《自然科学基础》第十五章

天体天体系统01天体与天体系统恒星是宇宙中最重要的天体。恒星是由炽热气体组成的、能够自身发光的球形或类似球形的天体。太阳就是一颗既典型又很普通的恒星。构成恒星的气体主要是氢，其次是氦，其他元素很少。

拥有巨大的质量是恒星能发光的基本原因。1．恒星图15-1北斗七星形状的变化星云是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体，图15-2所示为猎户座大星云。星云里的物质密度是很低的，若拿地球上的标准来衡量的话，有些地方是真空的。可是星云的体积十分庞大，常常方圆达几十光年。2．星云图15-2猎户座大星云在恒星与恒星之间存在着极其广大的空间，称为星际空间。弥漫于星际空间的极其稀薄的物质称为星际物质。主要的星际物质有两类，即星际气体和星际尘埃。3．星际物质银河系是地球和太阳所属的星系，包括1200亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃，它的总质量是太阳质量的1400亿倍。在银河系里，大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼，如图15-3所示。1．银河系图15-3银河系示意图通过各种观测，天文学家发现，在银河系之外，有很多天体散落在天空中，人类所处的银河系不过是宇宙中数十亿个星系中的一员。在广褒的宇宙空间，有数不尽的大小不一、千姿百态的各种星系，人们称之为河外星系（简称星系）。2．河外星系

