天文学导论课件第三章、太阳系

1、第三章、太阳系,3.1 太阳系概况 1、太阳：太阳系中心天体，是太阳系光和能量的来源，其质量占总质量的 99.865 %。 2、行星和卫星： 太阳系的主要成员 水 金 地 火 木 土 天 海 冥 ？ 卫星： 1 2 63 35 27 11 3 （2005初） 环带： 有 有 有 有 139 矮行星：冥、谷、齐娜 3、小天体： 小行星、彗星、流星、陨星。,一亿分之一的比例： 直径 距离 太阳 ：14m 水星 ： 5cm（0.6km ） 金星 ：12cm（1.1km ） 地球 ：13cm（1.5km） 火星 ： 7cm（2.3km ） 木星 ：140cm（7.8km ） 土星 ：120cm（14k

2、m ） 天王星 ：52cm（29km ） 海王星 ：49cm（45km ） 冥王星 ：2.6cm（59km ）,行星 轨道半长径 a(AU) 水 星 0.3871 金 星 0.7233 地 球 1.0000 火 星 1.5237 木 星 5.2027 土 星 9.5555 天王星 19.1911 海王星 30.1090,为什么把冥王星除名？,冥王星 失去行星地位,在2006年8月24日召开的国际天文学联合会上，400多名天文学家以投票表决的方式，将冥王星“淘汰”出了行星行列，降级为“矮行星”； 按照新的定义，不但谷神星和“齐娜”没能成为行星，就连冥王星也失去了行星的资格，因为它没能清除它轨道附

3、近的天体冥王星和海王星的轨道存在交叉。冥王星转而被归为“矮行星” 。至此，冥王星失去了70多年的行星资格。太阳系又恢复到了8颗行星的状态。,冥王星（Pluto）,1930年发现 一直视为第九行星 周期 248 年,美国国家航空和航天局发布的2006年2月22日拍摄的冥王星（左上）、卡戎星（左下）及冥王星两颗卫星的照片,1930年，人们发现了“柯伊伯带”。所谓“柯伊伯带”，是海王星外的一大堆小星群，冥王星正是位于这星群之中。人们 怀疑，比地球月亮还要小的冥王星，会否只是小星群中的老大？,“较正确”的太阳系知识,太阳系由内围四个较像地球的较小行星，和外围四个较像木星的庞大行星组成，两组行星间有一条

4、小行星带，而海王星之外，还有一组叫柯伊伯带的小星群，及彗星的故乡奥尔特云。 太阳系由八个行星及卫星 、一些“矮行星”及“小天体”）组成。 “八个行星”水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星 “矮行星”首批成员有谷神星、冥王星和齐娜（暂时命名为）2003 UN313三个天体 “ 小天体” 其它环绕太阳运行的天体,满足三判据的天体 定义为“行星” 一、绕日运行 二、近似球体 三、轨道清空,满足三判据之二 定义为 “矮行星” 一、绕日运行 二、近似球体,仅满足三判据之一 即 绕日运行 的天体 均分类为 “太阳系小天体”,3.2 、 行 星,一、分类： 类地行星 石质行星 ：水 金 地 火

5、 体积小、密度大、中心有铁镍核、金属含量高、自转慢、卫星少。 巨行星 气态巨星：木 土 天 海 体积大、密度小、主要由H 、He组成、无固体表面的流体行星、自转快、卫星多。,二、行星的自转与公转,自转周期 公转周期 一昼夜 水星： 58.646 天 88 天 176天 金星： 243天（逆） 225天 118天 地球： 24h 365.256天 火星： 24h41m 687天 木星： 9h50m30s （赤道处） 11.862年 土星： 10h14m 29.457年 天王星： 15h36m 84年 海王星： 17h50m 164.8年 冥王星： 6.3867天 248年,三、行星的环带,1、光

