天文学入门四.ppt

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 61 31 21 11 1 环带： 有 有 有 有 3、小天体： 小行星、彗星、流星、陨星。,3.2 、 行 星,一、分类： 类地行星： 水 金 地 火 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： 木 土 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。 远日行星： 天 海 冥 体密介于二者之间、主要由H、He及冰物质组成。,

2、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 225天 118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、行星的大气,决定因素：温度（T） 质量（M） 质量 表面逃逸速度（Ve） Ve2GMR 温度 热运动速度 （Vt） Vt2KTmH 当 M T时，大气越浓密 当 Ve5Vt时，就不可能有可见大气了,三、行星的大气,1、类地行星： 离

3、日近、T高、形成初期的原始大气都逃逸了，目前存在的大气主要是演化过程中由火山活动等方式从内部释放出来的第二代大气，缺少H。 2、巨行星： 质量大、温度低、原始大气未逃逸、因此大气浓厚、高达上千公里，主要为H、 He。 3、远日行星： 有甲烷为主的大气层、处于冰结状态。,四、行星的环带,1、光环的组成：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。 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、

4、 冰块组成。 海王星： 有5条光环、有的完整、有的残缺。,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,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,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,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(Ionosphe

5、re) 的温度、压力随地球高度的变化 （ A.T. fig.7.2）,火星的图象 a.1991年地面望远镜拍摄 b. 1997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

6、 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,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）,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,冥王星和

7、它的卫星,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） 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

8、个互相绕转的天体质量，当M1远远大于M 2时， 有：M1 =42a3 /G T2,双星的轨道运动,两颗子星围绕公共质心作椭圆运动，半长径分别为a1和a2. 公共质心位于椭圆的焦点上，子星在运动时与公共质心始终位于一条直线上。 椭圆轨道的大小与子星的质量有关， M1a1M2a2 如果以一颗子星以参照点，另一颗子星的相对运动也是一个椭圆，其半长径为 aa1 + a2,三、行星的轨道要素,在空间完全确定绕转体的运动状况，需要几个独立的量。 1、轨道半长径：a （大小） 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 （

9、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：,表5.3 九大行星的轨道要素,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 87.97 115.88 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.

10、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 60190.00 367.49 5.44 冥王星 39.5289 0.2482 17.1 90800.00 366.73 4.74,四、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 ；冥 17 o.1。 2、同向性：公转方向相同。 自转

11、：金星逆转、天王侧转。 3、近圆性：公转轨道为近圆的椭圆 。 除水、冥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、行星的距离分布,提丢斯-波得定则： （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） 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,另一种形式： an+1/ an 1.73 （常数） 当时只知道五大行

12、星，符合很好。 1871年，发现了第七颗大行星天王星（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。,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

13、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 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 内行星凌日：罕见的天象 水：13次/百年；(5.8;11.10) 下合 金：1-2(4)次/百年 (6.7;12.9),内行星凌日：罕见的天象,水：13次/百年；金：4次/243年 金:1

14、874.12.8 2004.6.8 1882.12.6 2012.6.6 发生的条件:上合 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,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

15、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,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

16、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。,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,月球的背面,三、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

17、转 四、月球的视运动： 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。,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。,月相变化,农历 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

18、 清晨 正午 傍晚 子夜 清晨 下落 子夜 清晨 正午 傍晚 子夜,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、月球的自转与天平动,1、月球的自转=公转 2、月球的天平动： 1）物理天平动：真实的微小摆动（晃动） 2 （1” 能察觉到） 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

19、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，合起来约为10o。,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编号

20、，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。,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，似地球轨道、与地相撞的可能性最大。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

21、、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 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

22、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。,2、轨道,三种轨道：

23、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。,1908年6月30日，在西伯利亚通古斯河上空出现一个大火球，方圆100km都可看到，在沿岸原始森林上空爆炸。破坏了1600km的森林，估计爆炸能量约为广岛原子弹威力的2倍。有人认为是一颗小彗星撞入地球，也有人认为是大流星体或小行星闯入大气。,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物灭绝。后来又有人提出，彗星陨落大海是这次生物灭绝的原因。直到10年后才在墨西哥半岛附近找到了直径200多公里的相应陨石坑，产生年代恰为6500万年前。,三