引言行星系统围绕太阳运行的行星及其卫星矮行星小行星Word文档下载推荐.docx
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月球与类地行星放在一起研究。
水星:
磁场与磁层、内部结构
金星:
大气层结构与动力学、大气层与表面相互作用、温室效应
火星:
水与生命
类地行星比较研究(大气层、气候、环境、地质演化)
月球:
水、氦3、月壤、起源
类木行星:
主要由氢和氦等物质组成,密度较低、旋转快、深的大气层、有环、大量的卫星。
木星、土星、天王星和海王星分别63、46、27和13颗卫星
木星:
大气层结构、磁层与辐射带、辐射带与卫星相互作用、欧罗巴的液体海洋、Io的火山活动
土星:
磁层、环、泰坦的大气层与表面液体湖、土卫二的液体水
海王星:
海卫一的冰火山
描述太阳系天体特征的参数:
天球、黄赤交角、秒差距、星等
天球:
假想的以地球为中心、半径为无穷大的圆球面。
除地球以外的所有天体都可以投影在天球上,并以投影点在天球上的位置标志天体的方位。
地球自转轴与天球的交点称“天极”。
黄道面:
地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面(eclipticplane)。
黄道面与天球相交的大圆称为“黄道”。
黄道面与地球赤道面的交角为2327。
在天球上距离黄道90的两个点叫“黄极”。
恒星日:
连接一个地方正南正北两点所得的直线为子午线,子午线和铅垂线所决定的平面是正南正北方向的子午面。
某地天文子午面两次对向同一恒星的时间间隔叫做恒星日,恒星日是以恒星为参考的地球自转周期。
1恒星日=23小时56分4.09894秒,短于人们日常使用的太阳日。
真太阳日:
如果把时间单位定义为某地天文子午面两次对向太阳圆面中心(即太阳圆面中心两次上中天)的时间间隔,则这个时间单位就称作真太阳日,简称真时,也叫视时。
它是以太阳为参考的地球自转周期。
恒星日总是比真太阳日短一点。
平太阳日:
真太阳日长短不一,假想一个平太阳沿天赤道匀速运行,平太阳连续上中天的时间间隔为平太阳日,我们日常所用的时间。
年:
以地球绕太阳公转运动为基础的时间单位,其长度取为太阳在天球上沿黄道从某一定标点再回到同一定标点所经历的时间间隔。
(1)回归年。
太阳在天球上连续两次通过春分点所经历的时间间隔,长度为365.24220日。
它是制定现行公历的基础。
(2)恒星年,太阳在天球上连续两次通过某一恒星所经历的时间间隔,长度为365.25626日。
(3)近点年。
地球连续两次经过近日点点所经历的时间间隔,长度为365.25964日,主要用于研究太阳运动。
(4)交点年,又称食年。
长度为346.620030日。
交点年在计算日食中有重要作用。
由于地球公转周期有缓慢变化,以上这些年的长度均为变量,作为量度单位并不严格。
1984年起采用儒略年作为长度固定的时间单位,规定为365.25日。
黄赤交角(obliquityoftheecliptic):
行星的赤道平面与黄道面之间的夹角。
根据国际天文学联合会的约定,行星的北极位于黄道面上面。
按照这个约定,金星和天王星为逆向旋转,或者说,它们的自转方向与其他行星的相反。
秒差距(parsec):
用于度量距离的单位,英文缩写为“pc”。
天体距离为1秒差距意味着若以一天文单位为基线,则该天体的视差为1弧秒(arcsecond)。
1秒差距=3.2616光年=206265AU=308568亿公里。
星等(magnitude):
表示天体亮度的一种方法,记为m。