6、环的组成：由无数大小不等 的冰块、岩石块、尘埃颗粒组成。 2、光环的运动：为保持稳定，沿行星本身的赤道面 高速旋转，否则会被行星的巨大引力拉过去。 3、共性：1、洛希极限内；2、赤道面附近；3、总质量远小于行星及大卫星的质量；4、由分离的质点组成。 木星：既薄又暗、由尘埃及大小不等的石块组成。 土星： 成千上万条像密纹唱片一样，由碎冰块、 石块、尘埃颗粒组成。 天王星：有11条光环、间隔很大、由石块、尘埃、 冰块组成。 海王星：有5条光环、有的完整、有的残缺。,水星保护神 墨丘利,水星的表面,水手10号拍摄的水星照片,新发现的水星表面由于致冷和收缩形成的皱纹区(Scarp),此皱纹约几百公里长

7、,3公里高.(注意到图的右上角还有一个大的皱纹区),水星表面的主要热盆地横跨1400公里,这些热盆地被一系列同心圆的山环绕着,金星象征 维纳斯,麦哲伦宇宙飞船探测金星，（a）金星表面（b）8km高的火山正在休眠 （c）流动的熔岩正穿越断裂地区,金星,地球象征 该亚,在月球上拍摄的地球照片.,地球大气从对流层（Tropopause）、平流层（Stratosphere）、臭氧层（Ozone layer）、中间层（Mesosphere）到电离层顶(Ionosphere) 的温度、压力随地球高度的变化 （ A.T. fig.7.2）,火星战神 玛尔斯,火星的图象 a.1991年地面望远镜拍摄 b. 1

8、997年哈勃望远镜拍摄 c.1976年海盗宇宙飞船拍摄,火火,火,火星的图象,右下脚图是“火星探路者”拍照的近火星表面照片,可见火星表面岩石遍布.,火星上的著名的奥林匹斯大火山,火星表面有大量的氧化铁物质，呈现出“赤地千里”的景色,火星上大峡谷里的雾- 海盗飞船拍摄,火星上大峡谷里的雾- 海盗飞船拍摄,火星上的河床遗迹与红河（b）比较,1984年在南极洲发现的ALH84001火星陨石,在地球上发现的Murchison 火星陨石的局部放大图像,火星陨石上有原始生命的微化石,木星众星之王 朱庇特,木星 a.地面望远镜拍摄 b.哈勃望远镜拍摄,航海者1号拍摄的木星大红斑-含有红磷化合物的特大气旋,航

9、海者1号探测出木星是一颗浓密大气下的液态氢的“海洋”,1979年“旅行者1号”发现木星有光环,土星第二代 天神克洛诺斯,1994 年12月哈勃空间望远镜拍摄到的土星上赤道区域正发生风暴，插图表示在北极区早些时候发生过风暴。,土星光环由碎冰块、岩石块、尘埃等组成,天王星 统治整个宇宙 的天神乌剌诺斯,天王星和它的光环-躺着自旋，是逆转，旅行者2号探测出很厚的大气层 a. 天卫一 b.c 天卫五,天王星 （可见有光环）和它的一个卫星（共有17颗卫星）,同志,海王星统治大海的 神涅普顿,海王星有8颗卫星，有5道光环，浓厚的大气，有磁场,“旅行者2号”拍到的海王星的暗斑-大风暴,海王星的光环,神话中阴

10、森森 的冥王普鲁托,矮行星：柯伊伯带的小星群,冥王星（Pluto）和它的卫星 1930年发现 一直视为第九行星 周期 248 年,谷神星（Ceres） 1801年发现的第一个小行星 直径 952 km 距日 2.9 AU 周期 4.6 年,2003 UB 313 2005年发现者声称是 第十行星 命名:齐娜星（Xena） 直径 2400100 km 近日距 38AU 远日距 97AU 周期 560年,3.3、行星的轨道运动一、行星的运动规律： （开普勒定律）,1、椭圆定律：行星绕太阳运动的轨道为椭圆，太阳位于一个焦点上。 2、面积定律：行星的向径在单位时间扫过的面积相等。 3、调合定律：行星公

11、转周期的平方，与轨道半长径的立方成正比。（A3T2C） 严格推导为： A3T2G（M1M2）42,二、开普勒定律的运用,1、准确测定行星距离： 若取 a=1AU, T=365.2564日（1恒星年） a 3/ T 2=a 3 地/ T 2 地 = 1 （AU/年） 天文单位（日地距离）：1AU = 1.495978701011 m 通过行星会合周期的测定求T，即可知a。 2、求天体的质量： a 3/ T 2 = G（M1+M2）/ 42 M 1,、 M2是两个互相绕转的天体质量，当M1远远大于M 2时， 有：M1 =42a3 /G T2,三、行星的轨道要素,在空间完全确定绕转体的运动状况，需要

