第二章 太空中的地球 2-1 從太空看地球 2-2 從地球看星空 《時間分配》 本章共分2 小節，教學需四至五小時，含實習活動1 小時 《教學建議》 請參考各節建議 1

2-1 從太空看地球 太陽系 孕育生命的地球 九大行星與衛星 小行星與彗星 科伊伯帶與歐特雲帶 液態水得以存在的條件 保護地球的大氣層 地球磁層 《教材內容》 第一位登上月球的太空人在踏上月球的那一刻說道：「這是我的一小步，卻是人類的一大步」。當人類踏出這一大步，也體認到地球的與眾不同：「地球是一個充滿生機，氣象萬千的美麗星球！」從此開啟人類一個新的視野，由其它星球或太空來觀看地球。 當我們的視野由地球拉高、拉遠，直到看到整個太陽系時，可以發現太陽系包括太陽、九大行星、衛星、小行星、彗星及行星際的塵埃、氣體等。 2

圖2-1 太陽系家族 太陽系 一個以太陽為中心的行星系統 太陽系的成員包括： 1.太陽 2.九大行星：類地行星、類木行星、冥王星 3.小行星：在火星(類地)和木星(類木)之間 4.彗星 《教學建議》 回憶所學過的九大行星、小行星帶或者是彗星等成員，並點出地球軌道的位置，位置恰當使得地球擁有獨一的大氣組成和液態水〈呼應章首圖所引發的想法〉。 《圖表說明》 可以提醒同學地球是距離太陽排名第三遠的行星，小行星帶以內的是四顆岩質行星，之外的是四顆氣態的大型行星，而且途中有一顆彗星因闖入太陽系內圈而形成彗尾。 3

九大行星與衛星 類地行星： 水星、金星、地球、火星 距離太陽較近，體積小、密度高，含金屬元素的比例亦高，具有固態的岩石外殼 類木行星 木星、土星、天王星、海王星 距離太陽較遠，體積較大，密度小，主要是由氣體構成，而沒有固態外殼 冥王星 距離太陽最遠 沒有濃厚的大氣層，卻有固態的表面，既不像類木行星，也不像類地行星 《教材內容》 除太陽以外，行星是太陽系的主要角色，從太陽向外依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天文星、海王星及冥王星。 太陽系內圍區域的水星、金星、地球、火星，它們的體積小、密度高，含金屬元素的比例亦高，具有固態的岩石外殼，稱為類地行星。離太陽較遠的木星、土星、天文星、海王星，它們的體積較大，密度小，主要是由氣體構成，而沒有固態外殼，則稱為類木行星。至於最外面的冥王星，它沒有濃厚的大氣層，卻有固態的表面，既不像類木行星，也不像類地行星。 4

太陽系的成員 地球 金星 小行星帶 火星 水星

太陽系的成員 木星 海王星 土星 冥王星 天王星 彗星

太陽 一個恆星 太陽的構造 太陽的質量佔了太陽系總質量的99.9%， 其半徑為69萬6千公里，相當於地球半徑的109倍。 太陽內部的構造，由內至外依序為核心、輻射層、對流層。 外面可以看得見的部分依序為光球、色球、日冕

日冕 比光球暗很多，必須在日全食時才能看到。 日冕的物質會游離成離子(帶正電)。 大氣層越外層，密度越小，溫度卻逐漸增加。 就造成極光。 隨地球磁場落至地球時， 當它傳至地球附近， 稱為『太陽風』。 隨磁場活動向外流失， 太陽外圍游離的氣體，

水星 Mercury 缺乏大氣層及水，日夜溫差極大。 -170 ℃ ~450℃ 和月球相似，表面多隕石坑。

金星 Venus 體積質量和地球最相近 。 空氣濃密(氣壓約地球的90倍)，大氣主要為CO2 ，溫室效應強，因此氣溫極高。 順時針方向自轉。 我們只能在清晨或黃昏看到金星、水星，此二行星有盈虧現象，又稱內行星。

地球 Earth

火星 Mars 體積質量都比地球小很多 富含氧化鐵而呈紅棕色 極冠有乾冰及冰覆蓋 曾有水存在 氣壓約地球的1/90，大氣主要為CO2 ，溫室效應弱，因此氣溫低且變化大(104～295 K)。 自轉軸傾斜24°，因此有類似地球的季節變化 火星上的人面像？？？

