地球科学概论课件4——行星与太阳系探测

1、空间科学空间科学 太阳系太阳系探测探测 水 星 金 星 地 球 火 星 木 星 土 星 天天 王王 星星 海海 王王 星星 p. 2 1、太阳系构成、太阳系构成 水 星 金 星 地 球 火 星 木 星 土 星 天天 王王 星星 海海 王王 星星 The Earth 3rd planet from the Sun 1 AU = 150 million km Travel time: By light - 8 minutes By Solar Wind- - 100 hrs Solar System 水星 金星 地球 火星 木星 土星 海王星海王星 天王星天王星 冥王星冥王星 行行 星星 矮行星矮

2、行星小天体小天体 类地行星类地行星小行星小行星彗彗 星星 水水 星星 地地 球球 金金 星星 火火 星星 木木 星星 土土 星星 天天 王王 星星 海海 王王 星星 冥冥 王王 星星 谷谷 神神 星星 珍珍 娜娜 慧星慧星流星流星 类地行星类地行星类木行星类木行星 行星的定义行星的定义 n一颗行星是一个天体，它满足一颗行星是一个天体，它满足: (a) 围绕太阳运转围绕太阳运转; (b) 有足够大的质量来克服固体应力以达到有足够大的质量来克服固体应力以达到 流体静力平衡的流体静力平衡的(近于圆球近于圆球)形状，形状， 同时同时 (c) 清空了所在轨道上的其他天体。清空了所在轨道上的其他天体。 矮

3、行星的定义矮行星的定义 n一颗矮行星是一个天体，它满足一颗矮行星是一个天体，它满足 (a)围绕太阳运转围绕太阳运转 (b)有足够大的质量来克服固体应力以达到有足够大的质量来克服固体应力以达到 流体静力平衡的流体静力平衡的(近于圆球近于圆球)形状形状 (c)没有清空所在轨道上的其他天体，同时没有清空所在轨道上的其他天体，同时 (d)不是一颗卫星。不是一颗卫星。 小天体小天体 n其他围绕太阳运转的天体其他围绕太阳运转的天体 ，卫星除外，统，卫星除外，统 称为称为“太阳系小天体太阳系小天体”。 冥王星和库帕带冥王星和库帕带 库帕库帕带的位置带的位置处于处于距距离离太太阳阳40至至50天文单位天文单位

4、（AU）低傾角的軌道上。該低傾角的軌道上。該处处 过过去一直被去一直被认为认为空空无无一物，是太一物，是太阳阳系的系的尽头尽头所在。但所在。但事实事实上上这里布满这里布满着着直直 径数十径数十公里到上千公里的冰封物公里到上千公里的冰封物体体。库帕库帕带是现时我们所知的太带是现时我们所知的太阳阳系的系的边边 界，是太阳系大多数界，是太阳系大多数的來源地。的來源地。 流星流星 球粒状郧石球粒状郧石 大部分陨石是球粒陨石（占总数的91.5） 小行星与小行星带小行星与小行星带 有超过一万个小型星体（1 km 1000 km） 位于与之间，这个带是小行星带，小行星带， 大部分大部分来自于与之间小行星 带

5、。 彗星彗星，或称为扫帚星扫帚星，是一种天体，由太阳系外围行 星形成后所剩余的物质（如冰冻的气体、冰块、尘埃） 组成。彗星质量很小，只有地球质量的几千亿分之一， 通常沿著扁平的轨道围绕太阳运行。绕行一周所需的 時间由几年至几百万年不等。 彗星彗星 等离子体尾等离子体尾 中性气体尾中性气体尾 彗星彗星 馬王堆帛書的彗星臨摹圖馬王堆帛書的彗星臨摹圖 (29幅) 西漢古墓 p. 15 Orientation of rotation and magnetic axes 17 Comparative Magnetosphere 18 NATURE |VOL 432 | 4 NOVEMBER 2004 木