12、几个独立的量。 1、轨道半长径：a （大小） 焦点到椭圆中心的距离 2、偏心率：eca （a 2 b2）1/2a （形状） e=1 抛； e=0 圆； e1 双曲； e1 椭圆 3、轨道倾角： i （空间位置） 行星轨道面与黄道面的夹角。 4、升交点黄径： 升交点到春分点的角距。 5、近日点角距： （长轴方向） 升交点到近日点的角距。 6、近日点时刻： 近日距：a（1 - e） 远日距：a（1 + e）,表5.3 八颗行星的轨道要素,行星 轨道半长径 偏心率 倾角 公转周期 会合周期 轨道运动 a(AU) (日) (日) 平均速度（km/s） 水 星 0.3871 0.2056 7.0 87.

13、97 115.88 47.87 金 星 0.7233 0.0068 3.4 224.70 583.92 35.02 地 球 1.0000 0.0167 0 365.27 - 29.79 火 星 1.5237 0.0934 1.9 686.98 779.93 24.13 木 星 5.2027 0.0483 1.3 4332.71 398.88 13.06 土 星 9.5555 0.0560 2.5 10759.50 378.09 9.66 天王星 19.1911 0.0461 0.8 30685.00 369.66 6.80 海王星 30.1090 0.0097 1.8 60190.00 367

14、.49 5.44 冥王星 39.5289 0.2482 17.1 90800.00 366.73 4.74,四、行星的距离分布,提丢斯-波得定则：(1766、德） （经验公式） 水 金 地 火 木 土 数列 0 3 6 12 24 48 96 +4 （ 4 7 10 16 28 52 100 ）10 以上数值为行星到太阳的距离 （以1AU为单位；1AU =1亿5千万公里-日地距离） 1781 柏林天文台台长波得把以上内容总结为一个 经验公式：a N 0.40.32N-2 式中：N为序号；N水 ； N5为空缺。,提丢斯-波得定则,当时只知道五大行星，符合很好。 1871年，发现了第七颗行星天王星

15、（19.2)，正好处于计算的位置(19.6)附近，海王星的位置(30.2;38.8)相差较大，冥王星(39.5;77.2)就更不符合了。 此定则在历史上对 小行星的发现起了推动 做用。尽管为不严格的 经验公式，但确实反映 了太阳系的基本规律。 起因：共同起源、长期演化 的必然结果。,五、行星的轨道特征,1、共面性：公转轨道几乎在同一平面内。（ i 3 o） 只有水 7o 2、同向性：公转方向相同。 自转：金星逆转、天王侧转。 3、近圆性：公转轨道为近圆的椭圆 。 除水e偏大，其余e0.1。 一般认为：行星卫星轨道的三个特性决非偶然的巧合 4、符合距离分布定律,习题：,1、已知狮子座流星群的绕转

16、周期为33年，试确定它们的轨道半长径。 a 3/ T 2 = 1 （AU/年）10.29 2、已知彗星轨道的偏心率e=0.9，周期T=1000年，求此彗星在近日点和远日点时离太阳的距离是多少？ 10AU，190AU， e=c/a a+c a-c a 3/ T 2 = 1 3、一行星飞船沿一定轨道行驶，此轨道的近日距为日地距离（1AU），远日距为火日距（ 1.5AU ），求此飞船从地球飞到火星所需要的时间。0.7y 4、火星的会合周期为780天，求它的公转周期和到太阳的距离。686.9d 1.88y 1.52AU 5、傍晚前后，可否在东方看到金星，若在水星上呢？ 6、一颗短周期的彗星，近日点的距