1等星是6等星亮度的100倍,以E6、E1表示6等星和1等星的照度,则有:
说明星等相差1等,其亮度比为2.512。
视星等与绝对星等:
这里说的“星等”,事实上反映的是从地球上“看到的”天体的明暗程度,在天文学上称为“视星等”。
绝对星等:
假定把恒星放在距地球10秒差距(32.6光年)的地方测得的恒星的亮度。
如果绝对星等用M表示,视星等用m表示,恒星的距离化成秒差距数为r,那么M=m+5-5lgr。
这个数值真正反映了恒星实际发光本领。
如太阳的绝对星等为4.83m,视星等为−26.8。
开普勒第一定律:
所有行星绕太阳的运动轨道是椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点上
开普勒第二定律:
联接行星和太阳的径向矢量在相等的时间内扫过的面积相等(面积定律)
开普勒第三定律:
行星绕太阳运动的公转周期的平方与它们的轨道半长径的立方成正比。
若a的单位是AU,T的单位是年,则C=1
开普勒定律成立的条件:
二体问题,均匀球体。
限制性三体问题:
如果考虑第三个天体的存在,问题一般是比较复杂的,但如果第三个天体的质量比另两个天体的质量小到可以忽略的程度,这类问题称为限制性三体问题。
拉格朗日点:
在圆形限制性三体问题中有5个点,位于这5个点的小天体在旋转框架中合力为零。
其中三个点(L1、L2和L3)位于M1和M2的联线上。
零速度曲线在共线的的三个拉格朗日点相交。
另两个拉格朗日点(L4和L5)与两个有限质量体构成等边三角形。
会和轨道周期:
一颗行星环绕恒星公转一整圈回到从地球的角度观察到的天球上原来的位置所需要的时间。
这是一颗行星在回到轨道起点之间的间隔。
会合周期与恒星周期之所以不同是因为地球本身也环绕着太阳公转。
S为会和周期,P,Pe为行星和地球的恒星周期。
提丢斯-彼得定则(Titius-BodeLaw):
六个行星的平均日心距离近似表示为:
对于水星,n取-,金星、地球、火星、木星和土星分别取取0、1、2、4和5。
潮汐:
任何天体对另一天体不同部分与其中心的引力差称为“潮汐力”。
对一个天体的合力决定了其质心的加速度,而潮汐力可以使天体变形,也可以产生影响其转动状态的力矩。
潮汐可改变行星及其卫星的轨道、自旋特征和自身的形状。
在偏心轨道运动的卫星所受到的潮汐力还可导致潮汐加热。
月球与地球之间的相互吸引力引起了沿二者中心联线方向的潮汐隆起。
近边隆起是近边受到较大引力作用的直接结果,而远边受到的引力比中心受到的引力小。
不同的离心加速也对潮汐隆起的大小有影响。
月球的自旋周期与围绕地球公转的轨道周期相等,因此月球总是同一面朝向地球,并总是在那个方向上被拉长。
地球的自旋周期比地-月轨道周期短,于是,地球的不同部分指向月球,并被潮汐力拉申。
地球上的水比固体地球更容易受潮汐变化的影响,引起在海岸线看到的水平面变化。
地球自旋与月球轨道运动效应的组合,使得月球大约每25小时通过地球给定地点的上方,每天总有两次潮汐,我们看到的主要潮汐是半日潮汐。
太阳也引起地球的半日潮汐,由于太阳到的地球距离比月球到地球的距离大得多,施于地球的潮汐力只有月球的1/2.7,因此,月球潮汐是主要的。
潮汐耗散引起月球和行星旋转率和轨道的长期变化。
在没有外力矩作用的情况下,虽然在轨道运动的一对天体之间角动量是守恒的,但角动量可以在自旋和轨道运动之间转化经过潮汐力矩转换。
洛希极限(RocheLimit):
如果一个小天体可看成是一个质量很小的流体团,当它绕着一个大天体运动时,由于大天体的引力很大,在小天体运动至与大天体的距离小于或接近于某一临界距离时,大天体吸引产生的潮汐作用会使小天体的形状变成细长直至流体团碎裂瓦解。