6、星的极光 p. 24 2011年9月1日（农历八月初四）13点43分,钱塘江大潮观潮圣地浙江 海宁盐官，形成一线潮。图为潮来现场。 n没有大气，表面也无没有大气，表面也无 液态水液态水 n昼夜温度变化很大，昼夜温度变化很大， 表面最高温度高达表面最高温度高达 123 C，白天平均温，白天平均温 度为度为107C，夜间平，夜间平 均温度为均温度为-153C， 夜半球温度最低达夜半球温度最低达- 233 C。 A NASA radar aboard Indias Chandrayaan-I lunar orbiter found 40 craters, ranging in size from 1

7、 to 9 miles across, with pockets of ice. Scientists estimate at least 600 million tons of ice could be entombed in these craters. 三种可能： 一是来自撞击月球的彗星或小行星; 二是撞击事件释放了困于月表下面的水； 三是携带氢原子的太阳风，氢原子与月球土壤中的氧原子结合 形成水。 如果真是太阳风，那还意味着太阳系中没有大气的地方也可能有少量水，比如 水星和小行星。 月球发现有水证据：一吨土壤含月球发现有水证据：一吨土壤含900克水克水(图图) H+O+H = H2O

8、月球表面特征月球表面特征 n大的暗区称为大的暗区称为“月海月海”; n月面上有月面上有22个月海，其个月海，其 中有中有19个在朝向地球的个在朝向地球的 半个月球半个月球 ; n月陆又常称作月陆又常称作高地高地，是，是 月面上亮的一些区域，月面上亮的一些区域， 比月海高比月海高 公里，公里， 约占月球表面总面积的约占月球表面总面积的 4/5 ; n月球布满大大小小的陨月球布满大大小小的陨 击坑。击坑。 月壤与月土月壤与月土 n月球表面覆盖着的碎岩和细尘覆盖层称月球表面覆盖着的碎岩和细尘覆盖层称 为为“月壤月壤”，而月壤中的细尘，而月壤中的细尘(小于毫小于毫 米米)另称作另称作“月月尘尘”或或“

9、月土月土”（Lunar soil）。）。 n月壤完全不同于地球土壤，不是风化过月壤完全不同于地球土壤，不是风化过 程形成的，也不含腐植质，而是基岩被程形成的，也不含腐植质，而是基岩被 陨击的溅射碎屑沉积的连绵覆盖层。陨击的溅射碎屑沉积的连绵覆盖层。 已经命名已经命名 的陨石坑的陨石坑 有有8千多个千多个 月球南极的艾特肯盆地月球南极的艾特肯盆地 （Aitken Basin） n图中兰色区域为图中兰色区域为 Aitken Basin，直，直 径径2500km，深，深 12km，是太阳系，是太阳系 最大的撞击坑最大的撞击坑 月球月球 近边近边 月球月球 远边远边 为什么要探测月球为什么要探测月球

10、n科学意义科学意义 n月球资源月球资源 n技术意义技术意义 科学意义科学意义 n月球的起源与演变月球的起源与演变 n月球的空间环境月球的空间环境 n在月球轨道观测地球的空间环境在月球轨道观测地球的空间环境 n月球天文台月球天文台 n在月球上监测近地小行星在月球上监测近地小行星 月球资源月球资源 n核聚变材料核聚变材料氦氦3 n极区可能存在的极区可能存在的水冰水冰 n稀有矿物资源稀有矿物资源 技术意义技术意义 n为更远的深空探测做为更远的深空探测做 技术准备技术准备 n验证一些新技术验证一些新技术 n推动高技术的发展推动高技术的发展 月球探测的形式月球探测的形式 n飞越（飞越（flyby） n硬

11、着月或软着月硬着月或软着月 n环月环月 n由登月舱取样返回由登月舱取样返回 n载人登月载人登月 n建立永久性的基地建立永久性的基地 月球探测历史月球探测历史 n第一个飞越月球的探测器第一个飞越月球的探测器Luna 1 n第一个硬着月的探测器第一个硬着月的探测器Luna 2 n首次在月球表面软着陆首次在月球表面软着陆Luna-9 n第一个环月探测器第一个环月探测器Luna 10 n美国于美国于1968年年12月发射的月发射的Apollo 8，是第，是第 一艘载人的环月飞船一艘载人的环月飞船 ； n1970年年7月月20日，美国日，美国Apollo 11号载人飞号载人飞 船成功登月，并从月球带回船