火星上的人面像

木星 Jupiter 太陽系最大的行星，有不明顯的行星環。 橙紅的顏色一般相信來自大氣中的硫化物。 南半球的大紅斑為大氣活動劇烈的風暴。

土星 Saturn 太陽系第二大的行星，有明顯的行星環(大小數公釐到數十公尺的碎石與冰塊所構成) 自轉快速，外觀扁平。 強烈極光與磁場

天王星 Uranus 因甲烷吸收紅光及黃光，使其呈現藍綠色 自轉軸傾斜97.5°，躺在公轉軌道面上

海王星 Neptun 因甲烷吸收紅光及黃光，使其呈現藍綠色 有不太顯著的行星環 巨冰行星:天王星、海王星

冥王星 Pluto 比月球小，質量只有地球的千分之二 由岩石所組成 公轉軌道與黃道面有明顯傾斜 又遠又小，微弱的亮度，使我們目前對它所知不多 衛星數：1 國際天文聯盟除名冥王星，是根據該聯盟擬定的新行星定義 太陽系行星須符合三要件： 1.圍繞太陽公轉、 2.重力必須足以維持自身的圓球形、 3.公轉軌道附近不能有其他天體。 冥王星的公轉軌道和海王星重疊，因此遭除名。

類地行星與類木行星 種類 類地行星 類木行星 成員 水星、金星、 地球、火星 木星、土星、 天王星、海王星 主要成分 固體(岩石、金屬) 氣體、冰 密度 大 小 體積與質量 衛星數 少 多 離太陽越遠的行星，公轉週期越長。

小行星 asteroid 成分：岩石及金屬 體積小， 少數幾個直徑達幾百公里，大多只有幾公尺，且形狀不規則。 主要分佈於火星、木星之間，形成『小行星帶』

彗星 彗星 髒雪球(灰塵、冰) 俗稱掃帚星，彗核是由塵埃及細小的岩石顆粒混雜著冰以及凝結成固態的甲烷及氨等所構成 當彗星靠近太陽時，受陽光照射，使得易揮發物質氣化成為籠罩星核的彗髮。彗髮受到太陽輻射與太陽風的吹拂，形成彗尾 當彗星遠離太陽，溫度過低成為冰凍天體 有些有週期性。故鄉：柯伊伯帶、歐特雲彗星軌道上遺留的殘渣 流星、隕石、流星雨 《短片內容》 觀測彗星的目的(1分15秒) Discovery 彗星撞擊影片剪輯 《教材內容》 太陽系還有許多小天體散布於火星與木星軌道之間，稱為小行星帶。 另外，天空中有時會出現一種有尾巴的彗星，俗稱掃帚星，是由塵埃及細小的岩石顆粒混雜著冰以及凝結成固態的甲烷及氨等所構成。當彗星靠近太陽時，受到陽光照射，使得易揮發物質氣化成為籠罩星核的彗髮。彗髮受到太陽輻射與太陽風〈見下文〉的吹拂，形成彗尾。具有長尾巴的彗星常引起全球矚目，成為新聞媒體爭相報導的天象奇景，像哈雷彗星就是其中最著名的彗星。當彗星遠離太陽時，溫度過低成為冰凍的天體。 在海王星軌道之外，有許多冰凍天體，稱為科伊伯帶，被認為是短週期彗星的來源。還有許多彗星來自太陽系最邊緣的地帶，距離太陽約三萬至數十萬天文單位的廣闊球殼區域，稱為歐特雲帶〈圖2-2〉。 由上可知，縱覽太陽系，一顆絢麗多彩的球體，藏身於眾星球之間，那就是我們居住的美麗行星─地球，也就是我們人類「甜美的家」。然而太陽系也不過是更廣大的銀河系的一個小部分，而廣闊浩瀚，看不到邊界的宇宙又有著數不清的星系，在遙望宇宙星空之前，讓我們先看看地球獨特性。 海爾鮑普彗星 21

科伊伯帶與歐特雲帶 科伊伯帶 歐特雲帶 在海王星軌道之外，有許多冰凍天體，稱為科伊伯帶 被認為是短週期彗星的來源 許多彗星來自太陽系最邊緣的地帶，距離太陽約三萬至數十萬天文單位的廣闊球殼區域，稱為歐特雲帶 《教材內容》 在海王星軌道之外，有許多冰凍天體，稱為科伊伯帶，被認為是短週期彗星的來源。還有許多彗星來自太陽系最邊緣的地帶，距離太陽約三萬至數十萬天文單位的廣闊球殼區域，稱為歐特雲帶〈圖2-2〉。 由上可知，縱覽太陽系，一顆絢麗多彩的球體，藏身於眾星球之間，那就是我們居住的美麗行星─地球，也就是我們人類「甜美的家」。然而太陽系也不過是更廣大的銀河系的一個小部分，而廣闊浩瀚，看不到邊界的宇宙又有著數不清的星系，在遙望宇宙星空之前，讓我們先看看地球獨特性。 23

