时期月球探测的科学目标1、月球的全球构成2、月球的内部成分3、月球的矿物成分与分布4、极区沉积物5、陨击坑形成年代6、月壤的分布与物理化学特性7、氦3的空间分布特征8、气体释放事件9、月球的重力场分布10、近月空间环境5. 信使号飞船探测水星的新发现水星磁层镶嵌在彗星状的行星离子云中丰度最大的 Na+离子分布广阔，在磁鞘中通量最大磁鞘中的等离子体流速是高的磁层显示以通量传输事件形式的重联特征观测到两个点流片边界Na 在 589.0 nm (D2)的强度，整个尾区都很强，北极比南极区强MESSENGER的观测到的空间变化表明外层有多种产生源和损失过程；与太阳风及磁层相互作用的过程决定了外层的分布 6. 比较地球与金星大气层（压强、成分、结构、与表面相互作用）气压金星表面气压是地球的90多倍。温度也远高于地球。成分金星大气层的CO2(96.5%)和N2(3.5%)是最主要的成分，少量的成分有SO2、 H2O、 CO、 OCS、 HCl、 HF和惰性气体 。CO2、N2、惰性气体、HCl和HF 的丰度在整个金星大气层中基本是恒定的，但其它气体的丰度随空间和时间变化。地球大气主要成分是主要成分为78.09%的氮，20.94%的氧，0.93%的氩。金星大气层中CO2、SO2、OCS、 HCl的高丰度是由于金星表面的高温。所有这些气体在地球上的丰度都很低。而且主要来源也不相同。金星的大气层是非常干燥的 ,而地球对流层水蒸气混合比为 14%。金星和地球间的主要区别是金星明显比地球显富含 4He、36Ar 和 84Kr , 金星的40Ar/36Ar比很低，大约是1.1，比地球上的低270 倍。低的40Ar/36Ar比可能反映了太阳风更有效地将36Ar 注入到金星。金星和地球之间最重要的差别是高的D/H 比。高的D/H比有力地说明（不是证明）金星过去有更多的水 。热结构金星的反照率在行星中是最高的（例如金星是0.75，地球为0.29）。在金星表面的“阳光”比地球表面的少5倍。（地球大气温度随高度变化有三个转折点，可将地球大气分为四层。而金星大气温度随高度的变化不如地球复杂，并且进行温室效应显著。）（非课件内容）金星中层大气最主要的特征是全球云层，在45 km 高度开始，延伸到70 km。所有的云都是低密度的，平均质量密度是0.01-0.02 g/ m3，而地球云的相应值是0.1-0.5 g / m3金星具有大气层超旋特征。金星极区大气层有哈德莱环流，地球在极区和赤道也有哈德莱环流。大气层与表面相互作用 高温高压驱动了CO2, SO2, OCS,H2S, HCl和 HF与金星表面岩石和矿物的相互作用。从目前的分析看，似乎 CO2、HCl和HF 的丰度是受控制的，或者说是受表面矿物的缓冲作用；而水蒸气、CO和硫气体的丰度由表面大气层作用和气体相化学组合动力控制。 1、 碳酸盐平衡地球上的大多数碳酸盐是沉积的，金星是否存在碳酸盐，仍没有弄清。2 、HCL与HF的平衡 在地球和金星上的方式类似。3、 含铁矿物的氧化还原作用可以产生氢气。4、金星硫循环与气候变化密切相关，目前认为硫来源于火山气体释放。地球和Io 上的火山是阵发式的,金星上的火山也应是阵发式的，这可能是为什么没有看见金星活动火山的原因。7. 火星存在水的证据a.火星陨石中的水在火星陨石中发现两种含水矿物:在初始磁化阶段形成的,包括黑云母,闪石,磷辉石,在高温有水蒸气存在时结晶出现；在低温或接近火星表面有液体水时形成的,如硅酸铝b. 含水矿物含水矿物通常认为它们的结构包含水或氢氧根（OH） ，也包含因表面带电而使表面颗粒容易吸附水的矿物。 含水矿物的存在，意味着在表面矿物的变更期间存在水。