这个临界距离是一个极限距离——洛希极限。
第三章月球
体积为地球体积的2%,质量为地球质量的1/81.3,平均密度为地球的60%,表面气压仅为10-14地球大气压,表面没有水体,没有明显的磁场存在,自转和围绕地球公转的周期相同,都是27天7小时43分钟。
近地点:
363,000km,远地点:
405,000km,偏心率:
0.0549
表面整体特征:
最高点在南半球Dirichlet-Jackson盆地的边缘(–158.64°
E,5.44°
N),高度为+10.75km;
最低点在南极艾肯盆地安托尼亚迪(Antoniadi)陨石坑(–172.58°
E,70.43°
S)里面,高度为-9.06km。
正面较平坦,背面高地多。
南极有巨大的盆地
月海:
月球表面上大的暗黑区域,实际上是低洼区域或平原,反照率很小(0.05~0.08)。
月海比月球平均水准面低1~4km,大多呈圆或椭圆形。
月海的填充物主要是玄武岩,含巨大的钛铁矿。
月面上有22个月海,其中有19个在朝向地球的正面。
正面上的月海面积约占月球正面面积的50%,而背面上的月海只占其半球面积的2.5%,全部月海约占月球总表面面积的17%。
高地:
月球表面高出月海的地区均称为高地。
月球正面高地的总面积与月海的总面积大体相等;
月球背面高地面积要大得多。
高地一般比月海高2~3公里,主要由浅色斜长岩组成,对阳光的反射率较大,用肉眼看到月球上洁白发亮的部分就是高地。
陨击坑:
月球表面直径大于1公里的陨击坑总数在33000个以上,总面积约占月球表面积的7%到10%,直径大于1米的陨击坑总数高达3万亿个。
山脉:
峭壁:
月表有4座长达数百公里的峭壁,除最长的阿尔泰峭壁组成酒海的外层环壁外,其它3座峭壁均突出在月海水准面之上,它们是静海中的科希峭壁、云海中的直壁和湿海中西部边缘的利克比峭壁。
月球重力场:
受月球重力作用的空间范围。
月面某点观测所得实际重力值与正常重力场在该点的差值称为重力异常值。
测点位置越高,实测重力值就越比理论重力值小。
因此实测的结果需要校正,换算成为大地水准面上的数据。
这种校正就称为自由空气校正或高度校正。
校正后的重力异常称为自由空气重力异常。
月球重力异常特征:
正面有5个质量瘤,背面重力异常复杂,正负异常都有环形结构,甚至出现环中有环的结构
陨石坑:
月球南极阿肯特陨石坑直径2500公里,深9公里,是目前所知太阳系最大的陨石坑。
盆地底部有许多小陨石坑,这些陨石坑一直见不到阳光,很可能有水冰。
近月空间环境:
没有大气,表面气压仅为10-14地球大气压。
表平均温度分别为白天的107°
C和夜晚的-153°
C,最高与最低温度分别为-180°
C和130°
C,最大温差可达到300°
C以上。
没有明显的磁场存在,但月球的岩石中有极微弱的剩磁
月球的起源:
同源说、俘获说、分裂说、撞击说
月壤:
组成月壤的基本颗粒:
结晶岩碎屑;
矿物碎屑;
角砾岩碎屑;
粘合集块岩;
各种玻璃。
月壤样品:
月壤中大多数物质是高钛的月海玄武岩。
玄武岩(A)、斜长岩(B)、角砾石(C)和玻璃球粒(D)。
包含了斜长岩(anorthositic)或苏长岩(noritic)的长石质(feldspathic)晶体岩石。
样品几乎是纯桔色的玻璃(83%),取自阿波罗17号着陆点。
月壤的化学组成:
SiO2,FeO,CaO等。
月海玄武岩比高地岩石含有较高浓度的FeO和TiO2,有高的CaO/Al2O3比(但CaO和Al2O3的总含量是低的)。
月壤的厚度:
月壤的厚度是不均匀的,从几厘米到几百米。
这一方面反映了月球表面不同地区的地质差别,也显示了物理特征的不均匀性。
月球资源:
月球矿物:
矿物定义为自然存在的固体化合物,有确定的化学成分、确定有序的原子排列。
月球上的矿物有两种主要类型,硅和氧化物矿物。
硅矿物的主要成分是硅和氧,从体积上来说,90%以上的月球岩石都是由硅矿物构成的。
氧化物矿物主要由金属和氧构成的,在月球上的丰度仅次于硅矿物。
人类在月岩中已经发现100多种矿物,其中绝大多数矿物的成分和结构与地球的矿物相同。
近年来对月球样品的进一步分析表明,一些矿物在地球上未发现过。
氦3:
氦3是氦的同位素之一,原子核由2个质子和一个中子组成。
是稳定同位素,其相对丰度是。
000137%;
使用氦3的热核反应堆中没有中子,故不会产生辐射,不会给环境带来危害。
根据初步计算,氦3在月球上的储量约有100万吨到500万吨。
中国一年的发电量,大约只需要最多不超过10吨的氦3,而全世界的需求约在100吨或者多一点。
这样计算下来,月球完全可以提供人类社会用上万年的能源需求,这是非常诱人的、有巨大前景的一种资源。
影响氦3分布的因素:
(1)与月球纬度和经度有关的、未受影响的太阳风通量;
(2)月球自旋轴相对于黄道面的倾斜;
(3)太阳风速度的非黄道分量;
(4)月壤经历的日夜温度变化剖面,这个剖面是纬度和地形斜率的函数;
(5)由热循环或流星体撞击而释放的挥发物的再沉积率,它是纬度和高纬冷凝的函数;
(6)在月壤中各种矿物、粘合集块岩和角砾岩碎块的丰度;
(7)月球与地球磁层的相互作用;
(8)撞击到月壤上部微流星体的通量。
月球水冰:
对月球样品的分析发现水分含量与地球上通过海底喷发来到上地幔的凝固熔岩中的含水量惊人的相似。
而根据雷达对月球探测,估计在极区的陨石坑中可能存在水冰。
根据对陨石坑拍摄的照片处理研究,认为陨石坑底部只能有“脏”水冰,即冰与月壤混合,冰的含量约1~2%。
甚至不一定存在。
霍曼轨道:
行星际飞行器的轨道主要是在轨道的过渡阶段,这个阶段的轨道设计十分重要.最节省能量的过渡轨道是日心椭圆轨道,它在近日点和远日点上分别与相应的两个行星的运动轨道相切,故又称双切轨道。
发射窗口:
飞行器到达高轨道时应与行星相切,迎面或者赶上,可选择。
新时期月球探测的科学目标:
1、月球的全球构成
2、月球的内部成分
3、月球的矿物成分与分布
4、极区沉积物
5、陨击坑形成年代
6、月壤的分布与物理化学特性
7、氦3的空间分布特征
8、气体释放事件
9、月球的重力场分布
10、近月空间环境
中国的嫦娥工程:
(1)获取月球表面三维立体影像,从而划分月球表面的基本地貌和构造单元,初步编制月球地质与构造纲要图,为后续优选软着陆区提供参考依据。
(2)分析月面有用元素含量和物质类型的分布特点,即对月面有用元素进行探测,初步编制各元素的月面分布图。
3)探测月壤特性。
中国将首次开展月面的微波辐射探测,获取月壤厚度的全月分布特征,研究月表年龄及演化,估算月壤中氦3的分布和资源量。
(4)探测地月空间环境,将记录原始太阳风数据,研究太阳活动对地月空间环境的影响。
第四章水星
轨道特征:
近日点:
0.31AU;
远日点:
0.47AU。
到太阳的平均距离:
0.387AU。
轨道偏心率:
0.205。
轨道倾角:
7.00487,黄赤交角:
0°
。
公转(自转)周期为87.97(58.63)天。
平均轨道速度:
47.8275km/s是地球的1.607倍。
近(远)日点速度:
56.6(38.7)km/s
自旋轨道谐振3:
2:
一个水星日等于三分之二个水星年。