柯伊伯帶、歐特雲 冥王星軌道 柯伊伯帶 歐特雲

液態水得以存在的條件 軌道距離適中 水星質量小，太靠近太陽，早已沒有大氣 金星濃厚且熾熱的大氣，溫室效應極強 火星距離太陽遠，溫度低，大氣稀薄 適量溫室效應與大氣、海洋運動調節地表熱量的分布 《教材內容》 太陽系內的所有天體皆繞太陽運行，顯示它們都由同一星雲所形成。為什麼目前只有地球上有生命？科學家認為在太陽系中，只有地球的環境最適合生命的發生與發展，因為地球與太陽的距離不遠不近，接受到適量的太陽輻射，保持大量的液態水適合生命發展。 同為類地行星的火星、水星、金星的環境並不適合生命發生與發展。最接近太陽的水星因為質量小，又太靠近太陽，溫度太高，大氣容易散失，早已沒有大氣，所以不適合生命的發生。金星也比地球更靠近太陽，接收的太陽輻射約是地球的兩倍，水與二氧化碳容易蒸發散入大氣層，形成溫室效應，使得大氣溫度升高，則又蒸發更多的水與二氧化碳，再增強溫室效應，如此惡性循環下，形成今日金星濃厚且熾熱的大氣，也不利於生命發生。火星距離太陽比地球還遠，溫度低，大氣稀薄，不到地球的百分之一，環境亦不適合生命發展。 而地球的衛星—月球表面沒有空氣，沒有液態水，一片荒漠，即使與太陽的距離跟地球差不多，也無生命。 而地球大氣層有著適量的溫室氣體，有著活潑的大氣運動和海洋環流，適時調節地表熱量的分布。地球表面不太熱，也不太冷，平均溫度大約是攝氏15度，正好讓液態的水得以存在。 25

保護地球的大氣層 氧氣與臭氧層 太陽系的九顆行星中也只有地球的大氣層含有大量的氧氣，是今日地球表面億萬生物所不可或缺的 大氣中氧氣含量增多後，又產生了臭氧，臭氧層過濾陽光中的紫外線，減少紫外線對生物的危害 大氣層減少隕石直接撞擊地表的機率 《教材內容》 太陽系的九顆行星中也只有地球的大氣層含有大量的氧氣，是今日地球表面億萬生物所不可或缺的。氧氣充滿大氣層之後，又產生了臭氧，過濾陽光中的紫外線，減少紫外線對生物的危害。大氣層又如同防護地球的「金鐘罩」，當太空的彗星、隕石以高速闖入時，和大氣摩擦生熱，大部分的「入侵者」在大氣中就燃燒殆盡，不致墜落到地面，而造成太大的傷害。 26

地球磁層 地球磁場在與太陽風的交互作用下形成地球磁層 地球磁層使得太陽風和宇宙射線這樣的高能帶電粒子幾乎不能到達地球表面 高能帶電粒子順著磁力線溢入地球極區上空，激發大氣高層的氣體，會產生美麗的極光 《教材內容》 廣闊的太陽系中，除了各種星體之外，還充滿著來自太陽的帶電荷高能粒子－太陽風，以及來自外太空的宇宙射線。對於這些肉眼難見，卻又時時入侵的天外訪客，地球也有一套防護機制，那就是地球磁層。 地球的內部就像磁鐵般在地球外圍形成大致對稱的地球磁場（圖2-3）。然而，地球磁場在與太陽風的交互作用下形成地球磁層，磁層的形狀在太陽風的吹襲下，面向太陽的一側形成弓狀，另一側則被拉長（圖2-3）。由於地球磁層的存在，使得太陽風和宇宙射線這樣的高能帶電粒子幾乎不能到達地球表面，從而保護了地球表面的生物。如果這些高能帶電粒子順著磁力線溢入地球極區上空，激發大氣高層的氣體，就會產生美麗的極光（圖2-4）。 當高能帶電粒子闖入地球磁層，有些會被地球磁層捕獲，形成一個包圍地球外圍的強輻射帶（圖2-3），這個輻射帶由范艾倫（James A. Van Allen，1914〜，美國）所帶領的團隊於1958年所發現，就被稱之為范艾倫輻射帶。因為這個范艾倫輻射帶含有高能量的輻射粒子，可能會對太空船等產生危害，人類進行太空探測活動時要特別小心防範。 27

圖2-3 地球磁場與磁層 地理北極與地磁北極彼此間相差11度的夾角，地球內部的磁場可以把它想成一個偶極的磁鐵，磁力線彼此不相交且對稱的狀態。 事實上，地球磁場會因為太陽風的干擾而變形，面向太陽一側形成弓狀，另一側被拉長。范艾倫輻射帶是當高能帶電粒子闖入地球磁層，有些會被地球磁層捕獲，形成一個包圍地球外圍的強輻射帶。 圖2-3 地球磁場與磁層 《教學建議》 地球磁層的概念對學生而言相當陌生，可以結合國中所學的磁場概念，加入太陽風的作用造成地球磁層不對稱，結合圖2-3A與圖2-3B一起說明。 《圖表說明》 地理北極與地磁北極彼此間相差11度的夾角，地球內部的磁場可以把它想成一個偶極的磁鐵，磁力線彼此不相交且對稱的狀態。 事實上，地球磁場會因為太陽風的干擾而變形，面向太陽一側形成弓狀，另一側被拉長。范艾倫輻射帶是當高能帶電粒子闖入地球磁層，有些會被地球磁層捕獲，形成一個包圍地球外圍的強輻射帶。 圖2-3 28