12、成功登月，并从月球带回21.7kg的土壤的土壤 和岩石样品，这是人类首次踏上月球。和岩石样品，这是人类首次踏上月球。 中国的中国的“嫦娥嫦娥”探月计划探月计划 n第一步第一步：于：于2007年发射年发射 环月探测卫星，对月球环月探测卫星，对月球 表面进行三维成像，探表面进行三维成像，探 测近月空间环境，探测测近月空间环境，探测 月球矿物分布；月球矿物分布； n第二步第二步：机器人在月球：机器人在月球 表面软着陆，对月球表表面软着陆，对月球表 面进行实地探测；面进行实地探测； n第三步第三步：从月球取样返：从月球取样返 回。回。 p. 49 2 、类地行星、类地行星 n水星水星 n金星金星 n地

13、球地球 n火星火星 类地行星的主要特征类地行星的主要特征 n基本上是由岩石和金属组成基本上是由岩石和金属组成 n固体表面，密度高固体表面，密度高 n自旋缓慢自旋缓慢 n没有环没有环 n卫星少卫星少 类地行星研究关注的问题类地行星研究关注的问题 n类地行星环境及其演变类地行星环境及其演变 n类地行星磁场的源类地行星磁场的源 n火星上是否有水和生命火星上是否有水和生命 水水 星星 Mercury 水星水星 1.水星的基本参数和表面形态水星的基本参数和表面形态 2.水星大气层水星大气层 3.水星的磁场与磁层水星的磁场与磁层 4.水星研究关注的水星研究关注的 问题问题 1.水星基本参数和表面形态水星基

14、本参数和表面形态 n到太阳的距离：到太阳的距离： 0.387AU n与地球半径之比：与地球半径之比：0.383 n与地球密度之比：与地球密度之比：0.984 n平均轨道速度：平均轨道速度：47.88km/s n公转周期：公转周期：87.969天天 n自转周期：自转周期：58.646天天 一个水星日一个水星日2/3个水星年个水星年 水星表面特征水星表面特征 n陨击坑陨击坑：最大直径：最大直径1300公里；公里； n盆地盆地：在飞船所摄：在飞船所摄45%水星表面，辨认水星表面，辨认 出出35个直径大于个直径大于200km的盆地；的盆地； n平原平原：平坦平原、坑际平原和多丘线状：平坦平原、坑际平原

15、和多丘线状 区；区； n环行山环行山、悬崖和谷悬崖和谷。 水星最大的陨水星最大的陨击击坑：直径坑：直径1300km 水星最热的地方水星最热的地方 卡路里盆地卡路里盆地 n火星最热的地方是火星最热的地方是 Cloris Basin，最热，最热 时达时达427。 n在中午，岩石中的在中午，岩石中的 铅、锡被强烈的阳铅、锡被强烈的阳 光熔化析出，汇聚光熔化析出，汇聚 成金属液潭；成金属液潭； n最新探测结果比原最新探测结果比原 测值大测值大. 2. 水星大气水星大气 n表面气压约表面气压约10-15 bar(地球表面为地球表面为1.013 bar)； n主要成分：主要成分： He：42% Na：42

16、%; O2： ：15%; 其它：其它：1%; 水星表面温度水星表面温度 n最高温度：最高温度：427C, n最低温度：最低温度：-173 C n平均表面温度：平均表面温度： 179C 3. 水星的磁场与磁层水星的磁场与磁层 n赤道表面磁场约为地球赤道表面磁场约为地球 的的1%； n水星的磁层比地球磁层水星的磁层比地球磁层 小，磁层顶距水星中心小，磁层顶距水星中心 仅仅1.3倍水星半径；倍水星半径； n水星没有电离层。水星没有电离层。 类地行星与月球的密度类地行星与月球的密度 水星研究关注的问题水星研究关注的问题 n为什么水星的密度那样高？为什么水星的密度那样高？ n水星磁场的来源？水星磁场的来

