1地球的宇宙环境课件

1、,天旋？,地转？,阴晴圆缺？,宇宙：四方上下曰宇，往古来今曰宙。战国尸子 空间 时间 天文学的研究对象：天体。 包括天体的位置、运动、结构、物质组成、物理状态、演化规律。,天文学概论,第一节 地球的宇宙环境,研究方法 观测方法：光学望远镜、射电望远镜 实验方法：卫星、飞船、探测器、空间站 天文学三大分支 天体测量学：研究和测定各类天体的位置和运动，建立天球参考系等。 天体力学：研究天体的空间运动规律。 天体物理学：研究天体的形态、结构、物质组成和演化规律。,地理科学学院 天文台,“中国天眼”FAST,作用 为人类提供准确的时间（陕西天文台）； 天体力学知识提供了人造卫星轨道计算方法； 天体物理

2、学研究并预报太阳活动的变化规律（干扰导航通信），对人类有重大意义； 在探索宇宙奥秘，发现自然规律等基本理论研究方面也占有重要地位。,恒星和星系 恒星 星系 太阳和太阳系 太阳 太阳系 月球和地月系 月球 地月系,恒星 一、 恒星及其自行 定义：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。 恒星空间速度的两个分量：视向速度和切向速度,北斗七星的自行及形状变化,恒星的距离 天文单位(AU)1.5亿km 光年(ly) 94605亿km 恒星周年视差 秒差距(PC) 3.26(ly) ：=1时的星地距离 恒星的自行速度，一般都小于每年0.1,二、恒星的亮度与光度 恒星的发光 必要条件：恒星演

3、化史上某个阶段的现象；要有巨大的质量。 可见条件：发光强度、体积、距离 表示单位：星等（星等越小，亮度越大） 亮度视星等m；光度绝对星等M,恒星的亮度和视星等 亮度：是指地球上肉眼所见恒星的明暗程度。 视星等(m)： 星等相差1等，亮度相差2.512倍。 星等有零和负值，数字越小，亮度越大。 星等以等差级数增大，亮度以等比级数递减。 普森公式: l/l0=2.512m0- m 例：太阳的亮度-26.74等，是一等星亮度的(2.512)27.74=1300亿倍。,光源的视亮度与其距离的平方成反比，距离增加1倍，亮度便减为1/4,光度和绝对星等 恒星的真正发光能力。标准距离10秒差距(32.6ly

4、)的恒星亮度称绝对亮度，其星等称绝对星等(M)。 视星等、绝对星等和天体距离的关系 光度法测量4r2T4,设LM表示绝对亮度，lm表示视亮度，r为恒星的秒差距，由普森公式得： LM/lm=2.512(m-M) 恒星亮度与距离平方成反比，如以秒差距为单位，则： LM/lm= r2/102 r2/102 =2.512(m-M),两边取对数，则：2lgr-2=0.4(m-M ) M=m+5-5lgr 只要测定恒星的绝对星等，便可求知该星的距离。 反之，如果知道m和r，可求出M 例：太阳m=-26.7m, r=1/206260 可知 M 4.9m,三、恒星的光谱 恒星的光谱 恒星的光谱反映恒星温度的高

5、低； 恒星的光谱型与恒星的温度、压力、密度和化学成分有关。,恒星光谱型 按温度递减的顺序分为七类,四、 恒星的多样性 单星，双星，星团 变星，新星，超新星 巨星，超巨星，白矮星 脉冲星，中子星,光谱-光度图通常也叫赫罗图。它以恒星的光谱型（或温度）为横坐标，以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自的光谱型和光度，在图上占有一定的位置。,五、 恒星的演化 现代天体物理学最大的成就之一就是基本上说明了恒星演化和元素演化两个重要问题。 发生 发展 衰亡 转化,恒星是由星云凝聚而成。弥漫星云在自引力的作用下，收缩成比较密集的气体引力势能转化为热能，内部温度升高并辐射能量向赫罗图上某个主序位置