地球磁層 范艾倫輻射帶 高能帶電粒子闖入地球磁層，被地球磁層捕獲，形成包圍地球外圍的強輻射帶 范艾倫輻射帶含有高能量的輻射粒子，可能會對太空船等產生危害 《教材內容》 廣闊的太陽系中，除了各種星體之外，還充滿著來自太陽的帶電荷高能粒子－太陽風，以及來自外太空的宇宙射線。對於這些肉眼難見，卻又時時入侵的天外訪客，地球也有一套防護機制，那就是地球磁層。 地球的內部就像磁鐵般在地球外圍形成大致對稱的地球磁場（圖2-3）。然而，地球磁場在與太陽風的交互作用下形成地球磁層，磁層的形狀在太陽風的吹襲下，面向太陽的一側形成弓狀，另一側則被拉長（圖2-3）。由於地球磁層的存在，使得太陽風和宇宙射線這樣的高能帶電粒子幾乎不能到達地球表面，從而保護了地球表面的生物。如果這些高能帶電粒子順著磁力線溢入地球極區上空，激發大氣高層的氣體，就會產生美麗的極光（圖2-4）。 當高能帶電粒子闖入地球磁層，有些會被地球磁層捕獲，形成一個包圍地球外圍的強輻射帶（圖2-3），這個輻射帶由范艾倫（James A. Van Allen，1914〜，美國）所帶領的團隊於1958年所發現，就被稱之為范艾倫輻射帶。因為這個范艾倫輻射帶含有高能量的輻射粒子，可能會對太空船等產生危害，人類進行太空探測活動時要特別小心防範。 29

2-2 從地球看星空 認識星空：天球和星座 恆星的亮度與顏色 恆星的視運動 宇宙 視星等與絕對星等 恆星顏色與表面溫度 周日運動 周年運動 星系、星雲、星團 銀河系 《教學建議》 本章有一使用星座盤的活動，建議老師可以讓學生由認識星座盤開始，認識星座、進而旋轉星座盤認識星座的運動。 在認識與使用星座盤前，可以請同學說出自己所認識的星座，順道帶出八十八個星座的分野。 結束星座盤的操作活動，在回頭利用課本的圖2-5和圖2-6講述地球所見的星座不過是在天球上的投影，此時已經由平面的運動轉為立體空間的轉動，不過皆以觀測者以地球為出發點所見的運動。 要解釋星等或星色概念前，先請同學觀察並說出照片的發現〈也可以看圖2-9〉，教師可以歸納出有些星點看起來大（亮），有些星點小（暗）；有些顏色白，有些顏色紅；還有不均勻分布等現象，再推究現象的成因。並配合圖2-8 使學生了解視星等和絕對星等的差別。 30

認識星空：天球和星座 天球 以仰望的位置為中心點，天空看起來像是個巨大的圓球，群星好像鑲嵌在這圓球上，這個假想的圓球狀天空，就稱為天球 圖2-5 天球模型是以地球為中心的假想球，由地球赤道延伸出去的平面在這天球上的交界線稱為天球赤道，而太陽在天球上運行的軌跡稱為黃道。 黃道面? 《短片內容》 天球(0分57秒) 公共電視自然公園宇宙的奧秘影片剪輯 星座(0分59秒) 公共電視自然公園宇宙的奧秘影片剪輯 《教材內容》 晴朗無月的夜晚，在無光害的郊區仰望天空，可以看到滿天亮暗不同的星星構成一幅璀璨的星圖。以仰望的位置為中心點，天空看起來像是個巨大的圓球，群星好像鑲嵌在這圓球上，這個假想的圓球狀天空，就稱為天球（圖2-5）。 天上的繁星如恆河沙數，密密麻麻，數量眾多，廣佈天際，要一顆顆辨識恐怕有困難，因此，自古以來，不同的民族發揮其想像力，將天上的群星劃分出許多區域並賦予名稱，就是所謂的星座。舉例而言，西方人稱的「獵戶星座」（圖2-6），相當於中國人的「參宿」；而西方的「天蝎」星座，則包含了中國人所稱的「商宿」。 西方的星座大多以神話故事中的人物、動物或是器具名稱來命名，國際天文聯合會在1930年為了統一這些劃分和名稱，訂定了八十八個星座和名稱，為國際所通用。 事實上，每一個星座內的星星雖然屬於同一個星座，各個成員卻分散在宇宙中不同的部位，和地球之間的距離差異頗大，這是因為投影在天球面的時候，這些星星恰巧出現在視線上的同一方向而已。換句話說，在視覺上看成群聚在同一星座的星星，實際上並沒有真正聚集在宇宙的某個角落，更不意味著它們有任何起源和演化上關係，以北斗七星為例，這七顆星星離地球遠近不一，只是由地球看去，它們在天球上的投影恰巧形成一個斗杓形狀（圖2-7）。 31

