太阳、月亮与地球

太阳---地球---月亮

人类的空间环境一、太阳

一、太阳概况1、太阳是银河系中一颗普通的恒星，距离银河系的中心约3万光年，公转周期约2亿年，目前位于主序阶段，已有50亿年的历史；估计其寿命还有50亿年(到白矮星阶段)；2、日地平均距离1亿5千万公里；3、太阳的半径为6.96*105公里（69万6千公里）；是地球半径的109倍，它的体积约为地球体积的130万倍；4、太阳的质量1.989*1030kg，是地球质量的33万倍（地球质量为5.97*1024kg)；平均密度1.408g/cm3；(1/4地球密度)

表面重力加速度274m/s2

(27倍地球表面的值)5、地球接收太阳总辐射能的22亿分之一（每分钟传输能量相当于燃烧4亿吨煤产生的热量）。6、太阳的自转在两极和赤道不同，赤道区转速快，极区转速慢，在赤道处自转周期约25天，极区约29天，称为较差自转。太阳自转情况：红色表示转速快，兰色表示转速慢。二、太阳的结构1、核反应区（0--0.25R):太阳能量的主要来源，产能机制是氢聚变为氦的热核反应，中心区温度1500万度，质量占太阳总质量的一半以上;（密度：150g/cm3）2、辐射区（0.25--0.75R)：核反应区的能量以辐射的形式向外传送，温度下降一个量级;3、对流层（0.75--1R)：太阳物质上下翻滚，形成湍流，以物质对流的形式向外传能，对流运动本身以米粒和超米粒的形式在表面表现出来，温度又下降一个量级;4、光球层:人眼所看见的明亮圆盘，温度5770K，太阳的可见光绝大部分从这里发出，厚度约500公里；（密度：10-9g/cm3）5、色球层：光球层之上厚约2000公里的太阳大气，在日全食或用色球望远镜可见，其温度又开始上升；（密度：10-12g/cm3）6、日冕区：太阳的外层大气，没有明显的外边界，日全食时可见，温度达到百万度。（密度：10-14g/cm3）在日核处，每秒有500万吨的氢在热核反应中形成氦，产生能量。电磁辐射在太阳内部向外传播时非常缓慢，内部为不透明的，像浓雾，要经历许多次反射。如果直接出来，仅需2秒，但经历许多次反射后需要1千万年！三、太阳活动现象宁静太阳基本上是一颗球对称和稳定的恒星，她是时间上稳定、空间上球对称和均匀地向四面八方辐射的。其物理性质在空间上只随日心距变化，在同一半径的球层中物理性质是相同的。1、太阳黑子：光球面上经常出没的暗黑斑点；因温度相对较低而显得黑（约4500度），太阳黑子的本质是太阳上的磁场聚集区(强度可达3000高斯)。

小黑子的线度只有几百公里，而大黑子可达20万公里，黑子的寿命从几分钟到几个月不等。黑子多出现在低纬度区，经常成对或成群出现，黑子群中一般有两个主要黑子，它们的极性相反，前面的称为前导黑子（西边），后面的称为后随黑子，前导黑子距太阳的赤道较近。太阳黑子数的变化有11年的周期性，其在日面纬度上的分布也有11年的变化周期。2、太阳耀斑：邻近黑子上方的突发明亮物，是太阳大气中的一种不稳定过程，它在短时间（几分钟到十几分钟）内释放大量的能量，引起局部区域瞬时加热和各种电磁辐射及粒子辐射突然增强，又称色球爆发。一个大耀斑释放出的能量相当于百万吨级氢弹的能量耀斑可分为：白光耀斑：较为少见的太阳剧烈活动现象，可直接观测；X射线耀斑质子耀斑耀斑的出现频度和黑子数有关，即在太阳活动丰年耀斑活动频繁。

这是欧洲宇航局和美国国家航空航天局联合发射的SOHO卫星得到的2000年7月14日大耀斑的远紫外线观测资料。3、日珥：突出在日面边缘的白炽气体喷射物，形状似耳，高度可达几十万公里；宁静日珥：悬浮于色球上的日冕区，可保持几天到几周的时间；爆发日珥：激烈活动的日珥，持续时间为几分钟到几个小时。日珥的形成也和黑子密切相关宁静日珥是日冕中的巨大、稠密和低温的垂直等离子体结构。

密度约为0.5-1.01017m-3，比周围日冕密度高500倍；

温度约为5,000–10,000K，比周围日冕温度低500倍。它长寿且变化缓慢，在日冕上看起来是细长的暗条（filament）结构。它具有非常精细的结构和内部运动，并常常以一系列规则分布的“足点”联到下面的光球上。有时，它会变得不稳定，上升并消失掉，成为喷发日珥。通常会在原位重新形成新的日珥。4、日冕物质抛射（CME)：突发的、持续时间为几十分至两小时的物质抛射。日冕物质抛射和太阳耀斑及爆发日珥有关，但它们也能够独立出现，其出现的频度也和黑子活动周期有关。

