《有關(guān)宇宙的問題》專題課件

1、行星地球行星地球 宇宙中的宇宙中的滄海一粟滄海一粟 迄今已知迄今已知惟一存在智能生命惟一存在智能生命的星球的星球第一章 宇宙中的行星地球1 地球人類在宇宙中的惟一家園 1.1 太陽系的結(jié)構(gòu) 1.2 太陽的能量 1.3 行星地球基本參數(shù) 2 地球在太陽系中的運動 2.1 地球自轉(zhuǎn) 2.2 地月關(guān)系 2.3 地球軌道參數(shù) 2.4 星體影響和撞擊事件太陽系的結(jié)構(gòu)類地行星、巨行星、遠日行星 類地行星、類木行星 類地行星與類木行星類地行星與類木行星固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)固體地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)n 液態(tài)木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)液態(tài)木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)n 高壓、導電性高壓、導電性太陽的能量地球外部能量的主要來源 太陽能量變化對地球的影響 地

2、球的內(nèi)外動力地球的內(nèi)外動力n 太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)太陽內(nèi)部的核聚變太陽內(nèi)部的核聚變n 太陽直徑：太陽直徑：1.41.410106 6 kmkm 太陽質(zhì)量：地球質(zhì)量（太陽質(zhì)量：地球質(zhì)量（ 6 610102121t t）的）的33.333.3萬倍萬倍， 占太陽系總質(zhì)量的占太陽系總質(zhì)量的99.87% 99.87% 太陽平均密度：地球密度的太陽平均密度：地球密度的1/41/4左右，水的左右，水的1.411.41倍倍 太陽表面溫度：太陽表面溫度：6000K(=5726) 6000K(=5726) 太陽核心溫度太陽核心溫度/ /密度：密度：1.51.510107 7K K / /水的水的160160倍

3、倍 n 在這種高溫高壓條件下，發(fā)生了在這種高溫高壓條件下，發(fā)生了核聚變核聚變（4個H原子核聚變?yōu)? 個He原子核）作用。作用。 n 1克克H核核聚變?yōu)镠e核核所虧損的質(zhì)量（按E=mc2公式），可產(chǎn)生： 6281x108J(或1500 x108cal)的熱能（相當于燃燒15t石油石油或2700t煤煤）n 一一千克氫原子核聚變千克氫原子核聚變 轉(zhuǎn)化的能量轉(zhuǎn)化的能量太陽輻射與太陽常數(shù)太陽輻射與太陽常數(shù)n 子子 黑黑 陽陽 太太 光球太陽大氣最低的一層，即一般用白光所觀測到的太陽太陽大氣最低的一層，即一般用白光所觀測到的太陽表面表面 厚度僅厚度僅500公里左右公里左右 。我們接收到的太陽能量。我們接收

4、到的太陽能量基本上是光球發(fā)出的。因此，太陽的光譜實際上就是基本上是光球發(fā)出的。因此，太陽的光譜實際上就是光球的光譜。光球的光譜。色球?qū)由驅(qū)由驅(qū)樱ㄉ驅(qū)樱╟hromosphere）是太陽大氣中間的一層，位）是太陽大氣中間的一層，位于光球之上。平時，由于地球大氣中的分子以及塵埃粒于光球之上。平時，由于地球大氣中的分子以及塵埃粒子散射了強烈的太陽輻射形成藍天，色球和日冕完全淹子散射了強烈的太陽輻射形成藍天，色球和日冕完全淹沒在藍天之中。只有在日全食時，觀測者才能用肉眼看沒在藍天之中。只有在日全食時，觀測者才能用肉眼看到太陽圓面周圍的這一層非常美麗的玫瑰紅色的輝光。到太陽圓面周圍的這一層非常美麗的