6、移动。质量愈大，收缩愈快，达到主序的位置愈高（温度高，光度大）。,恒星“移到”主序后，内部温度高到足以发生热核反应的程度热核反应代替引力收缩成为主要能源温度升高，热运动加快，恒星膨胀，排斥力足以同引力相抗衡恒星停止收缩，长期稳定依靠热核反应进行辐射。 一颗恒星在主序中的时间，占去其“生命” 的大半辈子；且在主序上逗留的时间，取决于其质量的大小质量愈大,引力愈强它必须维持较高的温度和较久的辐射功率以与引力收缩抗衡它的氢燃料消耗更快，寿命更短。,热核反应是在恒星的中心区域进行的，那里的氢核燃料最先燃尽，逐渐形成一个由氦组成的核，停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭，是恒星在结构上逐渐发生变化的前奏。 随

7、着氦核的不断增大，其引力收缩急剧增强，并释放大量能量。结果，恒星的核心收缩（变得愈来愈致密和炽热），外层膨胀（温度降低而光度增大），成为一个非常巨大的具有“热”核的“冷”星。从而恒星离开主星序，进入红巨星区域生命的“晚年”。,在红巨星阶段，恒星的演化速度大大加快。中心区域的温度和密度因收缩而继续升高，到1亿摄氏度时开始进行由氦核聚为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素能量有限，到了“垂暮之年”，一旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃自行坍塌。,红巨星收缩时，核心部分收缩最猛烈，外部处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气

8、壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星以后逐渐变冷，变成又小又暗的黑矮星终其一生。,并非所有恒星都经历如此“平静”的演化道路。 那些质量和体积特别巨大的恒星，演化的最后阶段会发生爆炸超新星爆发。如留下“残骸”的质量足够大（1.43.2倍太阳质量），便会“一落千丈”地坍塌为中子星（于1967年发现，1978年发现了300颗以上）。超过这个限度，甚至连核力也将在引力前面低下头来，中子也会崩塌，形成所谓黑洞。 恒星在引力作用下“诞生”，也在引力作用下“死亡”。,恒星在核能耗尽后，如质量仍超过2倍的太阳质量，则平衡态不再存在，星体将无限收缩。连核力也将在引力作用前面低下头来，中子也会坍塌，形成所谓的“黑洞

9、”。 目前没有密度大于1015克/厘米3的物质的实验数据，无法推测星体的具体结构，但根据理论可以推断：星体的半径将愈来愈小，密度将愈来愈大，终于达到临界点引力之大足以使一切粒子、包括光子，都不能外逸，因而谓之黑洞。,星 系 一、 银河与银河系 同一事物的两个不同现象 银河系是以银河命名的星系（形似圆盘）； 银河是银河系主体在天球上的投影（环天光带）。 银河系总质量：大约是太阳质量的1400亿倍； 星数：12千亿颗。,银河系结构 银河系主体：圆盘体（直径约8万光年）和银晕； 圆盘体：核球和银盘； 核球中心：银核； 银核中心：银心。,银河系结构俯视图： 图中十字符号代表银心；三条短黄线是太阳附近的

10、三条旋臂,银河系结构侧视图图中红点代表太阳）,二、 太阳在银河系中的位置和运动 位于银道面附近。银河为周天的环带。太阳在银河系内偏距银盘的一侧，向银心所在方向，太阳距银盘边缘约6.4万光年；向银心相反方向，太阳距银盘边缘约1.6万光年。太阳在银河系中的的运动 相对于银心的旋转，其速度为250km/s，绕转周期为2.5亿年； 相对于邻近恒星的运动：太阳系以20km/s 的速度向武仙座方向（近织女星）前进，此方向所指的点谓之奔赴点。,三、 河外星系 河外星系 星系群 星系团 总星系,天体系统层次,四、宇宙,科学宇宙：指总星系 时间上有起源、空间上有边界； 大爆炸宇宙学：在宇宙膨胀理论的基础上发展起

