太陽系與行星際空間探測課件

1、太陽系與行星際空間探測天文科學(xué)通識課自古以來，人們就知道天上有 5 顆行星 ：金、木、 水、火、土。望遠鏡發(fā)明之後，天文學(xué)家相繼發(fā) 現(xiàn)了天王星、海王星、冥王星，加上地球，並稱 為太陽系九大行星 。 2006 年 8 月 24 日， 國際天文學(xué)聯(lián)合會（ IAU）在捷克首都布拉格舉行的第 26 屆大會通過關(guān)於 “ 太陽系行星的定義 ” 的決議，太陽系只剩下八大行星。 2006 年 9 月 13 日，IAU 進一步發(fā)佈公告 ： 冥王星被賦予小行星正式編號 134340 ； 冥王星一家四口的另外三個成員查龍、尼克斯 和繡得拉的正式編號為 134340、134340和 1340340 。八大行星的大小和

2、億分之一的比例列出的到太陽的距離數(shù)據(jù)。 八大行星的大小和到太陽的距離行星水金地火木土天海（冥）直徑、103千米5121371441205249（2.6）距離、千米0.61.11.52.37.8142945（59） 火星比地球小，品質(zhì)是地球的十分之一，因而重力小、大氣層稀薄，大氣壓不足地球的百分之一。 大氣成分95%是二氧化碳，其餘是氮、氬和少量水蒸氣。 火星與地球相似之處是它的自轉(zhuǎn)週期 24 小時 37 分和自轉(zhuǎn)軸傾斜 25.2因而有和地球一樣的晝夜長短變化和一年四季的變化，不過火星的一年有 680 天。 航天時代以來，火星成為重點探測對象，先後有幾十艘蒞臨火星附近錄探測，揭示火星的真實面目。

3、 火星有兩顆衛(wèi)星，體積都很小，形狀奇特，距離火星較近。 木星的大氣層厚約 1000 千米，82% 是氫，17% 是氦，其餘是甲烷和氨，不含水蒸氣。 著名的大紅斑有兩個地球大，是由含磷化合物組成的氣體漩渦，從伽利略時代發(fā)展以來，400 年未曾平息 土星是肉眼所見最遠的行星。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與木星類似：表面是液態(tài)氫的海洋，其下是液態(tài)金屬氫和氦，巖石組成的內(nèi)核只占整個半徑的 0.21。 土星也是“最輕”的行星，密度只有水的 0.69，是唯一能“漂浮”在水面上的大行星。土星是“扁”的行星，赤道半徑與極半徑之比是 10.9。 土星最顯著的特徵是它美麗的光環(huán)，用望遠鏡看過土星的人一定會留下終身難忘的印象 土衛(wèi)

4、六也叫泰坦，是土星的第一大衛(wèi)星、太陽系第二大衛(wèi)星。也是唯一有濃密大氣層的衛(wèi)星。大氣成份很接近原始地球的情況?？赡苡幸簯B(tài)碳?xì)浠衔锏暮?、湖乃至河流，而河床是水冰。那裡是否有生命物質(zhì)是人類特別感興趣的問題。 天王星和海王星有許多相似之處，天王星體積略大而質(zhì)量略小，自轉(zhuǎn)週期也差不多（約18小時）。它們也都被液氫和液氦的海洋包圍著，都有濃密的大氣，也都有光環(huán)。 海王星傾斜角度約30，有與地球相似的一年（165 個地球年）四季變化；而天王星傾斜近 90，是唯一一個“躺在”軌道面上自轉(zhuǎn)的大行星，而且和金星一樣是逆向自轉(zhuǎn)，太陽西升東落。行星的真實運動 17世紀(jì)初，德國天文學(xué)家開普勒（J.Kepler）在其前

5、人丹麥天文學(xué)家第谷（B.Tycho）大量觀測資料的基礎(chǔ)上，潛心研究，發(fā)表了行星運動的三大定律，正確指出行星的運動軌道是橢圓，太陽位於橢圓的焦點上。1687 年，牛頓發(fā)表萬有引力定律和三大運動定律，完滿地解釋了行星繞太陽運動的力學(xué)原理，把天體和地面物體的運動規(guī)律統(tǒng)一起來了。 1942 年，愛因斯坦在紀(jì)念牛頓誕辰 300 周年的文章中寫道：“那些為現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展所不可缺少的理智工具，主要來自對星空的觀察。像牛頓那樣有創(chuàng)造能力的思想家，他們的思想由於凝視這星空而展翅高飛?！?天體力學(xué)研究天體的運動學(xué)和動力學(xué)。 假設(shè)只有兩個天體，在萬有引力作用下如何運動的問題，叫做二體問題。 牛頓力學(xué)框架下，建立二體問