2000年7月14日发生的日冕物质抛射。5、冕洞：日冕上形状不规则的黑暗区域，它和日冕上的磁场开放区有关，多出现在极区，存在时间较长（几个月），是强太阳风的风源。6、太阳风：日冕抛向行星际空间的粒子流。由于日冕处于膨胀状态，因而，无论是否存在太阳活动，都有稳定的太阳风流出（320-710公里/秒），一般情况下太阳风的平均流速为450公里/秒。太阳风暴：太阳活动（耀斑、爆发日珥、日冕物质抛射等）所引起的高速、高密粒子流。四、太阳活动对人类的影响-日地关系太阳活动所产生的各种电磁辐射和粒子流对地磁场、地球大气以及气候变化都会产生的影响。

地球磁场自转轴磁轴太阳活动对地球的影响磁鞘磁层顶1、地球磁场变化引起罗盘失灵，影响飞机船舶航行及雷达的正常工作；同时地磁场的变化也会对电力系统及输油管道的正常工作产生影响，因为强烈的磁暴在闭合导电回路中产生强大的感应电流，使输电线路发生故障。2、太阳活动对电离层的扰动影响无线电通讯。电离层（70-400公里）是由于太阳辐射引起地球大气分子电离产生的，太阳辐射的变化将引起电离层的变化。无线电波是通过电离层的反射而传播的，电离层的运动和变化增加了传播信号的噪声，低层（D）的吸收降低信号的强度。夜晚的短波通讯效果比白天好。（稳定）正常情况下，电离层中的扰动幅度较小，不会对通讯产生太大影响，但太阳活动造成的电离层状态突变会使通讯中断。3、太阳活动所产生的高能粒子流对宇航员及卫星系统造成危害。4、极光现象：常出现与地磁极附近大气中的彩色发光现象。来自太阳的高能粒子流在地磁场的作用下，沿磁力线飞向极区，使高层大气中的分子或原子激发或电离而产生。5、太阳活动和地球气候变化的关系大量的统计资料表明，太阳活动和地球气候变化具有相关性。三个因素：太阳总输出能量的变化（一个黑子周期间变化幅度小于0.1%。太阳常数-垂直太阳方向单位面积上在单位时间接收到的太阳辐射能。约为1.96卡／(厘米2分钟=1.37千瓦/米2)）；紫外和远紫外辐射的变化；太阳风和磁场的变化。太阳活动中紫外和远紫外辐射的变化很大。太阳电磁辐射对地球表面和大气层的加热，形成了大气层的温度垂直分布结构和大气环流，尤其是在对流层中造成了各种复杂的大气现象。太阳电磁辐射中，波长短于1400埃的紫外部分，是造成地球大气电离层和臭氧层的主要电离源。这些辐射会引起地球上层大气的扰动及臭氧层的变化。太阳活动产生的高速太阳风扰动地球磁场产生磁暴，加热高层大气，引起气压的变化，产生大气环流，导致气候的变化。6、某些细菌和微生物的活动也可能受太阳辐射的制约；某些疾病如流行性感冒，心血管疾病等也与太阳黑子数有关；7、树木生长的年轮圈的疏密情况明显地呈现11年的周期性，主极大对应于活动的峰年。8、太阳活动和地震有关吗？地震：地球板块的错动、断裂及滑动等。大量的统计结果显示，地震也呈现11年和22年的活动周期，与黑子活动有关。根据地磁扰动进行地震预报也取得了一定的成功。原因何在？太阳活动发出的大量辐射和带电粒子流使地磁场受到强烈扰动，磁暴可在地壳中产生力的作用，成为地震的导火索。太阳耀斑触发了地震，高能粒子形成潮汐一样的能量波，其中的甚低频辐射使已积聚巨大应力的断层发生共振。五、太阳物理的研究意义1、太阳是一个典型的恒星，详细研究可了解众多恒星的详细情况；2、太阳提供了地面难以实现的物理环境，对其研究可促进其他学科的发展；3、非常重要的应用价值：太阳活动预报开发利用太空的需要卫星：侦察、气象、资源、通讯、导航、空间站、空间望远镜等空间太阳能发电站、无线能量传输