11、来。,哲学宇宙 宇宙无限； 空间无限：无边无际（无边界，形状和中心）； 时间无尽：无始无终（无起源，年龄和寿命）。,大爆炸宇宙学（1929年） （Big-bang cosmology）：在宇宙膨胀理论的基础上发展起来。 主要观点：宇宙有一段由热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的。而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷，丛密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。,大爆炸的整个过程： 在宇宙的早期，温度极高，在 100 亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。,但因为整个体系在不断膨胀，结果温度

12、在不断下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素。化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到 100 万度后，早期形成化学元素的过程结束。,这时，宇宙间的主要物质是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度下降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。,大爆炸模型能统一地解释以下几个观测事实： 大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比温度下降至今天这一段时间为短，即应小于 200 亿年。各种天体年龄的测量证明了这一

13、点。,注：2003年2月份，美国国家航空航天局曾向全世界公布他们有关宇宙年龄的研究成果。根据其公布的资料显示，宇宙年龄应该为137亿岁。2003年11月份，国际天体物理学研究小组宣称，宇宙的确切年龄应该是141亿岁。地球的形成大约是距今45亿年。,观测到河外天体有系统性的谱线位移，而且红移与距离大体呈正比。如果用多普勒效应来解释、那么红移就是宇宙膨胀的反映。 在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是 30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度产生很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。,根据宇宙膨胀速度，以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一具体历史时

14、期的温度。大爆炸理论的创始人之一的伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，在微波波段上，果然探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约3K。,上述观测事实无论在定性上还是在定量上都同大爆炸理论的预言相符。但是，在星系的起源和各向同性分布等方面，大爆炸宇宙学还存在着一些未解决的困难问题。,五、 天文新发现 20世纪60年代天文学的“四大发现”： 类星体、3K微波背景辐射、中子星、星际有机分子,第四节 太阳和太阳系 太 阳 一、 太阳的距离、大小和质量 日地平均距离：1.496 108km （即天文单位） 大小：半径约700 000km（为地球半径的109倍） 表面积：地球表

15、面积的12 000倍 体积：地球体积的1 300 000倍 质量：1.9891030kg（约为地球质量的33万倍）,二、 太阳的热能、温度和热源 太阳热能 太阳常数：8.16J/(cm2min)； 平均距离，太阳直射，大气界外； 太阳辐射总量：3.826 1026J/s； 地球所得：1.74 1017J/s（占22亿分之一）。,推测出的太阳结构与剖面示意图,太阳是我们惟一能观测到表面细节的恒星。直接观测到的是太阳的大气层，它从里向外分为 光球色球日冕,太阳温度 根据太阳辐射热量推算的温度称有效温度； 根据太阳辐射光谱测定的温度称辐射温度； 太阳光球温度：5 770K ； 太阳中心温度：15 0

16、00 000K； 色球温度：100 000K； 日冕温度：1 500 000K。,太阳热源 产热过程：热核反应（氢核聚变为氦核）； 产热方式：质量转化为能量； 产能中心：在太阳核心。,四、 太阳活动：太阳大气各种变化的总称（太阳“天气变化”） 黑子：扰动太阳的明显标志。 耀斑：扰动太阳的主要标志，对地球的影响最强烈。 磁暴：电离层干扰。产生极光。,外部结构（太阳大气）,米粒组织,太阳黑子,日珥,太 阳 系 太阳系是由中心天体太阳及其巨大引力作用下，环绕太阳运行的行星、卫星、小行星、彗星、流星体和行星际物质所组成的天体系统。,一、 太阳系的发现 地心说 日心说,图 2-9 以地球和行星共同绕太阳

17、运动来解释行星的视行，这是哥白尼日心说的精髓,开普勒行星运动定律 第一定律（轨道定律）：行星轨道都是椭圆；太阳位于椭圆的焦点之一； 第二定律（面积定律）：行星向径在轨道平面上扫过的面积与时间成正比，即面速度不变 ； 第三定律（周期定律）：两行星周期平方之比，等于其距离立方之比： T12/T22=a13/a23,图 2-10 开普勒第二定律：面速度不变,第一牛顿用万有引力定律，修正了第三定律： T12(M+m1)/ T22(M+m2)= a13/a23,T1和T2分别表示两行星的的公转周期， a1和a2分别表示它们与太阳的平均距离（即各自轨道的半长轴）,开普勒认为，行星单纯绕太阳中心运动； 牛顿