总星系是指我们现在观测所及的宇宙部分，它是现在所知的最高一级天体系统。总星系并不是一个具体的星系，而是指用现有的观测手段和方法，所能被人们观测和探测到的全部宇宙范围。3．总星系太阳太阳系02太阳和太阳系太阳的内部主要可以分为三层：核心区、辐射区和对流区。太阳的能量来源于其核心部分，太阳的核心温度高达1500万K，压力相当于2500亿个大气压。核心区的气体被极度压缩至水密度的150倍。在这里发生着核聚变反应，每秒钟有七亿吨的氢被转化成氦。在这个过程中，约有500万吨的净能量被释放（大概相当于38600亿亿兆焦耳）。聚变产生的能量通过对流和辐射过程向外传送，核心产生的能量需要通过几百万年才能到达表面。1．太阳的能量太阳大气层从里向外又可分光球、色球和日冕，如图15-7所示。我们看到耀眼的太阳，就是太阳大气层中光球发出的强烈的可见光。光球层位于对流层之外，属太阳大气层中的最低层或最里层，光球层的厚度约500km，与太阳半径相比，好似人的皮肤和肌肉之比。2．太阳大气的结构图15-7太阳大气的结构太阳的光球上常常可以看到很多黑色斑点，它们叫做太阳黑子，如图15-8所示。太阳黑子其实也发光，只是因为温度比周围光球低1000℃左右，在明亮光球的反衬下看起来呈暗黑色。太阳黑子在日面上的大小、多少、位置和形态等，每天都不同。3．太阳活动图15-8太阳黑子太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动，一般认为发生在色球层中，所以也叫“色球爆发”。（一）太阳系的成员太阳系的成员包括太阳和环绕太阳的行星（如水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星）、卫星以及为数很多的彗星与流星体等。太阳系从太阳出发往各个方向延伸，包含着巨大的宇宙空间。太阳的质量占到整个太阳系的99.86%，因而它的引力非常大。太阳巨大的引力使得各大行星和其他物体沿着固定的轨道围绕太阳运行，如图15-9所示。图15-9太阳系（一）太阳系的成员1．行星2．卫星3．彗星4．流星体5．行星际物质行星与太阳平均距离（天文单位）公转周期（恒星年）自转周期（恒星日）质量（地球=1）体积（地球=1）密度g/cm3水星0.3888日58.6日0.060.0565.4金星0.72225日243日0.8208565.2地球1.00365.25日23时56分1.001.005.5火星1.521.88年24时37分0.110.153.9木星5.2011.86年9时50分31813161.3土星9.5729.5年10时14分947450.7天王星19.2884年16时48分1565.21.3海王星30.13164.8年16时06分1757.11.7表15-2八大行星的比较（二）太阳系的形成在云团碎片收缩的过程中，它们的温度也在不断上升。最终，某个云团碎片核心的温度能达到1000万摄氏度。当氢原子开始融合并释放能量时就产生了核聚变，一颗恒星便诞生了——这就是太阳的起源。月球——地球的卫星地月系03月球与地月系1．月球的环境月球也称太阴，俗称月亮，是地球唯一的卫星。月球的年龄大约有46亿年。月球有壳、幔、核等分层结构。月球直径约3476km，是地球的3/11，太阳的1/400。月球的体积只有地球的1/49，质量约7350亿亿吨，相当于地球质量的1/81，月球表面的重力差不多是地球重力的1/6。图15-11月球表面的环形山2．月球的形成理论关于月球如何形成这一问题，目前较为公认的理论是碰撞说，该学说能从整体上解释天文学家观测的一系列事实。通过计算机建立的模型，科学家揭示出，大约45亿年前，在太阳系形成的过程中，地球与一个火星大小的天体发生了剧烈的碰撞，激射到太空中的地球物质和该碰撞体的残骸不断相互吸引，最终形成了月球。图15-12解释了这一形成过程。图15-12碰撞说月球成因示意图（一）月球的运动地球与月球构成了一个天体系统，称为地月系，如图15-13所示。在地月系中，地球是中心天体，因此一般把地月系的运动描述为月球对于地球的绕转运动。然而，地月系的实际运动，是地球与月球对于它们的公共质心的绕转运动。图15-13地月系（二）月相变化月相是指月球的各种圆缺形态。月球环绕地球旋转时，地球、月球、太阳之间的相对位置不断地变化。月球本身不发光，只有月球直接被太阳照射的部分才能反射太阳光。我们从不同的角度上看到月球被太阳直接照射的部分，这就是月相的来源。图15-14月相变化（三）日食和月食当月球运行到太阳和地球之间，月球遮住了太阳，便是日食；当月球运行到地球的背后，进入地球的阴影，便是月食。图15-15发生日食的条件图15-16发生月食的条件1．日食和月食形成的条件（三）日食和月食日食可以分为三种：日全食、日偏食和日环食。由于月球、地球运行的轨道都不是正圆，日、月与地球之间的距离时近时远，所以太阳光被月球遮蔽形成的影子，在地球上可分成本影、伪本影（月球距地球较远时形成的）和半影。观测者处于本影范围内可看到日全食；在伪本影范围内可看到日环食；而在半影范围内只能看到日偏食，如图15-17所示。图15-17月影结构与日食类型2．日食的种类和过程（三）日食和月食在地球上能够看到日食的地区也很有限，这是因为月球比较小，它的本影也比较小而短，因而本影在地球上扫过的范围不广、时间不长，由于月球本影的平均长度（373293km）小于月球与地球之间的平均距离（384400km），就整个地球而言，日环食发生的次数多于日全食。一次日全食的过程可以包括初亏、食既、食甚、生光和复圆五个阶段，如图15-18所示。图15-18日食过程2．日食的种类和过程（三）日食和月食月食（见图15-19）可分为月偏食、月全食及半影月食三种。当月球只有部分进入地球的本影时，就会出现月偏食；而当整个月球进入地球的本影之时，就会出现月全食。另外，由于地球的本影比月球大得多，这也意味着在发生月全食时，月球会完全进入地球的本影区内，所以不会出现月环食这种现象。图15-19月食3．月食的种类和过程（三）日食和月食每年发生月食数一般为两次，最多发生三次，有时一次也不发生。因为在一般情况下，月亮不是地球本影的上方通过，就是在下方离去，很少穿过或部分通过地球本影，所以一般情况下不会发生月食。月全食的过程分为初亏、食既、食甚、生光和复圆五个阶段，如图15-20所示。图15-20月全食过程3．月食的种类和过程地球的自转地球的公转04地球的运动地球运动的地理意义（一）地球自转的特点1．自转方向地球自转的方向是自西向东转。如果在北极上空俯看，其方向是逆时针的；如果在南极上空俯看，其方向是顺时针的，如图15-21所示。从北极上空看地球自转方向从南极上空看地球自转方向图15-21地球自转方向（一）地球自转的特点2．自转周期地球的自转周期就是地球自转一周所用的时间。由于所取的标准不同，地球的自转周期也不同。当用遥远的恒星作标准时，天空某一恒星两次经过同一子午线的时间间隔为一个恒星日。一个恒星日等于23小时56分4秒，这是地球自转的真正周期。3．自转速度地球自转的速度有角速度和线速度之分。角速度是单位时间内地球上某点绕地轴转过的角度，这在全球是一致的，地球自转角速度约为每小时15°。（二）地球自转的证明地球的自转可以用两种比较简单的方法来演示，一种是利用钟摆原理，将一个重物悬挂在一根细线上，线的另一头固定在一个支点上，这样重物就能像钟摆那样自由摆动。最著名的单摆是傅科摆（见图15-22）图15-22傅科摆（一）地球公转的特点地球公转轨道即地球公转的路线，它是近似正圆的椭圆轨道，太阳位于椭圆的一个焦点上，如图15-23所示。由于地球轨道是椭圆形的，随着地球的绕日公转，日地之间的距离就不断变化。1．公转轨道图15-23地球的公转轨道地球绕日的公转轨道在天球上的投影叫黄道。因此，地球围绕太阳公转，反映在天球上就是太阳沿黄道的运动。（一）地球公转的特点2．公转方向