5、玫瑰紅色的輝光。它是由早期的日全食觀測者發(fā)現(xiàn)的，于它是由早期的日全食觀測者發(fā)現(xiàn)的，于1869年年 同治同治8年年 由洛基爾和弗蘭克蘭命名。紅色是由于色球光譜中由洛基爾和弗蘭克蘭命名。紅色是由于色球光譜中波長為波長為6562. 8埃的氫線埃的氫線Ha在亮度上占絕對優(yōu)勢的緣故。在亮度上占絕對優(yōu)勢的緣故。日冕日冕日全食時，黑暗的太陽外圍是銀白色的光芒，像帽子似地扣在太日全食時，黑暗的太陽外圍是銀白色的光芒，像帽子似地扣在太陽上，因此稱為日冕。陽上，因此稱為日冕。 日冕是太陽最外圍大氣。平時要觀測日冕，日冕是太陽最外圍大氣。平時要觀測日冕，需要用特別的日冕儀。日冕的范圍很大，用日冕儀只可以觀測到需要用

6、特別的日冕儀。日冕的范圍很大，用日冕儀只可以觀測到接近太陽表面的那部分日冕，一般叫做內(nèi)冕。它的邊界離太陽表接近太陽表面的那部分日冕，一般叫做內(nèi)冕。它的邊界離太陽表面約有面約有3個太陽半徑那么遠，或者說約為個太陽半徑那么遠，或者說約為200萬千米。在此以外的萬千米。在此以外的日冕叫做外冕，它向外延伸到地球軌道之外。日冕的物質(zhì)非常稀日冕叫做外冕，它向外延伸到地球軌道之外。日冕的物質(zhì)非常稀薄。內(nèi)冕密度稍微大一些，但它的密度也低于地球大氣的十億分薄。內(nèi)冕密度稍微大一些，但它的密度也低于地球大氣的十億分之一，幾乎接近真空。之一，幾乎接近真空。 日冕的形狀很不規(guī)則，有時候呈圓形，有日冕的形狀很不規(guī)則，有時

7、候呈圓形，有時候呈扁圓形，結(jié)構(gòu)也很精細，在太陽赤道四周有很多向外流動時候呈扁圓形，結(jié)構(gòu)也很精細，在太陽赤道四周有很多向外流動的的“冕流冕流”伸向遠處，太陽極區(qū)則有一些纖細的羽毛狀的伸向遠處，太陽極區(qū)則有一些纖細的羽毛狀的“極極羽羽”。 太陽活動與黑子周期太陽活動與黑子周期黑子黑子與與黑子周期黑子周期 名為名為黑子黑子其實不黑，僅溫度比其實不黑，僅溫度比 周圍周圍光球光球低低10001000C C, , 在明亮在明亮 光球反襯下呈光球反襯下呈暗黑色暗黑色。 黑子黑子是太陽表面劇烈活動所激是太陽表面劇烈活動所激 起的起的氣旋渦氣旋渦。 黑子黑子數(shù)量和分布范圍出現(xiàn)較規(guī)數(shù)量和分布范圍出現(xiàn)較規(guī)律的周期性

8、變化，稱為律的周期性變化，稱為黑子黑子周期周期。蝴蝶圖蝴蝶圖 周期開始：周期開始：少量少量黑子首先出黑子首先出現(xiàn)現(xiàn) 在南、北緯在南、北緯3030附近。附近。高峰期：高峰期：大量大量分布分布在在1515 周期結(jié)束：周期結(jié)束：最后出現(xiàn)在最后出現(xiàn)在赤道赤道 附近的黑子又都消失。附近的黑子又都消失。 繪出的黑子時空分布圖其形繪出的黑子時空分布圖其形狀很像狀很像一群蝴蝶，一群蝴蝶，稱為稱為蝴蝶蝴蝶圖。圖。 黑子黑子周期周期平均長度為平均長度為11.1年。年。 蝴蝶圖蝴蝶圖n 太陽活動極大、極小年的日冕太陽活動極大、極小年的日冕太陽黑子與人類日常生活太陽黑子與人類日常生活 黑子周期高峰期容易發(fā)生黑子周期高