17、源？ n水星的地质是怎样演变的？水星的地质是怎样演变的？ n水星的极区有冰吗？水星的极区有冰吗？ n水星的大气层有那些挥发性成分？水星的大气层有那些挥发性成分？ n水星没有电离层，磁场怎样与太阳风相水星没有电离层，磁场怎样与太阳风相 互作用？互作用？ 水星探测水星探测 n水手水手10号号 n信使号信使号 探测水星的技术难点探测水星的技术难点 1.飞船与水星的相对速度太大飞船与水星的相对速度太大 2.飞船在日照时温度非常高飞船在日照时温度非常高 利用金星的引力助推作用利用金星的引力助推作用 4.2.2 金星（金星（Venus) 主要内容主要内容 1.金星的基本参数金星的基本参数 2.金星大气层金

18、星大气层 3.金星表面特征金星表面特征 金星的基本参数金星的基本参数 到太阳的平均距离到太阳的平均距离：0.723AU 公转周期公转周期：224.701天天 自转周期自转周期：243.01天天 平均轨道速度：平均轨道速度：35.02km/s 平均密度平均密度：地球的：地球的0.95 赤道半径赤道半径：地球的：地球的0.95 体积体积：地球的：地球的0.86 质量质量：地球的：地球的0.82 金星的自转方向与地球相反 金星的大气层金星的大气层 n表面气压表面气压: 92bar，是地球的，是地球的92倍倍 n主要成分主要成分: CO2（96.5%) ，氮，氮 （3.5%）；）； n次要成分次要成分

19、: 水汽、二氧化硫等；水汽、二氧化硫等； n大气中有气辉和闪电，但没有积雨云；大气中有气辉和闪电，但没有积雨云； n有电离层和磁层。有电离层和磁层。 金星的表面温度金星的表面温度 n最高温度最高温度: 480C n表面温差不超过表面温差不超过10度度(温室效应强温室效应强) 金星的表面特征金星的表面特征 n表面平坦，除了少数高地区外，高程差表面平坦，除了少数高地区外，高程差 很小（仅很小（仅23km） n高地（高地（8%） n低地（低地（27%） n起伏平原（起伏平原（65%） 最大的陨石坑最大的陨石坑 Mead 陨石陨石 坑，直径坑，直径 280km。 长的通道长的通道 宽宽1km4km，

20、长长120km。 是岩溶流动是岩溶流动 流下的痕迹。流下的痕迹。 圆形的山圆形的山 n这这7个圆顶个圆顶 形的山平形的山平 均直径均直径25 公里，最公里，最 高高750米。米。 金星探测金星探测 n“金星金星”（Venera）系列：）系列： 16艘艘 n“水手水手”（Mariner）系列：）系列： 3艘艘 n“维伽维伽”（Vega）系列：）系列： 2艘艘 n“先锋金星先锋金星”（Pioneer Venus）系列：）系列： 2艘艘 n“探测器探测器”（Zond ）飞船）飞船1艘艘 n“伽利略伽利略”（Galileo ）飞船）飞船1艘艘 n“麦哲伦麦哲伦”（Magellan ）飞船）飞船1艘艘

21、火星火星(Mars) 主要内容主要内容 n火星的基本参数火星的基本参数 n火星大气火星大气 n表面形态表面形态 n火星上的水火星上的水 火星的基本数据火星的基本数据 n到太阳的距离：到太阳的距离：1.52AU n直径：直径：6794km(地球的地球的 0.533倍倍) n密度（与地球之比）：密度（与地球之比）：0.713 n重力加速度（与地球之比）：重力加速度（与地球之比）：0.377 n公转周期：公转周期：686.98天天 n自转周期：自转周期：24h37m22.6s 火星大气火星大气 n大气压力：大气压力：0.007bar n大气成分：大气成分： CO2 : 95.32% N2 : 2.7