行星的这种自旋周期与轨道周期的关系称为自旋-轨道谐振。
大小和密度:
直径:
4878km。
质量:
3.30×
1023kg(地球质量的0.05527倍)。
体积:
地球的6%。
表面重力加速度:
3.70km/s2,地球的0.378。
密度:
5.44g/cm3,仅次于地球
地质演变:
托尔斯泰前期从壳的形成到托尔斯泰多环盆地的形成。
撞击产生了大多数高原和大量的多环盆地。
托尔斯泰盆地是在3.97Gyr(109年)前形成的。
卡洛里时期:
在大约3.77Gyr前的一个大的小行星撞击产生了卡洛里盆地。
曼苏尔与开泊期:
在严重的撞击以后,陨石坑的产生率恒定下来。
卡洛里盆地:
水星最热的地方是ClorisBasin,最热时达427℃。
在中午,岩石中的铅、锡被强烈的阳光熔化析出,汇聚成金属液潭。
最新探测结果比原测值大。
有叠加的暗坑;
中心陨石坑阿波罗。
有径向线性抛射物和山丘,卡洛里西边沿即有一个山丘。
此外结构中还有褶皱脊和地沟。
(蜘蛛地形)
蜘蛛地形:
盆地中心的约40km直径的陨石坑是水手10号没有看见的,突出的特征是从中心径向分布着50多条向外延伸的沟槽,外形看上去像蜘蛛一样。
这种结构在太阳系是首次发现。
一种可能的解释是,当卡洛里盆地以某种方式形成时,撞击产生的熔化岩石热柱在盆地的中心底部升高,使盆地底部隆起,导致外壳破裂,形成沟槽。
水星外逸层:
水手10号飞船上的紫外光谱仪探测出水星大气大主要成分是氦和氧,地面光谱测量还发现水星大气中有钠和钾。
此外,水星大气中还有少量的氖、氩、氙、碳。
氢和氧主要来自太阳风,但水星内部放射性元素衰变也放出氦、氩氙等气体,而钾、钠是因为太阳风轰击水星岩石表面而排出的。
水星表面温度:
最高温度:
427°
C,最低温度:
-173°
C,平均表面温度:
179°
C
信使号飞船探测水星的新发现:
水星磁层镶嵌在彗星状的行星离子云中
丰度最大的Na+离子分布广阔,在磁鞘中通量最大
磁鞘中的等离子体流速是高的
磁层显示以通量传输事件形式的重联特征
观测到两个电流片边界
Na在589.0nm(D2)的强度,整个尾区都很强,北极比南极区强
外层有多种产生源和损失过程;
与太阳风及磁层相互作用的过程决定了外层的分布
Na+,O+和K+丰度,与观测到的中性成分一致
在(m/q)=32~35间离子有增加,可能是S+和H2S+
(S++H2S+)/(Na++Mg+)=0.67±
0.06,来自m/q=18附近的水基的离子相对于(Na++Mg+)丰度为0.20±
0.03
Na+,O+,和重离子的通量在接近水星时最大,这些离子充满了磁层
源于水星双电离的离子意味着能量低于1keV的电子在水星磁层有相当大的增能
第五章金星
轨道特性:
0.718AU,远日点:
0.728AU,偏心率:
0.0068,倾角:
3.39471°
整体特征:
金星半径比地球小400公里;
体积是地球的0.88倍;
没有天然卫星;
偏心率小于1%,且与黄道面接近重合。
公转周期约224.7日,但其自转周期却为243日。
金星是太阳系内唯一逆向自转的行星。
表面形态:
金星表面状态可比作地狱。
在行星平均高度的温度为437C,最高处的温度比这个值低约10C。
一年内温度的变化只有大约1C,因为大气层非常稠密。
表面压强93bars,等效于1公里深处水的压强。
大气成分:
金星大气层的CO2(96.5%)和N2(3.5%)是最主要的成分,少量的成分有SO2、H2O、CO、OCS、HCl、HF和惰性气体。