9、峰期容易發(fā)生磁暴：磁暴： 1989-3-13魁北克全城停電事件；魁北克全城停電事件； 短波無線電通訊中斷；短波無線電通訊中斷； 指南針失靈、候鳥迷失方向；指南針失靈、候鳥迷失方向； 戶外活動注意事項。戶外活動注意事項。 耀斑耀斑太陽色球?qū)又芯植啃^(qū)域的突然發(fā)亮，并迅速增強的現(xiàn)象，又叫色球爆太陽色球?qū)又芯植啃^(qū)域的突然發(fā)亮，并迅速增強的現(xiàn)象，又叫色球爆發(fā)，它是各種太陽活動中最為劇烈的現(xiàn)象。位置在譜斑或光斑附近，且發(fā)，它是各種太陽活動中最為劇烈的現(xiàn)象。位置在譜斑或光斑附近，且常在黑子群周圍。耀斑在幾分鐘內(nèi)形成，可持續(xù)存在幾個小時。能量大常在黑子群周圍。耀斑在幾分鐘內(nèi)形成，可持續(xù)存在幾個小時。能量大

10、多是紫外輻射，也發(fā)出強多是紫外輻射，也發(fā)出強X射線，還有宇宙線和非高能粒子。所釋放的射線，還有宇宙線和非高能粒子。所釋放的能量極大，最大可達到能量極大，最大可達到10的的25次冪焦耳，相當于百萬噸級氫彈威力的次冪焦耳，相當于百萬噸級氫彈威力的100億倍。粒子的運動速度比耀斑的光速慢得多，因而億倍。粒子的運動速度比耀斑的光速慢得多，因而1、2天后才能到天后才能到達地球附近。耀斑發(fā)出的輻射和粒子同地球磁場和電離層相互作用，會達地球附近。耀斑發(fā)出的輻射和粒子同地球磁場和電離層相互作用，會使地球上的短波無線電通訊中斷并出現(xiàn)極光。耀斑是太陽活動最主要的使地球上的短波無線電通訊中斷并出現(xiàn)極光。耀斑是太陽活

11、動最主要的標志。耀斑和黑子有密切關(guān)系，它多出現(xiàn)在黑子區(qū)的上空，并有同一興標志。耀斑和黑子有密切關(guān)系，它多出現(xiàn)在黑子區(qū)的上空，并有同一興衰過程，活動周期為衰過程，活動周期為11年。年。 太陽黑子數(shù)太陽黑子數(shù)與與 北半球不同緯度帶北半球不同緯度帶 降水量降水量相關(guān)性相關(guān)性n 太陽黑子周期與災害頻發(fā)周期太陽黑子周期與災害頻發(fā)周期行星地球基本參數(shù)地球惟一性的物質(zhì)基礎(chǔ)：地球惟一性的物質(zhì)基礎(chǔ)： 行星質(zhì)量、日地距行星質(zhì)量、日地距“九九”大行星基本參數(shù)比較大行星基本參數(shù)比較 行星行星與太陽平均距離與太陽平均距離 1天文單位=1.496x108 km公轉(zhuǎn)周期公轉(zhuǎn)周期 （恒星年） 自轉(zhuǎn)周期自轉(zhuǎn)周期 （恒星日） 質(zhì)

12、量質(zhì)量 地球=1 體積體積 地球=1密度密度 g/cm3水星水星 0.38 0.38 88 88日日 58.6 58.6日日 0.06 0.06 0.056 0.056 5.4 5.4金星金星 0.72 0.72 225 225日日 243.0 243.0日日 0.82 0.82 0.856 0.856 5.2 5.2地球地球 1.00 1.00365.25365.25日日 23 23時時5656分分 1.00 1.00 1.00 1.00 5.5 5.5火星火星 1.521.52 1.88 1.88年年 24 24時時3737分分 0.11 0.11 0.15 0.15 3.9 3.9木星木

13、星 5.20 5.20 11.86 11.86年年 9 9時時5050分分 318 31813161316 1.3 1.3土星土星 9.57 9.57 29.50 29.50年年 10 10時時1414分分 94 94745745 0.7 0.7天王星天王星 19.28 19.28 84.00 84.00年年 16 16時時4848分分 15 1565.265.2 1.3 1.3海王星海王星 30.13 30.13164.80164.80年年 16 16時時0606分分 17 1757.157.1 1.7 1.7冥王星冥王星 39.50 39.50248.00248.00年年6 6天天9 9時