历史上若干重大空间灾害性事件1958年2月9-10日，地磁暴造成北大西洋电报电缆中断，多仑多停电；1972年8月4日，强磁暴使美国伊力诺斯等州电力电缆中断，变压器损坏；1979年3月，对越自卫反击战时，大耀斑导致部队无线通讯完全中断；1989年3月13-14日，强磁暴造成加拿大魁北克地区电网停电；全球无线电通讯受到干扰，日本一颗通讯卫星异常；美国一颗卫星轨道下降；1990年太阳峰期，高能粒子造成我国风云-IB气象卫星提前报废；1991年4月29日，强磁暴发生后使美国缅因州核电厂发生灾难性破坏；1997年1月6-11日的日冕物质抛射使AT&T公司通讯卫星报废；1998年5月19日美国银河四号通讯卫星失效,同时德国一颗科学卫星报废。2000年7月14日产生了一系列显著的灾害性空间天气，所有卫星探测器减寿，日本ASCA卫星失控，等等2001年4月3日凌晨（2日21UT）发生25年来最大的太阳耀斑，使所有通讯中断，时值中美撞机事件之后2天，影响重大2003年10-11月，一系列太阳剧烈活动产生重大影响2006年12月13日，太阳谷年时产生剧烈太阳活动SOHO:SolarandHeliosphericObservatory太阳与日光层观测器欧洲空间局和美国航空航天局联合发射发射日期：1995年12月2日,1996年2月14日到达其永久位置重量：2吨距地球的距离：0.01AU=150万公里www.S月球一、月球的距离和大小月地平均距离：384400公里半径：1738公里，地球赤道半径的27.25%表面积：地球表面积的7.4%体积：地球体积的2.03%质量：7.196×1022kg，地球质量的1/81.3平均密度：3.34g/cm3，约为地球的60.5%月面重力加速度：1.622m/s2，约为地面的1/6二、月球表面月海月陆环形山辐射纹月谷

山脉月球正面照片

月球反面照片三、月面的物理状况月海，月陆，环形山没有大气，没有水分，没有生命潮汐现象、涨落潮、高低潮、潮差、大小潮太阳潮与太阴潮

四、天文潮汐高、低潮大、小潮返回

大潮：发生在朔望小潮：发生在上下弦三、地月系一、地月系的绕转月球绕转地球轨道形状椭圆，偏心率0.0549；白道：月球轨道在天球上的投影；黄白交角：白道面相对于黄道面的交角（5º9'）；周期：27.32日（恒星月）；速度：角速度：33'/小时，线速度1.02km/s。

几个概念恒星月：月球在白道上连续两次通过同一恒星（无明显自行）所需的时间：27.3217日。朔望月:从这一次新月（或满月）到下一次新月（或满月）所经历的时间：29.5306日。近点月交点月依月球公转周期可求出月球公转角速度： 360°÷27.3217日=13.2°/日 即为月球公转平均角速度由于月球公转轨道是个椭圆，所以公转速度是不均的。近地点最快，约为15°/日；远地点最慢，约为11°/日。月球在公转轨道上平均每日自西向东移行13.2°，因地球自转所造成的月球自东向西的周日视运动，必然逐日向后推迟，地球自转13.2°约需52分钟，所以月球每日出没地平的时间平均向后延迟52分钟。这就是我们日常所见明月当空逐日推迟的道理。月球绕地的角速度为13°10′/日，太阳周年运动速度为59’/日，二者相差： 13°10′/日-59′/日=12°11′/日 此即月球相对于太阳的会合速度，月球以此速度赶超太阳的周期为： 360°÷12°11′=29.53(日)月球自转月球自转与其公转同步，即方向相同，周期相等。因此称同步自转；大体上只看到相同的半个月面。二、月相和朔望月月相变化的因素：太阳照射方向；地球观测方向方向相反，新月；方向相同，满月；方向垂直，上下。图2-20月相的变化（一）上半月由亏转盈，凸面向西，下半月由盈转亏，凸面向东（外圈表示地球上所见的月相）月亮歌初一月亮看不见初二月亮一根线初三初四像镰刀初七初八月半边一天更比一天胖直到十五月才圆廿二半夜月半圆一天更比一天瘦廿九三十见月难月相的名称出现的大致时间(农历每月)

夜晚所见的形状

新月或朔

初一

不可见

上弦月

初七、初八

半圆，上半夜见于西半部天空，月面朝西

满月或望

十五、十六

通宵可见一轮明月

下弦月

二十二、二十三

半圆，下半夜见于东半部天空，月面朝东注：“上上西西，下下东东”月相变化周期：29.5306日（朔望月）月相、方位和时刻“上上西西，下下东东”月相

距角

与太阳出没比较

月出

中天

月落

见月时间

新月0º

同升同落

清晨正午黄昏彻夜无月满月180º此起彼落黄昏半夜清晨通宵见月上弦月90º迟升后落正午黄昏半夜上半夜西天下弦月270º早升先落半夜清晨正午下半夜东天月亮愈圆见月时间越长；月牙愈窄，见月时间愈短。满月通宵可见，弦月半夜可见，新月则不见。以下有关月相的描述。请判断分别属于什么月相？1、傍晚一弯月牙挂树梢2、月落乌啼霜满天，江枫渔火对愁眠。3、月上柳梢头，人约黄昏后。4、民歌“半个月亮爬上来”5、今宵酒醒何处？杨柳岸，晓风残月。（月底娥眉月）（上弦月）（满月）（下弦月）（月初娥眉月）四、日食和月食