22、% （77%）Ar: 1.6%（0.9%） O2 : 0.13% (21%) H2 O: 0.03% (0.1%) Ne: 0.00025 % 火星的雾火星的雾 火星的云火星的云 火星表面温度火星表面温度 n最高表面温度：最高表面温度：270C n最低表面温度：最低表面温度：-1400C n平均表面温度：平均表面温度：-550C 火星表面形态火星表面形态 n激光高度计测激光高度计测 量的结果，误量的结果，误 差在差在13米之内；米之内； n南半球平均高南半球平均高 度在地形度在地形“海海 平面平面”之上之上13 公里，北半球公里，北半球 居居“海平面海平面” 之下，且环行之下，且环行 山稀少。

23、山稀少。 塔西斯（塔西斯（Tarsis）隆起区）隆起区 n高达高达27km，横跨，横跨 4000km。 n有有3个东北个东北-西南向西南向 排列的盾形火山，排列的盾形火山， 间距约间距约700km，直，直 径为径为350400km。 火山口深火山口深34km。 太阳系最高的火山太阳系最高的火山 n奥林匹斯奥林匹斯 （Olympus） 火山，高火山，高27km， 直径直径550km， 顶部火山口直顶部火山口直 径约径约80km。悬。悬 崖高崖高6km以上，以上， 环绕在奥林匹环绕在奥林匹 斯底部。斯底部。 “水手水手”大峡谷大峡谷 n长长4000km，宽，宽 600km，深，深7km。 n美国科

24、罗拉多大峡美国科罗拉多大峡 谷长谷长350km，最大，最大 深度深度1.7km,最大宽最大宽 度度29km。 火星最大的盆地火星最大的盆地Hellas 长轴和短长轴和短 轴分别为轴分别为 2000和和 1600km， 深深4km 火星的极区火星的极区 n极区表面最上层极区表面最上层 是水冰和干冰以是水冰和干冰以 及尘埃的极冠，及尘埃的极冠， 冰极冠下面是层冰极冠下面是层 状沉积。状沉积。 南北极冠的情况南北极冠的情况 火星的尘暴火星的尘暴 n每个火星年大约每个火星年大约 有有100次区域性次区域性 尘暴发生；尘暴发生； n在每个火星年中，在每个火星年中， 有有1、2次区域性次区域性 尘暴发展成

25、全球尘暴发展成全球 性大尘暴。性大尘暴。 火火 星星 的的 尘尘 暴暴 n每个火星年大约有每个火星年大约有100次区域性尘暴次区域性尘暴 发生；发生； n在每个火星年中，有在每个火星年中，有1、2次区域性次区域性 尘暴发展成全球性大尘暴。尘暴发展成全球性大尘暴。 大气层大气层 n 压强压强 主要成分主要成分 n地球地球 1.00 N2，O2 n火星火星 0.077 CO2，NO2 n金星金星 92.00 CO2，N2 n水星水星 10 -15 He, Na 类地行星比较类地行星比较 类地行星和月球的磁性类地行星和月球的磁性 n水星水星：有普遍磁场，但很弱；没有电离：有普遍磁场，但很弱；没有电离

26、 层和辐射带；层和辐射带； n金星金星：磁矩小于地球的十万分之五，有：磁矩小于地球的十万分之五，有 电离层；电离层； n火星火星：磁场不超过地球的千分之四，有：磁场不超过地球的千分之四，有 电离层和磁层；电离层和磁层； n月球月球：没有普遍磁场，磁矩小于地球的：没有普遍磁场，磁矩小于地球的 一千万分之一。一千万分之一。 类地行星大气是怎样演变的？类地行星大气是怎样演变的？ n地球所含的二氧化碳与金星一样多，但地球所含的二氧化碳与金星一样多，但 地球所含的地球所含的CO2储藏在动物骨骸所形成储藏在动物骨骸所形成 的灰石中；未来将怎样变化？的灰石中；未来将怎样变化？ n金星大气原来是什么状态？为什