17、离为1AU ，轨道周期为125年。问它离太阳的最大距离是多少？49AU,3.4 、行星的视运动,观测者所见行星在天球上的位置移动 1、相对恒星的视运动： 路径特征： a、在黄道附近； b、带圈或折线的复杂曲线。 起因：地球与行星公转运动的合成。,2、相对太阳的视运动：,地内行星： 在太阳附近来回运动，与太阳保持一 定的角距范围。 地外行星： 与太阳的角距任意。,一、行星相对太阳的视运动,1、内行星的视运动： 公转周期 ： 水 89天；金 224天； 地365.256天。 内行星的公转角速度大于地球，若认为地静止，上合后内行星将相对太阳向东偏离。,内行星相对太阳的几个位置： 上合 东大距 下合

18、西大距 上合 看不见 昏星 看不见 晨星 看不见 水星大距：与太阳角距 180 280 e=0.206 金星大距： 450 480 e=0.001,水星、金星,水星、金星、在地球轨道内绕太阳运行，称为“内行星”，从地球上看，它们离开太阳的距离不会超过某一角度，特别是水星，离太阳不超过28，经常掩没在太阳的光辉里。观测水星只能在傍晚或黎明时进行。金星的观测要容易的多，它是天上除了太阳、月亮外最亮的天体，离太阳最远可达48。我国古代把它称为“启明星”和“长庚星”。,内行星凌日：罕见的天象,水：13次/百年；金：4次/243年 金:1874.12.8 2004.6.8 1882.12.6 2012.

19、6.6 发生的条件:下合 交点 地球过金星升交点:6.7 降交点:12.9 地球过水星升交点:11.10 降交点:5.8,水星、金星凌日,内行星有时会观测到它们从太阳表面经过，称为“凌日”。水星、金星的凌日现象比较罕见，非常值得观测。 2003年5月7日与2006年11月8日曾发生一次水星凌日。 下次要等到2032年11月13日。,金星凌日,2004年6月8日我国观测到一次金星凌日，机会非常难得，上次金星发生在1882年，下次发生在2012年6月7日，在以后要到2117年才有机会。,内行星的位相变化,位相变化: 行星本身不发光,当它与地球的相对 位置发生变化时,便会出现不同的位相。 下合 西大

20、距 上合 东大距 朔 下弦 望 上弦 1、因内行星与地球距离时时不同,所以在不同位相时的视圆面角径不同。 金:新月 - 角直径64; 满月 - 角直径10 2、与月相的顺序不同。,内行星的位相变化 内行星在视运动中也呈现位相变化，因行星与地距的变化，金星的视角径为9.6-66，甚至肉眼可见。,2、外行星相对太阳的视运动,公转周期： 火 1.8808年 木 11.862年 土 29.45年 外行星相对太阳的几个位置： 合 西方照 冲 东方照 合 看不见 子夜升 整夜见 正午升 看不见 大冲：行星处于近日 点附近时的冲日。 (距离最小的冲） （外行星的公转角速度 小于地球，合后外行星 相对太阳逐渐

21、偏西。）,二、行星相对恒星的视运动,1、地内行星相对恒星的视运动： 上合 东大距 留 下合 留 西大距 上合 顺 顺 逆 逆 顺 顺,2、地外行星相对恒星的视运动： 合 西方照 留 冲 留 东方照 合 顺 顺 逆 逆 顺 顺,火星视运动的原理,行星相对恒星的视运动 可以用速度合成解释,三、行星的会合周期,行星连续两次合（冲）的时间间隔，为行星相对太阳的视运动周期。 会合方程： S （360 0/E 360 0/T）= 360 0 1/E 1/T 外 =1/S； 1/T 内 1/E =1/S E：地球公转周期 E = 365.256 ； S：会合周期； T：行星公转周期。,月亮女神 阿尔特弥斯,

22、3.5、月 球,一 、月球的基本参量： 1、平均距离：384401Km （363297405501） 2、直径：3476Km 14R地；亚洲面积 3、质量：7350亿亿吨 18 M地,二、月球的绕转周期：,1、恒星月 = 27、32166日 公转周期 2、朔望月 = 29、5306日 会合周期,三、月球的公转运动,白道：月球在恒星间自西向东移动的轨迹 每天平均移动：3600/27.32 130 相对太阳每天东移：3600 /29.5120 因此，月球升起的时间平均每天晚近50m,四、月球的自转,自转周期公转周期 观测事实：月球总以一面朝向地球。 同步自转,月球正面,月球背面,“嫦娥一号”卫星C