地球的公转方向与自转方向一致，从黄北极看，是按逆时针方向公转的，即自西向东。这与太阳系内其他行星及多数卫星的公转方向是一致的。3．公转周期

地球绕太阳公转一周所需要的时间，就是地球公转周期。笼统地说，地球公转周期是一“年”。由于所选取的参考点不同，则“年”的长度也不同。常用的周期单位有恒星年、回归年。4．公转速度

地球公转速度包括角速度和线速度两个方面。地球绕日一年转360°，大致每日向东推进1°。这是地球公转的平均角速度。（二）黄赤交角及其影响黄赤交角是地球公转轨道面（黄道面）与赤道面（天赤面）的交角，如图15-24所示。地球的自转轴与其公转的轨道面成66°34′的倾斜，这个角度与人们拿铅笔书写时笔杆与桌面的倾斜相仿。人们有时形象地比喻为地球“斜着身体”绕太阳公转。图15-24黄赤交角（二）黄赤交角及其影响由于黄赤交角的存在，在地球绕日公转过程中，太阳有时直射北半球，有时直射南半球，有时直射赤道，如图15-25所示。图15-25地球的公转（一）昼夜更替由于地球是一个不发光、也不透明的球体，所以在同一时间里，太阳只能照亮地球表面的一半。向着太阳的半球是白天，也称昼半球；背着太阳的半球是黑夜，也称夜半球。地球上昼半球和夜半球的分界线（圈）叫做晨昏线（圈），晨昏线把所有的纬线分割成昼弧和夜弧，如图15-26所示。图15-26晨昏线（二）四季和五带地球不停地公转，由于黄赤交角的存在，在同一季节，不同纬度的昼弧和夜弧的长度不同；在同一纬度，昼弧和夜弧的长度随季节而变化。就昼夜长短的纬度分布而言，春秋分日，太阳直射点在赤道，晨昏线正好通过两极，地球上所有地方的昼夜长短都相等，各为12小时。昼夜长短的变化如图15-27所示。图15-27昼夜长短的变化1．昼夜长短的变化（二）四季和五带太阳光线和地平面之间的交角（即太阳在当地的仰角），叫做太阳高度角，简称太阳高度。正午太阳高度就是一天中最大的太阳高度。由于太阳直射点的南北移动，在同一季节，不同的纬度的正午太阳高度不同；在同一纬度，正午太阳高度又随季节而变化，如图15-28所示。图15-28正