認識星空：天球和星座 星座 自古以來不同民族發揮想像力將天上群星劃分出許多區域並賦予名稱 國際天文聯合會統一星座的名稱和範圍，全天共分為88個星座 每一個星座內的星星雖然屬於同一個星座，各個成員卻分散在宇宙中不同的部位，和地球之間的距離差異頗大 《短片內容》 天球(0分57秒) 公共電視自然公園宇宙的奧秘影片剪輯 星座(0分59秒) 公共電視自然公園宇宙的奧秘影片剪輯 《教材內容》 晴朗無月的夜晚，在無光害的郊區仰望天空，可以看到滿天亮暗不同的星星構成一幅璀璨的星圖。以仰望的位置為中心點，天空看起來像是個巨大的圓球，群星好像鑲嵌在這圓球上，這個假想的圓球狀天空，就稱為天球（圖2-5）。 天上的繁星如恆河沙數，密密麻麻，數量眾多，廣佈天際，要一顆顆辨識恐怕有困難，因此，自古以來，不同的民族發揮其想像力，將天上的群星劃分出許多區域並賦予名稱，就是所謂的星座。舉例而言，西方人稱的「獵戶星座」（圖2-6），相當於中國人的「參宿」；而西方的「天蝎」星座，則包含了中國人所稱的「商宿」。 西方的星座大多以神話故事中的人物、動物或是器具名稱來命名，國際天文聯合會在1930年為了統一這些劃分和名稱，訂定了八十八個星座和名稱，為國際所通用。 事實上，每一個星座內的星星雖然屬於同一個星座，各個成員卻分散在宇宙中不同的部位，和地球之間的距離差異頗大，這是因為投影在天球面的時候，這些星星恰巧出現在視線上的同一方向而已。換句話說，在視覺上看成群聚在同一星座的星星，實際上並沒有真正聚集在宇宙的某個角落，更不意味著它們有任何起源和演化上關係，以北斗七星為例，這七顆星星離地球遠近不一，只是由地球看去，它們在天球上的投影恰巧形成一個斗杓形狀（圖2-7）。 32

圖2-6 獵戶星座與天蝎星座 圖2-6 獵戶星座與天蝎星座 《補充資料》 有關獵戶座的神話及傳說相常多，在希臘神話裡奧利安（Orlon）是海神波塞頓（Poseidon）之子，長得高大、健壯且英俊，他除了擅長打獵外，還從父親那裡學得一身游泳的本頷，他愛上了太陽神阿波羅（Apollo）的妹妹，就是司月亮與狩獵的女神阿緹密斯（Artemis），但是阿波羅並不贊同他們兩人相愛，有一次當奧利安在海中游泳時，他就誘使阿緹密斯練習射箭，因而誤射奧利安致死，女神悲傷之餘，就請求天神宙斯（Zeus）將奧利安送到天上成為星座。另外有一個傳說是奧利安時常誇口吹噓說，他是世界上最偉大的狩獵專家，任何動物沒有不向他低頭的，天后希拉（Hera）聽了很生氣，為了要懲罰他的大言不慚，就派了一隻毒蠍子去螫死他，後來兩者都成為天上的星座，但是每當天蝎座從東方地平線昇起時，獵戶座就躲進西方地平線下，兩星座在天球上相隔一百八十度左右。 我國也有類似的傳說，有一對兄弟名叫參和商，因為相處不睦，時常爭吵不休，最後鬧到兄弟鬩牆，天帝大怒，將他們彼此分開，把參放在冬季星座的參宿（在獵戶座），把商放在夏季星座的心宿（在天蝎座），讓他們各居東西一方，永不相會。後來對於久不相遇，或者相隔遙遠等，常喻為「參商」，如杜甫「贈衛八處士」詩中有「人生不相見，動如參與商」，就是由這個典故來的。 資料來源：中央氣象局資訊服務網站 圖2-6 獵戶星座與天蝎星座 33