14、時1717分分0.00250.00250.0090.009 2.0 2.0地球與金星比較地球與金星比較n 惟獨地球有磁場n n 太陽風與磁暴太陽風與磁暴地球的惟一性地球的惟一性迫使科學家們?nèi)フJ真思考地球這顆行星能適宜于迫使科學家們?nèi)フJ真思考地球這顆行星能適宜于生命繁衍特殊環(huán)境的原因：生命繁衍特殊環(huán)境的原因： 行星的質(zhì)量行星的質(zhì)量（最大的類地行星，決定了地球的重力、結(jié)構(gòu)、（最大的類地行星，決定了地球的重力、結(jié)構(gòu)、 磁場等基本物理性質(zhì)）磁場等基本物理性質(zhì)）和和 行星到太陽的距離行星到太陽的距離（直接影響行星表面的溫度和太陽風（直接影響行星表面的溫度和太陽風 對行星表面氣體的驅(qū)趕能力）對行星表面氣體

15、的驅(qū)趕能力） 是決定行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面特征及演化歷史的是決定行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面特征及演化歷史的 主要因素。主要因素。地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)的速度變化地球自轉(zhuǎn)的速度變化 及其地學意義及其地學意義 第一個主題n有關(guān)該主題的詳細內(nèi)容 n支持信息和示例 n該主題與聽眾的聯(lián)系 科里奧利力（地轉(zhuǎn)偏向力）科里奧利力（地轉(zhuǎn)偏向力）假定地球沒有自假定地球沒有自轉(zhuǎn)，那么要保持轉(zhuǎn)，那么要保持在同一經(jīng)線上繞在同一經(jīng)線上繞各自所在緯線一各自所在緯線一周，則這周，則這5個物體個物體的相互位置要如的相互位置要如左圖的排列才能左圖的排列才能完成。完成。即要保持同一角即要保持同一角速度，經(jīng)線上各速度，經(jīng)線上各質(zhì)點的線速度就質(zhì)點的線速

16、度就要由兩極向赤道要由兩極向赤道越來越快。越來越快。現(xiàn)實生活n講述現(xiàn)實生活中的一則示例或軼事 u如有必要，對聽眾的處境表示有同感 大氣環(huán)流大氣環(huán)流n 地球表面的溫度（地球表面的溫度（19881988年年6 6月）月）n 厄爾尼諾現(xiàn)象厄爾尼諾現(xiàn)象與地球旋轉(zhuǎn)速度變化關(guān)系與地球旋轉(zhuǎn)速度變化關(guān)系地月關(guān)系 月球基本參數(shù)月球基本參數(shù) 地月系地月系西西東東月垂點月垂點地球自轉(zhuǎn)方向地球自轉(zhuǎn)方向潮汐隆起遷移方向潮汐隆起遷移方向西西東東引力作用點引力作用點F F地 球 引地 球 引力 偏 西力 偏 西分量分量觀察者位置觀察者位置月球月球地球軌道參數(shù)星體間的相互影響星體間的相互影響 偏心率、黃赤交角、歲差偏心率、黃

17、赤交角、歲差 米蘭科維奇學說米蘭科維奇學說 米蘭科維奇軌道參數(shù)米蘭科維奇軌道參數(shù)天文學研究早已證明：天文學研究早已證明： 相鄰大行星（木星、金星）相鄰大行星（木星、金星）對對地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)軌道地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)軌道 的的微弱攝動微弱攝動，可以使地球軌道三個可以使地球軌道三個基本參數(shù)基本參數(shù) (偏心率、偏心率、斜度、歲差斜度、歲差)發(fā)生周期性變化。發(fā)生周期性變化。 前南斯拉夫?qū)W者前南斯拉夫?qū)W者M. Milankovich (1920)最早指出：最早指出： 第四紀第四紀冰川時期冰川時期的成因和的成因和地球軌道要素地球軌道要素變化有關(guān)。變化有關(guān)。 經(jīng)過長期爭論，現(xiàn)在已公認為經(jīng)過長期爭論，現(xiàn)在已公認為 米