18、认为，行星和太阳都绕它们的共同质心；质心的位置取决于二者的质量比。 开普勒廓清了行星轨道的几何特征，指出了行星怎样运动；获得了“天空立法者”的美誉； 牛顿解释了行星运动的物理原因，回答了行星为什么这样运动。至此太阳系理论完全确立。,二、 太阳系的组成 八大行星 水星，金星，地球，火星，土星，天王星，海王星。 其他成分 小行星，卫星，彗星，流星体等。,关于太阳系内行星、矮行星、小天体的最新定义： 行星：成员包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。 定义：围绕太阳运转，自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状，并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。 矮行星：成员包括冥王星和谷神星等

19、。 定义：与行星同样具有足够的质量，呈圆球状，但不能清除其轨道附近其他物体的天体。 太阳系小天体 定义：围绕太阳运转但不符合行星和矮行星条件的物体。,三、 行星 按照轨道位置划分 以地球为界分为地内行星和地外行星； 以小行星带为界分为内行星和外行星。 按物理性质划分 类地行星和类木行星： 类地行星：水星，金星，地球，火星距太阳较近，质量较小，平均密度高，以重物质为主，温度高； 类木行星：木星，土星，天王星，海王星，离太阳较远，质量大，平均密度低，以轻物质为主，温度低。,八大行星的轨道,图 2-11 行星的轨道大小,水星Mercury,水星绕太阳一周只需87.969个地球日，而它自转一圈为58.

20、6462个地球日。它的地表温度最高为610k，最低为零下150k。,金星Venus,金星和地球在大小、质量、密度和重量上非常相似。,金星上没有海洋，它被厚厚的主要成份为二氧化碳的大气所包围，一点水也没有。它的云层是由硫酸微滴组成的。在地表，它的大气压相当于在地球海平面上的92倍。 由于金星厚厚的二氧化碳大气层造成的“温室效应”，金星地表的温度高达482摄氏度左右。 金星上的一天相当于地球上的243天，比它225天的一年还要长。 金星是自东向西自转的，这意味着在金星上，太阳是西升东落的。 指“启明星”或“长庚星”，它是目前为止天空中最亮的星。,火星Mars,火星是太阳系中与地球最相似的一颗行星。

21、它的体积比地球小，大气也比地球稀薄。,火星的体积比地球小，大气也比地球稀薄。大气压只有地球的千分之七。主要成份是二氧化碳，其他成份还有氮、氩、氧等。 水在火星大气中的比重只有百分之零点零三。因而火星表面异常干燥。 火星的平均气温为零下五十五摄氏度，而温差较大：在夏季的昼间，气温最高为二十摄氏度，而在冬季，气温则可低达零下一百多摄氏度。 火星上经常有强风，因而常导致大范围的尘暴。 虽然火星大气中的水少得可怜，但科学家们发现，火星上的许多地区有被侵蚀的迹象，而且那纵横交错的河床似乎在告诉我们，火星上曾经有过液态的水，而且水还很多，它们聚集成大大小小的湖泊，甚至海洋。科学家们作出的解释是，在火星的形

22、成初期，这个星球被厚厚的二氧化碳云层所包裹，导致了强大的温室效应，受太阳辐射后，火星表面的热量被云层阻隔，无法散发到外层空间，使得气温升高，使水能以液态存在。那时的火星温暖湿润，可能孕育过生命。在火星的两极有大量的固态二氧化碳，科学家们猜测，在这些巨大的冰盖下面可能存在着固态的水。,木星Jupiter,木星是太阳系中最大的行星。质量是太阳系中其它行星质量总合的两倍多。它没有固体外壳，它是一颗由液态氢组成的液态星球。,木星核是由铁和硅组成的固体核，温度高达30000。液态的氢分子层与液态的金属层合称为木星幔。外面是大气层，厚度有1000千米，几乎全由氢和氦构成。最引人注目的是位于木星南热带内的大