小百科：中國星座 中國星座：四象天球圖和三垣四象圖 《教材內容》 小百科 中國星座 中國星座的劃分可遠溯到周朝以前，大致上是依照官位或民間器物名稱來命名，分為三垣二十八宿（音ㄒㄧㄡˋ），這二十八宿又可分為蒼龍、朱雀、白虎、玄武四大部位，稱做四象。 中國星座：四象天球圖和三垣四象圖 35

視星等與絕對星等 亮度與視星等(星等) 光度與絕對星等 愈亮的星星等級愈小 一等星與六等星差五個星等，亮度差為一百倍 恆星亮度和光度成正比、距離平方成反比 光度與絕對星等 把每個星星的位置都修正到距離地球32.6光年的位置上來比較，在這樣的距離上所得到的星等就稱為絕對星等 太陽視星等為－26.7星等，絕對星等為＋4.78星等 《教材內容》 希臘天文學家希巴卡斯（Hipparchus，190〜120BC，希臘）把他肉眼所見的一千多顆星分成六等，最亮定為一等星，次亮的定為二等星，肉眼幾乎無法辨識的則定為六等星。愈亮的星星等級愈小，愈暗的星星等級愈大。 經由近代精確的測量可知一等星的亮度是六等星亮度的一百倍。現代人以希巴卡斯所定的一等星做為基準，發現還有星星更亮，只好訂定「零等星」，甚至還有「負等星」。 看起來比較亮的星星可能是因為它本來的發光強度就比較大，但也可能它離地球的距離比較近，看起來就比較亮。因此，以觀測所見亮度所定出來的星等也就稱為視星等，簡稱星等。 要真正比較星體的發光強度，就需要修正距離所造成的假象，天文學家把每個星星的位置都修正到距離地球一樣的位置（32.6光年）上來比較，在這樣的距離上所得到的星等就稱為絕對星等（圖2-8）。如果我們知道一顆恆星與地球的距離，根據它的視星等就可以推算出絕對星等來。 以我們最熟悉的太陽為例，太陽的視星等是－26.7星等，但是絕對星等卻只有＋4.78星等，因此在地球上的我們認為太陽無比燦爛，但是在宇宙之中，太陽並不算是一顆很亮的恆星。 圖2-8 36

圖2-8 視星等與絕對星等 圖2-8 視星等與絕對星等之示意圖（距離非按照實際比例表示，圓球大小代表發光強度的大小） 《圖表說明》 天文學家把每個星星的位置都修正到距離地球一樣的位置（32.6光年）上來比較，在這樣的距離上所得到的星等就稱為絕對星等。太陽的視星等是－26.7等，但是絕對星等卻只有＋4.78等。 絕對星等數值愈小者，發光能力愈強。 太陽的視星等數值最小，看起來最亮，北極星視星等數值最大，看起來最暗。但是如果將這三顆恆星都放在距離地球32.6光年的位置上，則太陽看起來最暗、北極星看起來最亮。 圖2-8 視星等與絕對星等之示意圖（距離非按照實際比例表示，圓球大小代表發光強度的大小） 37

恆星顏色與表面溫度 恆星顏色也有多彩的變化，像天狼星呈藍白色，獵戶座肩上的參宿四則泛紅，這是因為星球表面溫度高低的不同 恆星是發光體，星光顏色代表了星球的表面溫度，藍白色的星體溫度最高，紅色的星體溫度最低，而太陽的表面溫度介於中間，看起來偏黃色 《教材內容》 恆星不僅亮度有明顯的差異，就連顏色也有多彩的變化，像天狼星呈藍白色，獵戶座肩上的參宿四則泛紅（圖2-9）。 這是因為星球表面溫度高低的不同，就像在爐火中鍛燒的鐵塊，溫度低時並不發光，溫度較高時則呈現暗紅色，溫度更高後轉為橙紅，再來金黃，到了「爐火純青」的時候火焰就顯現炙熱的藍白顏色。 星球既然是發光體，星光顏色也就代表了星球的表面溫度，藍白色的星體溫度最高，紅色的星體溫度最低，而太陽的表面溫度介於中間，看起來偏黃色（圖2-10）。 圖2-10 恆星的顏色所對應的溫度 38

《教學建議》 要解釋星等或星色概念前，先請同學觀察並說出照片的發現〈也可以看圖2-11〉，教師可以歸納出有些星點看起來大（亮），有些星點小（暗）；有些顏色白，有些顏色紅；還有不均勻分布等現象，再推究現象的成因。並配合圖2-9 使學生了解視星等和絕對星等的差別。 《圖表說明》 冬季大三角，其中參宿四發出紅光（溫度約三千度），天狼星發出白光（溫度約一萬度）。 一般來說，恆星表面溫度由高到低排列的話，星色依序為藍、白、黃、紅。 圖2-9 冬季大三角 39