23、CD相机已对月球背面进行成像探测，并获取了月球背面部分区域的影像图。(2007-12-4 ),“嫦娥一号”卫星CCD相机已对月球背面进行成像探测，并获取了月球背面部分区域的影像图。此图显示的是万户撞击坑。万户撞击坑位于月球背面南纬9.8度西经138.8度区域，直径52km，从地球上不能直接看到。,五、月球的位相变化和会合周期,1、月相： 月球视圆面的盈亏变化。 2、月相的成因： 1）月球本身不发光，只反射太阳光； 2）月绕地转的同时又随地绕日转，使三者位置不断变化， （月球相对太阳的视位置变化）而造成月相的变化。 因为这两种运动都有周期性，月相变化也有严格的周期性。,月相示意图,月相变化,农历

24、 初一、 七、 十五、二十三、 三十 月相 朔月 上弦 望月 下弦 朔月 中天 正午 傍晚 子夜 清晨 正午 上升 清晨 正午 傍晚 子夜 清晨 下落 傍晚 子夜 清晨 正午 傍晚,3、会合周期,月球连续两次朔或望的时间间隔。 会合方程： 1T1E 1S 恒星月： T = 27.32 恒星年： E = 365.256 朔望月：（会合周期） S =29.5306,六、月球 天平动,1）物理天平动：真实的微小摆动（晃动） 2 1、物质分布均匀，几何中心与质心不重合 2、赤白交角 6 041 地引 （能察觉到的不足1，大约只有1” ） 2）光学天平动：由于观测者位置变动，几何原因造成的摆动 经度天平

25、动：因月球公转速度不均匀，自转速度均匀，在地球上看到月面东西方向的摆动，平均为7 0 54。 纬度天平动：月球的赤道与白道有6 041的交角，且自转轴在空间的指向不变，月在轨道不同位置，地球上看月面的南北方向也会摆动，平均为6 041。 周日天平动：由观测地点经纬度不同引起的，合起来约为10。,几何天平动 经度天平动：因月球公转速度不均匀，自转速度均匀，在地球上看到月面东西方向的摆动，平均为7 0 54。,纬度天平动：月球的赤道与白道有6 041的交角，且自转轴在空间的指向不变，月在轨道不同位置，地球上看月面的南北方向也会摆动，平均为6 041。,周日天平动：由观测地点经纬度不同引起的，合起来

26、约为10o。,七、 月面上看星空1）在月球上看天空,月面无大气层，无大气分子散射阳光。 在月空中 1、看不见蓝天、无彩虹和风沙 2、天空背景永远是漆黑的 3、太阳、地球、群星、 银河可以同时各自发光， 4、可以观测到天体所有 波段的辐射。,2）在月球上看恒星,1、星座的排列和形状与地球上看到的一样； 2、恒星东升西落，每月一周； 3、不分白天黑夜，无阴晴晨昏，常与日地同辉； 4、天体在天空中的运行速度是地球上的1/27。,3）在月球上看太阳,1、每月东升西落，升落周期比恒星周期长1小时47.7分 2、沿黄道上的13个星座每年运行一周 3、一年无四季，昼夜平分 4、日食时，月球发生“地食”，无全

27、食 月食时，月球发生“日食”，全食超过3小时。,4）在月球上看地球,1、比月球直径大4倍 2、在月面天球上，地球基本上是不动的，只在一个很小的区域内（6个地球半径）每月一次徘徊 3、有圆缺变化，但其位相正好相反，地相与月相刚好互补，凑在一起是一个圆,习题,1、如果月球的轨道周期是1恒星年，那时的1个朔望月的长度是多少？(0) 2、月球上想象的居民在新月的时候看到地球是什么相？在满月的时候呢？ 望 朔 3、利用行星运动的开普勒定律计算下列各题： （a）在奥尔特云的一个彗星，它的近日点距离为0.5 AU ；远日点的距离为50000AU ，计算该彗星的轨道周期 (3952906.37AU ) (b)