6、題的微分方程，再用數(shù)學(xué)方便求解，二體問題可以徹底解決。 在牛頓找到微分方程之前70 年，開普勒就已經(jīng)知道了由太陽和任意行星組成二體問題的這些結(jié)果。這是人類科學(xué)發(fā)展的歷史中著名範(fàn)例之一。 1995 年，歐洲和美國聯(lián)合發(fā)射的 “ 太陽和太陽風(fēng)層探測器” ，簡稱 SOHO 衛(wèi)星位於 L1 點上，2001 年，美國發(fā)射的 “ 宇宙背景輻射各向異性探測器 ” WMAP 位於 L2 點上。它們的識別特徵是：1. 都在黃道附近 2. 亮度一般比恒星亮 3. 恒星光芒閃爍行星視運動地內(nèi)行星相對於太陽的運動行星相對於太陽的視運動 大距角常有變化，水星在 1828，金星在 45 48。地內(nèi)行星同月亮一樣有盈虧變化

7、。如果水星或金星下合發(fā)生在黃道面附近，會與太陽圓面重合，人們看到它們的影像從日面上緩緩?fù)ㄟ^，稱為 “凌日” 。 金星凌日每兩次為一組，兩次之間相隔 8 年，但兩組之間卻相隔 100 多年。最近的一組在 2004 年 6 月 8 日和 2012 年 6 月 6 日。 2012 年 6 月 6 日金星凌日，歐洲和中西亞只能在日出后見到一段過程，北美地區(qū)只能在日落前見到前一段過程，而在中國中東部能見到全過程：從北京時間 6 時 10 分到 12 時 50 分左右 。如果錯過這一次大好機會，再下一次 2117 年 12 月 11 日金星凌日。 沖是觀測地外行星的最佳時期。 由於地球軌道和行星軌道都不是

8、正圓，每次沖行星與地球距離不大，距離最佳的沖叫 “大沖” 。 火星沖每兩年多發(fā)生一次，但大沖每隔 15 年或 17 年發(fā)生一次，而且總在 7 9 月。 最近一次火星沖發(fā)生在 2003 年 8 月 29 日，位於寶瓶座。 下一次大沖將發(fā)生在 2018 年 7 月 27 日，位於摩羯座。由於行星和地球都在運動，相對於恒星背景，行星在天球上的運動，大部份時間沿黃經(jīng)道增加的方向（與太陽視運動同方向，自西向東運動），稱為順行。但也有時反方向運動，稱為逆行。順、逆轉(zhuǎn)換期間，行星暫時沒有運動，稱為留。地內(nèi)行星的留發(fā)生在大距與下合之間。地外行星的留發(fā)生在沖和方照之間。行星相對於恒星的視運動 由當(dāng)行星、月亮兩兩

9、之間，以及它們與黃道附近的5 顆亮恒星之間，黃經(jīng)相同的時候，稱為兩者之間的“合”。這5顆亮恒星是：畢宿五（金牛）、軒轅十四（獅子）、角宿一（室女）、心宿二（天蝎）、北河三（雙子）。如金星合月、火星合木星、土星合軒轅十四等。如果月亮與上述天體完全相重，把它們擋在了身後，稱為月掩星，如月掩金星、月掩心宿二等。有一些特殊的研究可以利用月掩星得機會進行。行星掩行星，行星掩恒星，甚至小行星掩恒星是更為難得的天象。日食和月食日食和月食的發(fā)生是由太陽、月球、地球三個天體的幾何位置決定的。日食、月食也可以用陽光下月球和地球的影子來說明。對全食和環(huán)食，月輪直徑與日輪直徑之比稱為食分。顯然，全食食分大於 1 ，環(huán)

10、食食分小於 1 。對於偏食，食分等於食甚時日輪直徑被擋部份所占的比值。日食只能發(fā)生在月相朔的時候（農(nóng)曆初一）但由於月亮公轉(zhuǎn)軌道（白道）與黃道不在一個平面上，朔時日、月通常只在同一方位而不一定在一條直線上，所以不一定發(fā)生日食。只有月球運動到黃道與白道交點附近又縫朔的時候，才會發(fā)生日食。 一般每年至少兩次，最多五次。每世紀(jì)平均發(fā)生日全食67.2 次，環(huán)食 82.2 次，偏食 82.5 次，全環(huán)食 4.8次，總共 236.7 次。月食的情況與日食不同。月食一定發(fā)生在月相望的時候。月球鉆進了地球的影子里，得不到太陽的光照，就發(fā)生月食。日食、月食的成因只與日、地、月三個天體的幾何位置有關(guān)。只要精準(zhǔn)掌握了