周日運動 日月星辰每天都由東方升起、西方落下，這種星空每日的規律運行稱為周日運動 天體本身並沒有每天繞地球轉一圈，而是地球由西向東繞軸自轉，每天自轉一圈 北極星非常接近地球自轉軸與天球的交點，因此沒有東昇西落的現象 自地平線到北極星的仰角也大約等於觀測者所在地的緯度，而不同緯度的觀測者所能見到的星空也不相同 《教材內容》 星星在天球上的投影，因地球的自轉與公轉而時時遷移。 太陽、月亮、星星每天都是由東方升起、西方落下，這種星空每日的規律運行稱為「周日運動」（圖2-11）。其實，天體本身並沒有每天繞地球轉一圈，而是地球本身由西向東繞軸自轉，每天自轉一圈。 將攝影機面向天空，經過長時間曝光所累積的恆星移動軌跡可以發現這些恆星都繞著同一個中心點作規律性的運動，這個中心點是地球自轉軸與天球的交點，北極星非常接近這個交點，它和鄰近的星座不會隨著周日運動大幅度移動，因此在北半球各地看北極星，沒有東昇西落的現象。而且自地平線到北極星的仰角也大約等於觀測者所在地的緯度，而不同緯度的觀測者所能見到的星空也不相同（圖2-12）。 40

圖2-11 周日運動 B A’ B’ A 30∘ 30∘ 天北極 假設每顆恆星軌跡弧所對應的圓心角為30∘ 《圖表說明》 由於地球自轉軸對準北極星附近(天球北極)，所以北極星看似不動，而所有的星座都繞著北極星旋轉。 地球由西向東每天自轉一周，所以星座每天由東向西繞北極星一周，速率則與地球自轉相同，平均每小時繞北極星轉15度。 相機對準北方天空不動，長時間曝光可以得到星跡照片。圖中每顆星的軌跡弧線固然不同，但是每條弧線所對應的圓心角應該都一樣。 《自訂動畫說明》 利用北極星可以判斷北方，面對北方天空時，觀察者右手邊方向為東、左手邊向西。 地球由西向東自轉，星座由東方升起、西方落下。 圖上任選兩顆恆星開始拍攝時的位置(A、B)和拍攝結束時的位置(A’和B’)，以北極星(天北極)為中心所繞行的弧線雖然長短不同，可是軌跡弧線所對應的圓心角相同。 假設每顆恆星軌跡弧所對應的圓心角為30∘，代表本幅照片拍攝曝光時間約為2小時。 假設每顆恆星軌跡弧所對應的圓心角為30∘ 代表本幅照片拍攝曝光時間約為2小時。 360 ∘ /24 hrs=15 ∘ ← 西 東 → 北 圖2-11 朝向北極星的周日運動，攝於合歡山。 41

圖2-12 不同緯度所見星空不同 《圖表說明》 圖2-12 不同緯度所見星空不同 42

周年運動 天上的星除了因地球自轉造成的移動外，各個季節也會出現不同的星座。以一年為週期，週而復始，稱為周年運動 由於地球的自轉與繞太陽的公轉同時進行，地球以太陽為參考點自轉一周的周日運動過程，實際上會比轉三百六十度還要多轉一度，而這個時間大約需要四分鐘，使同一顆星每天升起的時間提早四分鐘左右 地球每年繞太陽公轉一圈，相對應看到太陽每個月會經過一個黃道星座 《教材內容》 天上的星除了因地球自轉造成的移動外，各個季節也會出現不同的星座。以一年為週期，週而復始，稱為「周年運動」，舉例而言，中國古代或古希臘都注意到獵戶星座（參宿）出現在北半球的冬天，而到了夏天則換成天蝎星座（商宿）。「參宿」與「商宿」，一個是冬季星座，另一個是夏季星座，永遠不會同時出現，這是因為地球公轉的關係，使得我們看到的星座因季節不同而異，難怪詩人杜甫會以「人生不相見，動如參與商」來形容人與人多年暌違不遇的景況。 由於地球的自轉與繞太陽的公轉同時進行，地球以太陽為參考點自轉一周的周日運動過程，實際上會比轉三百六十度還要多轉一度，而這個時間大約需要四分鐘，這個效應使同一顆星每天升起的時間提早四分鐘左右（圖2-13）。所以世界各地的觀測者看到的星空隨著不同地理位置，在不同的季節，即使在相同的時刻觀測星空，天空出現的星座都不相同。 地球每年繞太陽公轉一圈，相對應看到太陽每個月經過一個星座，太陽每年繞行一圈的路徑共分為十二個星座，稱為黃道十二星座（圖2-14）。 43

圖2-13 同一顆星每天提早四分鐘升起 《圖表說明》 圖2-13 地球上的觀測者在隔一個太陽日的兩次正午之間，由於地球也在公轉軌道上由第一天的位置(A)運行到第二天的位置(B)，所以地球自轉一週之後，還要多轉約1度，太陽才會通過子午線；因而，每一天星球要比前一天提早4分鐘升起。 360∘/365天～1 ∘ 44