18、蘭科維奇學說米蘭科維奇學說或或米蘭科維奇軌道參數(shù)米蘭科維奇軌道參數(shù)。 n 斜度與地球氣候變化1.每個行星在橢圓軌道上環(huán)繞太陽運動，而太陽每個行星在橢圓軌道上環(huán)繞太陽運動，而太陽在一個焦點上。在一個焦點上。 2.太陽和行星的矢徑在相等的時間間隔中掃過相太陽和行星的矢徑在相等的時間間隔中掃過相等的面積。等的面積。 n 歲差歲差 地球自轉(zhuǎn)軸的進動引起春分點位移的現(xiàn)象。在日、月的引地球自轉(zhuǎn)軸的進動引起春分點位移的現(xiàn)象。在日、月的引力作用下，地球自轉(zhuǎn)軸的空間指向并不固定，呈現(xiàn)為繞一力作用下，地球自轉(zhuǎn)軸的空間指向并不固定，呈現(xiàn)為繞一條通過地心并與黃道面垂直的軸線緩慢而連續(xù)地運動，大條通過地心并與黃道面垂直

19、的軸線緩慢而連續(xù)地運動，大約約25800年順時針向（從北半球看）旋轉(zhuǎn)一周年順時針向（從北半球看）旋轉(zhuǎn)一周 ， 描繪出一描繪出一個圓錐面?zhèn)€圓錐面 。此圓錐面的頂角等于黃赤交角。此圓錐面的頂角等于黃赤交角 23.5 。 于是于是天極在天球上繞黃極描繪出一個半徑為天極在天球上繞黃極描繪出一個半徑為 23.5 的小圓的小圓 ， 也使春分點沿黃道以與太陽周年視運動相反的方向每也使春分點沿黃道以與太陽周年視運動相反的方向每 25800年旋轉(zhuǎn)一周年旋轉(zhuǎn)一周 ，每年西移約，每年西移約 50.3 。 這種由太陽和月這種由太陽和月球引起的地軸的長期進動（或稱旋進）稱為日月歲差。球引起的地軸的長期進動（或稱旋進）稱

20、為日月歲差。 陽光對地球不同緯度的入射角 n 光線入射角度的地表效應(yīng)n 偏心率、黃赤交角、偏心率、黃赤交角、 歲差歲差 偏心率偏心率（ eccentricity, e）地球橢圓形軌道的最長直徑（長軸）與最短直地球橢圓形軌道的最長直徑（長軸）與最短直 徑（短軸）之差與赤道半徑之比徑（短軸）之差與赤道半徑之比。目前地球軌道的偏心率為目前地球軌道的偏心率為0.0170.017或或1/601/60， 地質(zhì)歷史上存在地質(zhì)歷史上存在 1010萬年、萬年、4040萬年萬年兩種變化周期兩種變化周期, , 其值在其值在0.0050.0050.06070.0607之間。之間。 冰期均發(fā)育于冰期均發(fā)育于e e 的最

21、小值的最小值，相當于日地距離增加而日照量減少相當于日地距離增加而日照量減少。 黃赤交角黃赤交角或或斜度斜度 （obliquity of ecliptic, ）黃道面與天赤道面的交角黃道面與天赤道面的交角 ，即即 地軸與地球軌道面夾角的余角。地軸與地球軌道面夾角的余角。 現(xiàn)在是現(xiàn)在是2323 26 26 21.42 21.42 , , 地質(zhì)歷史上存地質(zhì)歷史上存 在在4 4萬年萬年左右的周期，其左右的周期，其值變化于值變化于2222 02 02 24 24 30 30之間。之間。 值增大使冬、夏溫差增強，對極區(qū)冰蓋發(fā)育影響較大，對赤道影響值增大使冬、夏溫差增強，對極區(qū)冰蓋發(fā)育影響較大，對赤道影響小