11、這三個天體的運動規(guī)律。日食、月食是可以準(zhǔn)確的加以計算和預(yù)報的。中國古代從漢武帝太初歷開始，即對日食、月食作出預(yù)報。歷代都用日食、月食發(fā)生的日期、時刻檢驗曆法的疏密。21 世紀(jì)的前 20 年內(nèi)，在中國境內(nèi)最有價值的 日食有 5 次。太陽系小天體小行星 早在17世紀(jì)初，開普勒就從“宇宙和諧”的觀點出發(fā)，認(rèn)為在火星與木星之間過於寬闊對的地帶應(yīng)當(dāng)有一顆未知的行星。 1801 年元旦，意大利天文學(xué)家皮亞齊（ G.Piazzi ）發(fā)現(xiàn)了第一顆小行星，經(jīng)數(shù)學(xué)家高斯計算其軌道，確實位於火星與木星之間，有 月球直徑那樣大，相當(dāng)於中國的青海省，取名為谷神星。 至 1807 年，又發(fā)現(xiàn) 3 顆：智神星、婚神星、灶

12、神星。婚神星最小，比中國的海南省略小。小行星主要集中在火星與木星軌道之間寬約2億千米的小行星中。大多數(shù)小行星是一些形狀很不規(guī)則、表面粗糙、結(jié)構(gòu)鬆散的硅酸鹽石塊，有的含碳較多，有的有較多的金屬成分。探測和研究小行星，被認(rèn)為有以下 4 方面的意義： 太陽系演化研究。因小行星質(zhì)量小，沒有改變自 身形態(tài)和物理特徵的能力，因而保存著形成之初 的大量信息，反映了太陽系早期的歷史，是研究 太陽系演化的太空標(biāo)本。 宇航安全或宇航中間站。穿過小行星帶的行星際 航行，要避開小行星的撞擊，必須預(yù)知它們的軌 道，有些較大的小行星可考慮利用它的宇宙速度 作搭載或作中間站?？恐谩?資源價值。有的小行星富含對人類有用而地

13、球上 稀少的礦物，可以考慮開採或接回地球使用。 科學(xué) 週刊曾報導(dǎo)小行星 1986DA（ 永久編號6178 ），直徑 2.3 千米，質(zhì)量 200 億噸，是一顆金屬結(jié)構(gòu)的小行星，估計含鐵 100 億噸，鎳 10 億噸，黃金 1 萬噸，白金 10 萬噸。 避開撞擊地球的可能性。 絕大多數(shù)小行星都在小行星帶內(nèi)繞太陽運行，不 會和地球相撞。但也有少數(shù)特殊軌道的小行星， 它們的軌道近日點深入到火星、地球、金星，甚 至水星軌道以內(nèi)，與地球軌道有交叉或軌道接近 地球，稱為“近地小行星”?，F(xiàn)已確認(rèn)，直徑 1 00千米以上的近地小行星有 200 多顆，直徑 30千米以上的近地小行星有 1000 多顆，估計直徑 1

14、千米以上的小行星實際存在的總數(shù)達100 萬顆。小行星 2004MN4 ，永久編號 99942 ，正式命名阿波菲斯（Apophis），直徑約為 320 米，2029 年離地球近至 3.4 萬千米，2005 年曾提出預(yù)警， 2036 年有可能撞擊地球。小行星是目前各類天體中唯一可以由發(fā)現(xiàn)者命名并得到國際公認(rèn)的天體。國際天文學(xué)聯(lián)合會下屬的小行星中心設(shè)在美國史密松天體物理臺，專門負(fù)責(zé)小行星的編號、命名和其他與小行星有關(guān)的工作。1999 年 7 月，國際天文學(xué)聯(lián)合會的專門委員會在意大利都靈制定了近地小行星是否會對地球造成威脅的 “小行星險極都靈標(biāo)準(zhǔn)” 。那些不會與地球遭遇的小行星稱為 0 極小行星。有可