28、 一颗短周期的彗星，近日点的距离为1AU ，轨道周期为125年。问它离太阳的最大距离是多少？(49AU),4、金星在西大距时，升起的时间大约是几点？3h 5、水星在东、西大距时，水星大约几点上升？几时下落？(最大角距为28) (西大距:升 4h08m ;落16h08m 东大距:升 7h52m;落19h52m) 6、一个周期短于200年的彗星定义为短周期的彗星，它的近日点为0.5AU，求这颗彗星的远日点可能最大的距离是多少？ (34 AU; 67.9 AU),3.6、太阳系内的小天体,一 、小行星： 1、发现： 1801年元旦夜，意.皮亚齐无意中发现谷神星 2、命名： 新发现的小行星只给一个临时

29、编号，算出运行轨道，并见到两次回归后才有正式编号，有正式编号的小行星，可由发现者给一个专有名称。,地球,太阳,火星,北师大星,木星,3、轨道： 1）主带小行星： 在火木轨道之间 2.1-3.3AU为主环带，带内的小行星为主带小行星。占95 0/0,2）近地小行星,a 较小或 e 较大，其轨道非常接近地球，是偏离主环带的较特殊群体。 A、阿坦型 （Aten） a1AU 远日距略大于1.0AU， B、阿波罗型（Apolle） a 1.084.2AU 近日距1AU C、阿莫尔型（Amor） a1AU 近日距1AU,A、阿坦型： （Aten） a1AU、远日距略大于1.0AU，似地球轨道、与地相撞的可

30、能性最大。已发现30颗。估计总数8050颗，平均1亿年有一颗撞击地球。 B、阿波罗型：（Apolle） a ：1.084.2AU 近日距1AU 已发现263颗。估计总数700300颗，平均10亿年有三颗撞击地球。 C、阿莫尔型： （Amor） a1AU 近日距1AU 碰撞的几率小。已发现209颗。估计总数300150颗，平均10亿年有一颗撞击地球。 一些小行星在大行星引力摄动下，轨道与地球轨道相交，就有可能与地球相撞。过去的几十亿年，此类事已多次发生。,4、一般性质,质量： 总质量为地球质量的 万分之四，估计前四颗 （谷、智、婚、灶）集 中了总质量的80%。 半径： 多数在0.5Km以下，形

31、状不规则 有自转。 化学组成： C类 ：碳质； S类 ：石质； M类： 金属 5、研究的意义： 1）无复杂的地质演化过程 ；保留了较多的形成时的原始状态， 对研究太阳系的起源有重要意义。 2）对近地小行星的监测、以防相撞。,小行星“爱神” 和“艾达”及其卫星,二、彗星 彗星拖着长长的尾巴，在古人眼里常被视做灾难的征兆。中国民间俗称“扫帚星”，“彗”字即“扫帚”。当它离太阳较远时，看起来是个云雾状的小斑点，走进太阳时，在背离太阳方向形成了彗尾。,1、结构：,彗头： 彗核：直径几十几百公 里，由小而密的冰粒构成，酷似巨大、易碎的脏雪球。 彗发：核的蒸发物，直径可达几十万公里。 彗云：由氢原子组成的

32、极为稀薄的薄层，可达千万公里。 彗尾：（走近太阳才会有彗尾） 体积庞大，达上亿公里，物质极稀薄。 型：长而直，气体、呈兰色、有电子离子组成 型：弯曲、尘埃、呈黄色、太阳光子辐射压推斥微尘形成。,怀尔德彗星的彗核,2、轨道,三种轨道： e1； 抛物线轨道 40% e1； 椭圆轨道 49% e1； 双曲线轨道 11% 周期彗星：（椭圆轨道） 长周期 200年 短周期 200年 彗星在大行星的摄动下， 可改变其速度、 方向及轨道类型。,3、起源,原云假说： 荷兰科学家奥尔特，根据长周期彗星的轨道半长径多在3万10万个天文单位。认为太阳系边缘（15万AU）有个彗星云（1011颗彗星），质量（0.11M地球），由于受到临近恒星的引力，使一部分脱离太阳系，而另一部分走进太阳系，成为可看见的彗星。,6500万年前,地球上包括恐龙在内的70%的物种绝灭，有人认为是一颗小天体撞击地球溅出的尘埃包围全球，中断植物的光合作用造成了生