23、红斑，它呈蛋形，长40000千米，宽14000千米。,土星Saturn,土星是太阳系中唯一密度比水小的行星。是太阳系中卫星最多的大行星，23颗。,天王星Uranus,天王星的赤道面与轨道面的倾角为9755以躺着的姿势绕太阳运动。,天王星还有结构复杂的光环，它由至少20个亮环组成，亮环之间还夹杂着很多暗环。,海王星Neptune,海王星是一个狂风呼啸、乱云飞渡、富有生气的世界。大气中有许多湍急紊乱的气旋在翻滚。在海王星的南半球有一个醒目的大黑斑，其形状、相对位置和行星的大小比例竟与木星大红斑类似。天文学家认为它也是一个大气旋，是令人惊心动魄的风暴区。,四、矮行星 dwarfplanet,定义：与

24、行星同样具有足够质量、呈圆球形，但不能清除其轨道附近其他物体、且不是一颗卫星的天体则被称为矮行星 。 谷神星Ceres 冥王星Pluto 卡戎 Charon “2003UB313”(昵称“齐娜”),冥王星Pluto和卡戎 Charon,五、 彗星和流星体 彗星本质上是在偏心率很大的轨道上绕日运行的冰物质 彗星的奇特外貌是它通过近日点前后的暂时现象 哈雷彗星,图2-13 哈雷彗星的轨道,5,200,000,000 km,图2-14 彗星的结构,短周期彗星与非周期彗星 彗星的结构 慧核 慧发 慧尾 离子慧尾 尘粒慧尾,六、 流星和流星体 流星 火流星 偶发流星,图 2-15 下半夜的流星多而且明亮

25、,流星雨meteor shower,七、 太阳系起源的星云假说 行星轨道的共同特征：同向性，共面性，近圆性 星云假说的基本论点 形成太阳系的物质基础是弥散星云； 形成太阳系的动力来源是自引力。 意义：在“僵化的自然观上打开第一个缺口” （恩格斯语）。,2-16 太阳系起源示意图 1 太阳星云 2 星云变成扁 球形 3 原始太阳和 圆环体 4 太阳和行星 的形成 5 太阳系,East China Normal University,太阳通过热核聚变，靠燃烧集中于它核心处的大量氢气而发光，平均每秒钟要消耗掉600万吨氢气。就这样再燃烧50亿年以后，太阳将耗尽它的氢气储备，然后核区收缩，核反应将扩展

26、发生到外部，那时它的温度可高达1亿多度，导致氦聚变的发生。以后太阳会极度膨胀，进入所谓红巨星阶段，它的光亮度将增至如今的100倍，并把靠它最近的行星如水星、金星吞噬掉，地球也会被烤焦，生命将无法继续生存。随着时间的推移，太阳会越来越快地耗尽它的全部核能燃料，步入风烛残年，随之塌缩成一颗黯淡的白矮星。在这种白矮星上，一块火柴盒大小的物质就可达1吨左右。白矮星没有核反应，它是恒星核反应结束以后留下的残骸，依靠收缩自己的体积来继续辐射出微弱的能量，最后，太阳将成为一个无光无热的褐矮星，消逝在茫茫的宇宙深处，结束它辉煌而平凡的一生。,月 球 据测定，月球的地平视差为57 ，它与地球半径r 和月地距离d

27、 的关系为： csc57 = d/r d=rcsc57 = 60r 即月地距离为地球半径的60倍。,第五节 月球和地月系,图 2-17 地平视差 天体位于天顶时，视差为零；天体位于地平时，视差最大，称为天体的地平视差,一、 月球的距离和大小 月地平均距离：384 400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：7.1961022kg，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,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,地 月 系,一、 地月系的绕转,图2-18 月球和地球都绕它们的共同质心而运动（共同质心在地球内部位置的变化）,月球绕转地球