27、么演变金星大气原来是什么状态？为什么演变 到今天的情况？到今天的情况？ n火星的臭氧层怎样被破坏的？人类应吸火星的臭氧层怎样被破坏的？人类应吸 取什么教训？取什么教训？ 火星上有生命吗？ 火星人脸火星人脸 火星上有生命的证据火星上有生命的证据 n1996年年12月月 美国科学家美国科学家 宣布：宣布：1984 年在南极洲年在南极洲 发现的发现的 ALH84001陨陨 石来自火星石来自火星。 火星陨石携带生命信息火星陨石携带生命信息 n在电子显微镜图片中，在电子显微镜图片中， 地球上的细菌（上）地球上的细菌（上） 与火星陨石中的结晶与火星陨石中的结晶 体（下）外观惊人地体（下）外观惊人地 相似。

28、相似。 n结晶体是火星陨石以结晶体是火星陨石以 长链状排列的磁铁结长链状排列的磁铁结 晶体，这种链状结构晶体，这种链状结构 只能由曾经活着的生只能由曾经活着的生 物体组成。物体组成。 火星陨石坑中地下水的痕迹火星陨石坑中地下水的痕迹 n陨石坑陨石坑 边缘有边缘有 明显水明显水 冲刷过冲刷过 的痕迹的痕迹 火星上过去曾经有水吗？火星上过去曾经有水吗？ 火星上现在有水吗？火星上现在有水吗？ 表面水流表面水流 的痕迹的痕迹 遗留的问题遗留的问题 n火星上的水存在于什么年代？火星上的水存在于什么年代？ n火星上的水存在多长时间？火星上的水存在多长时间？ n火星上的水在什么年代消失的？火星上的水在什么年

29、代消失的？ n什么原因导致火星水的消失？什么原因导致火星水的消失？ n火星上曾经有生命吗？火星上曾经有生命吗？ “火星快车火星快车”寻找地下水寻找地下水 探测原理探测原理 火星快车在赤火星快车在赤 道附近发现冰道附近发现冰 陨石坑阴影处陨石坑阴影处 含有地下冰含有地下冰 火星快车在陨石坑中发现水冰火星快车在陨石坑中发现水冰 火星极区存在水冰的证据火星极区存在水冰的证据 雷达观测结果雷达观测结果 n南极富含冰的沉积层厚南极富含冰的沉积层厚 度分布度分布 n沉积区主要由水冰构成，沉积区主要由水冰构成， 紫色紫色：冰层最薄，：冰层最薄，红色红色： 冰层最厚。冰层最厚。 n沉积层内总的水冰体积沉积层内

30、总的水冰体积 等效于覆盖整个火星等效于覆盖整个火星11 米深的水层。米深的水层。 n黑色圆形区是南纬黑色圆形区是南纬87以以 内的区域。内的区域。 火星大气火星大气 含有水蒸气和甲烷的区域含有水蒸气和甲烷的区域 118 地球科学概论地球科学概论（空间科学部分）纲要（空间科学部分）纲要（2010.10） 基本概念基本概念 1. 1.中性大气部分中性大气部分 中间层、热层、臭氧层中间层、热层、臭氧层 2. 2. 电离层电离层 极光、电离层不规则性、电离层闪烁、突发电离层骚极光、电离层不规则性、电离层闪烁、突发电离层骚 扰、电离层暴扰、电离层暴 3. 3. 磁层磁层 地球空间、辐射带、地磁活动、磁暴

31、、磁层亚暴、环地球空间、辐射带、地磁活动、磁暴、磁层亚暴、环 电流电流 4. 4.太阳与太阳风太阳与太阳风 太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳活动、太阳风、太阳太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳活动、太阳风、太阳 黑子黑子 重点理解的问题重点理解的问题 大气层分层大气层分层 高层大气状态变化对航天器的影响高层大气状态变化对航天器的影响 无线电波传播的方式无线电波传播的方式 电离层的状态为什么会影响电磁波传播电离层的状态为什么会影响电磁波传播 带电粒子在地磁场中运动的三种方式带电粒子在地磁场中运动的三种方式 地磁活动的原因地磁活动的原因 磁暴发生的原因磁暴发生的原因 突发电离层骚扰产生的原因突发电离层骚扰产生的原因 太阳耀斑对地球