15、能使地球遭受危險的小行星分為 10 個等級。截止目前，只有一顆小行星 1950DA（29075）被宣佈可能于 2880 年 3 月16 日撞擊地球，超過都靈 0級標(biāo)準(zhǔn)，撞擊概率約 0.003 。 1950DA 直徑約 1 千米，1950年發(fā)現(xiàn)后一度失蹤，2000年12月31日重又找回。彗星拖著長長的尾巴，在古人眼裡常被視作災(zāi)難得徵兆。中國民間俗稱為“掃帚星”?！板纭弊旨粗笒咧?。彗星質(zhì)量都很小，與小行星同屬太陽系小天體，一般沿著狹長的橢圓軌道或者拋物線、雙曲綫軌道繞太陽運行。其結(jié)構(gòu)由冰和塵埃、砂粒、石頭混合組成，即所謂“冰凍團塊模型”，俗稱“臟雪球”。軌道為橢圓的彗星會重複出現(xiàn)，叫做週期彗星。專

16、業(yè)人員用望遠鏡觀察彗星，每年約 30 顆左右。已記錄在案的彗星有 1800 多顆，其中 200 多顆是重複出現(xiàn)的。最富盛名的是哈雷彗星。恩克彗星是歷史上著名的一顆彗星。它的回歸週期為 3 年零 106 天。發(fā)現(xiàn)彗星的另一種方式是利用互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)佈的天文觀測圖像，而不是用望遠鏡觀察天空。從 1999 年開始，至 2003 年底，從 “ 太陽和太陽風(fēng)層探測衛(wèi)星 ”（SOHO）圖像中已發(fā)現(xiàn) SOHO 彗星 723 顆，其中 621 顆是業(yè)餘愛好者發(fā)現(xiàn)的。海外天體海外天體（TNO）指海王星軌道以外的天體，根據(jù)國際天文學(xué)聯(lián)合會所作的決議，絕大多數(shù)的海外天體列為太陽系小天體。在“絕大多數(shù)”以外的 TNO 應(yīng)

17、指冥王星、查龍、塞德娜、愛麗絲等較大的 TNO ，被稱為“矮行星”。50 年前，美籍荷蘭天文學(xué)家柯伊伯（G.P.Kuiper）提出一種見解，認(rèn)為在冥王星軌道兩側(cè)，寬約 30 億千米的環(huán)狀區(qū)域里，有10億100億顆以冰為主要成份的小天體繞太陽公轉(zhuǎn)，后人稱之為柯伊伯帶天體。柯伊伯帶是太陽系中位於海王星軌道外面的第二個小天體環(huán)帶。既不類地也不類木的冥王星僅是其中較大的成員，而不屬於大行星的行列。流行和隕石流星是太陽系中非常細(xì)小的天體，與地球遭遇，被地球引力吸入大氣層，在高速運動中摩擦燃燒，周圍大氣分子也受激而發(fā)光的現(xiàn)象。極個別更大的途中沒有來得及全部燒毀而墜落地面，稱為隕石。太陽系各大行星之間廣泛散

18、佈著這些非常細(xì)小的天體，稱為流星體。它們也繞太陽運行，質(zhì)量從 100 噸到百萬分之一克。大的流星體和小的小行星之間已沒有嚴(yán)格界限。絕大多數(shù)流星體是細(xì)小的砂?；驂m埃，也叫宇宙塵、行星際塵。獅子座流星雨是非常出名的流星雨之一，來源於一顆名為坦普爾-塔特爾的彗星。這顆彗星每 33.2 年繞太陽一周，軌道傾角 162，每年 11 月 17 日或 18 日，地球通過離彗星軌道最近點。流星和流星雨在中國古代文獻中有豐富的記錄。 春秋左氏轉(zhuǎn) 中記有 “ 魯莊公七年夏四月辛卯（公元前 687 年 3 月 23 日）夜，恒星不見，夜中星殞如雨?！睋?jù)考證，這是天龍座流星雨的寶貴記錄。1976 年 3 月 8 日下午 3 時許，中國吉林省吉林市北部降落下一次規(guī)模很大的隕石雨。在約 500 千米2區(qū)域共落下總重 2700 千克以上的隕石碎塊，最大的一塊吉林一號重 1770 千克。隕石按金屬和硅酸鹽含量分為三種類型：石隕石、鐵隕石、和石鐵隕石。最大的石隕石是中國吉林一號隕石。最大的鐵隕石是非洲納米比亞的霍巴隕鐵，重約 60 噸，其次