CO2、N2、惰性气体、HCl和HF的丰度在整个金星大气层中基本是恒定的,但其它气体,如SO2、H2O、CO、OCS和SO的丰度随空间和时间变化。
金星大气层中CO2、SO2、OCS、HCl的高丰度是由于金星表面的高温。
所有这些气体在地球上的丰度都很低。
例如,在地球对流层CO2、SO2、OCS、HCl的丰度分别是360ppmv、20–90pptv、500pptv、1ppbv和25pptv。
CO2:
火山排气大概是金星CO2的主要来源。
在金星云上,CO2由光分解作用转换成CO和O2,而在表面,碳酸盐的形成可能是重要的汇。
地球大气层中的CO2有人类活动产生的、生物活动产生的和地质源,估计工业化前的CO2水平为290ppmv或更小。
主要的沉是生物活动(例如由光合自养生物的消耗)、海洋中的分解和岩石风化(比前两种的作用时间尺度长)。
SO2:
火山排放和含硫气体(OCS和H2S)的氧化可能是金星SO2的主要源。
对液态硫酸滴的光化学氧化作用有效地将SO2从金星的高层大气中排除(例如,云下是150ppmv,云上是10ppbv)。
SO2再生成OCS以及SO2与含钙矿物的作用生成硫酸钙(CaSO4)可能是SO2在近表面大气层中重要的沉。
地球:
SO2在地球大气层中仅是微量气体对流层大气中的大多数SO2是人类活动产生的,火山活动释放的比这少一至两个量级。
SO2通过硫酸盐氧化从地球的对流层排除,这种作用通过在气相、云滴和粒子的光化学和热化学过程实现。
羰基硫化物:
金星上OCS的主要源是火山活动释放以及铁硫矿物(例如磁黄铁矿,成分的范围从FeS到Fe7S8)的风化。
OCS主要的沉是对SO2的光化学氧化。
某些OCS可能与单原子S作用形成CO和S蒸汽而损失。
地球上的OCS的火山源与生物活动源相比可忽略,生物活动发射是地球对流层几种还原硫气体(例如OCS,H2S,(CH3)2S,(CH3)2S2,CH3SH)重要的源。
OCS主要因输送到平流层而损失掉,在那里它被光化学氧化成SO2,然后是硫酸气溶胶,在地球平流层约20公里处形成荣格(Jung)层。
HCl和HF(氟化氢):
火山释放可能是金星大气层中HCl和HF(氟化氢)的主要源。
含Cl和含F矿物的形成是这两种气体重要的沉。
HCl和HFO柱密度比地球对流层中的大许多量级。
地球对流层中大多数HF和一些HCl来自于人类活动,而不是火山释放。
对流层HF主要来自于工业释放,还有一部分是从平流层向下输送的,这部分HF是含氯氟烃(CFC)气体光分解的产物。
水蒸气:
金星的大气层是非常干燥的,云下平均水蒸气混合比大约是30ppmv。
水从金星通过表面氧化和氢逃逸到太空而损失,调节了大气层和表面的氧化状态。
在大气层水蒸气中高的D/H比表明,金星曾经是湿的,等效于至少4米、可能530米深的全球海洋。
地球对流层水蒸气混合比为1–4%。
氮:
火山释放大概是N2的主要源,因闪电而形成氧化氮(NOx)可能是金星上N2的一个汇。
地球上的N2大概也是由于火山释放。
现在,主要的N2源是土壤和海洋中的脱氮细菌。
在地球上N2的主要汇是土壤和海洋的固氮细菌。
惰性气体:
金星和地球间的主要区别是金星明显比地球显富含4He、36Ar和84Kr,金星的40Ar/36Ar比很低,大约是1.1,比地球上的低~270倍。
低的40Ar/36Ar比可能反映了太阳风更有效地将36Ar注入到金星。
同位素成分:
金星和地球之间最重要的差别是高的D/H比。
地球上“标准平均海水(SMOW)”的
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- 引言 行星 系统 围绕 太阳 运行 及其 卫星 小行星