22、。小。 歲差歲差（precession, P）天球上的春分點沿黃道逐年自西往東緩慢后退天球上的春分點沿黃道逐年自西往東緩慢后退 50.2786 的現(xiàn)象（的現(xiàn)象（“歲歲有差歲歲有差 ”） 。原因是地球不是理想球形，日、月原因是地球不是理想球形，日、月對地對地 球引力產(chǎn)生的力矩使地軸繞黃道面法線作圓周狀球引力產(chǎn)生的力矩使地軸繞黃道面法線作圓周狀進動進動。最近一次歲差周期約 2.5萬 年，地質(zhì)歷史上一般在 1.92.3萬年之間(平均 2 2萬年萬年左右）。 P P 值變化對赤道帶氣候影響較大，對極區(qū)影響較小。值變化對赤道帶氣候影響較大，對極區(qū)影響較小。 地質(zhì)地質(zhì)記錄中的軌道旋回證據(jù)記錄中的軌道旋回證

23、據(jù) 沉積紋層組合沉積紋層組合的時間匹配時間匹配關(guān)系 野外成層巖石內(nèi)，有時可以識別出不同級別的沉積野外成層巖石內(nèi)，有時可以識別出不同級別的沉積紋層組合：紋層組合： 由小到大可分別稱為由小到大可分別稱為 紋層、紋層、 層束、層束、 層束組、超層層束組、超層束組束組， 它們的它們的周期值大體為周期值大體為2 2萬年、萬年、4 4萬年、萬年、1010萬年、萬年、4040萬萬年年。 因此推論因此推論分別相當于分別相當于 歲差、歲差、 斜度、偏心率、長偏斜度、偏心率、長偏心率旋回心率旋回 長偏心率：偏心率長偏心率：偏心率= =1:41:4、 偏心率：歲差偏心率：歲差 = =1:51:5。 一比五的時間匹配

24、一比五的時間匹配超層束組超層束組：層束組層束組：層束：層束：紋層紋層 偏心率：偏心率：歲差歲差 十萬年十萬年：二萬年二萬年n 成層巖石中規(guī)律性成層巖石中規(guī)律性 一：五一：五 旋回組合旋回組合n 南阿爾卑斯山脈灰?guī)r峭壁米蘭科維奇周期米蘭科維奇周期 偏心率偏心率 斜度斜度 歲差歲差的沉積記錄的沉積記錄太陽系內(nèi)的星體撞擊彗木撞擊事件引起的反思彗木撞擊事件引起的反思 蘇梅克蘇梅克- -利維彗星列車的發(fā)現(xiàn)過程利維彗星列車的發(fā)現(xiàn)過程 成功經(jīng)驗成功經(jīng)驗: : 1. 1. 三結(jié)合科研集體三結(jié)合科研集體 2. 2. 迅速的國際學術(shù)聯(lián)系迅速的國際學術(shù)聯(lián)系 n 萬古奇觀萬古奇觀 長達十六萬千米的長達十六萬千米的 彗

25、星列車撞擊木星彗星列車撞擊木星連珠炮式彗木撞擊連珠炮式彗木撞擊n 碎塊碎塊 A A 撞擊后撞擊后 升起的火球升起的火球n n 彗木撞擊的破壞能量1994年年7月月19日日4時時15分分22日日 16時（北京時間）時（北京時間）n人類第一次科學預報并進行實時的定量化科學測算。人類第一次科學預報并進行實時的定量化科學測算。 n在130130小時小時內(nèi)共計22次較大的“連珠炮式連珠炮式”撞擊（編號A- V），相當于2020億顆廣島原子彈億顆廣島原子彈爆炸總能量！平均每秒鐘平均每秒鐘爆炸爆炸42004200顆！顆！ 美國美國9.119.11恐怖事件恐怖事件1/201/20廣島原子彈破壞能量。廣島原子彈破壞能量。 n木星上的撞擊點撞擊點相當于地球的80%面積面積，瞬間溫度30000 50000。公元前公元前5 5萬年形成的隕擊坑萬年形成的隕擊坑 位于美國亞利桑那州，直徑位于美國亞利桑那州，直徑2km 2km ，坑底白色處是建筑物，坑底白色處是建筑物地球上已知的隕擊坑（地球上已知的隕擊坑（19931993年前）年前）n 恐龍絕滅