c. “机遇”号提供的证据 火星岩石中含有硫酸盐 岩石中的洞一些扁平的洞穿过岩石，表明在岩石中曾存在含盐矿物的晶体，后 来在水的冲蚀下形成了洞。 岩石交错层这些层很可能是溶于水的矿物经沉积而成。 “蓝莓果”可能是由于水带着溶解的矿物，沉积成颗粒。 针铁矿针铁矿只在有水存在的情况下形成，无论水处于气态、液态还是固态。d. 使用 中子和伽马射线谱仪 可以分析表面下水层的分布四种区域表面下薄层的水含量 具有干燥土壤的区域：这些区域水的含量为2wt%。 水冰含量高的北部永冻区（NPR）：北极周围，有很大的区域含有丰富的表面下水冰。 水冰含量高的南部永冻区（SPR）：与NPR区类似 中纬土壤中富含水的区域：在火星赤道纬度，几个区域有10 wt%的富水层，这些层被大约30g/cm2厚的土壤干燥层覆盖着。 e. 土壤中的地下冰由于火星的气候长期以来都是极冷的，因此火星的外层是全球冻结的，形成全球性的永冻壳冻结层。根据火星表面现代的热状态和行星的热流值，在赤道区和极区冻结层的厚度分别是12公里和56公里。这样大尺度冻结层的存在，火星水的大部分可能以地下冰的形式捕获在永冻壳中。地下冰存在的形态特征通常的特征有壁垒形陨石坑（具有流体抛射物）、泥石流、多边形地体、沟壑以及外流河道等。8. 火星探测的技术风险a. 切入火星轨道 探测器离地球很远，遥测和遥控信号比较微弱 当探测器运动到火星背面时，地球上无法准确地确定其轨道参数，给再入高度的选择带来困难b. 利用火星大气层的气动阻力作用降低轨道高度影响气动阻力制动的因素 准确的导航 火星大气层状态和天气状况 火星重力场的知识 最佳切入点的选择c. 着陆器遇到的技术问题 怎样实现软着陆降落伞、反冲火箭、气囊、吊车 怎样准确降落到指定地点深空通信天线位置的准确定位进入点的确定(依赖于在轨卫星)9. 火星气候1、现在的气候 火星以二氧化碳为主体的薄大气层提供了小的温室效应，使火星平均表面温度比没有大气层的情况升高了大约5C。 大气层含有数量可变的构成云和尘埃的冰粒子 ,衰减了入射阳光 轨道参数引起了火星冷和干燥的气候具有季节变化性 火星缺乏臭氧层，薄的、干燥的大气层允许短波紫外辐射穿透到表面 表面低温，没有液体水2、过去的气候火星上三种地理特征强有力地证明，在各个地质时期内，火星表面经历了流体的冲刷。这些地质时期包括：35亿年以前的诺亚时期、35亿至25亿和20亿年之间的Hesperian时期和20亿年以前至现在的亚马逊古陆时期。这三种特征是河谷网、沟壑与外流河道。如果火星表面特征确实是由流体流动产生的，则说明火星过去的气候是温暖和潮湿的，与现在的气候截然不同。3、产生温暖气候的机制（1）CO2温室效应 （2）撞击加热 （3）SO2温室效应 （4）甲烷酸温室效应 （5）在寒冷气候中产生大量流动特征的机制 10. 比较Europa 与Io木星的卫星IO半径：1815km，与月球相近；特征：有太阳系最年青、最奇特的火山。表面共发现了400多座火山，喷发高度为70300千米。 火山活动频繁，经常能发现喷发气体的高温区域。欧罗巴（Europa）直径为3138km； 密度是3.01g/cm3 ；主要是岩质的天体引力数据以及近红外测绘光谱仪的检测表明内部很可能含有液体水或水冰。其表面的温度，与赤道地区相比，高纬地区夜晚异常地热，这一偏差有可能源于潮汐挠曲作用，这也支持了Europa存在海洋的假说。Europa表面特征 由裂缝、地脊、地带和斑点精巧编制而成 这些裂缝大概是潮汐力不断扭曲冰质表面直到其破裂而形成的 地脊成双成对地将Europa的表面切开。还有多重平行的地脊 最宽的地脊通常侧面都是深色、微红而边缘分散的条纹。或