圖2-14 黃道十二星座 《圖表說明》 圖2-14 黃道十二星座。中心的星球為太陽，軌道為地球繞太陽公轉軌道。春天三、四月間太陽在雙魚座，表示三、四月間的夜晚是看不到雙魚座。 45

圖2-15 哈伯太空望遠鏡觀測距離230萬光年遠處的仙女座星系（左上圖），透過對其外圍突起的銀暈部位（左上圖藍色方框的天域）所拍得的宇宙深空影像，除了可看到許多較明亮的屬於本銀河的恆星和許多仙女座星系的恆星外，也看到許多宇宙深處的遙遠星系。 《短片內容》 哈伯的發現(1分16秒) Discovery 宇宙之旅影片剪輯 《教學建議》 利用圖2-11，認識宇宙面貌。也利用圖2-12 的銀河系結構圖，點出疏散星團與球狀星團的分布位置和特徵。 《圖表說明》 透過哈伯太空望遠鏡累積250幅影像，總曝光時間超過三天所攝得的宇宙深空影像（圖2-11），呈現的只是一小部分疊合著不同時空背景的宇宙圖案。影像中除了銀河系內的恆星和仙女座大星系外圍的恆星外，也呈現出距離由數百萬光年，甚至到數十億光年遠的星系。 哈伯太空望遠鏡長期觀測的二百三十多萬光年處的仙女座大星系周圍附近的宇宙深空影像，影像左方且明亮恆星的十字光芒是來自望遠鏡的光學系統，並非恆星本身發光造成的現象，模糊非圓點或圓點大多是星系，而有些白圓點是屬於仙女座大星系銀暈附近的恆星，也有一部分是夾在地球與仙女座大星系之間的恆星。 往各方向望去，宇宙的任一角落，都如同這幅影像所呈現的，是一幅幅由距離遠近不同的天體所組成的影像。相對而言，太陽系所屬的銀河系只是眾多星系中的一員，而太陽也不過是銀河系二千多億顆恆星中的一顆尋常亮度的發光星體。地球在這浩瀚宇宙中就宛如滄海一粟，是那麼的渺小。 46

宇宙 宇宙 宇宙的組織 vs. 地球在宇宙中的位置 │ (超星系群) (星系群) 星系 恆星 (星團,星雲) 行星 (小行星,彗星) 衛星 本星系群 銀河系 太陽╮ 地球 月球╯ 宇宙 │ (超星系群) (星系群) 星系 恆星 (星團,星雲) 行星 (小行星,彗星) 衛星 太 陽 系

星系、星雲、星團 星系─由恆星、星團、星際雲氣、塵埃組成的大集團；是構成宇宙的基本單位 星系團─宇宙中發光物質的分布不甚均勻，有成群聚集的現象，形成星系團 《教材內容》 圖2-15是透過哈伯太空望遠鏡總曝光時間超過三天累積250幅影像所攝得的。這幅宇宙深空影像呈現的只是一小部分疊合著不同時空背景的宇宙圖案。影像中除了有銀河系內的恆星和仙女座大星系外圍的恆星外，也呈現出距離地球數百萬光年，甚至到數十億光年遠的星系。 在廣達一百多億光年範圍內的浩瀚宇宙中，充滿了無數的星系。這些星系是由恆星、星團、星際雲氣、塵埃等組成的大集團。星系有大有小，平均約有百億顆恆星，是構成宇宙的基本單位。由目前可觀察到的星系分布來看，宇宙中發光物質的分布不甚均勻，有成群聚集的現象，形成星系團。 48

星系 依外觀可分為三大類型： 橢圓星系 螺旋星系(正型、棒狀) 不規則星系 咱們的銀河系是屬於……

橢圓星系 (NGC4486)

螺旋星系 (仙女座大星系) 棒狀螺旋星系 (NGC1365) 正型螺旋星系 (M33)

不規則星系 (大麥哲倫星系) (小麥哲倫星系)

本星系群 一個星系群 包括銀河系和鄰近三十幾個星系

超星系群 由幾十個星系群聚集而成 大熊座星系群 本星系群 室女座星系群

宇宙

地球在宇宙中的位置

銀河系 銀河系是直徑達十萬光年的螺旋狀星系，大致可分為銀河盤面、中央核球、銀暈三部分。銀河系的主要成員除了恆星之外，還有星雲及星團 太陽系位於獵戶座旋臂上 銀河系中恆星分布並不均勻 疏散星團分布在銀河盤面附近，球狀星團結構分布在銀暈範圍內 位於銀河盤面的星際雲氣和塵埃所組成的瀰漫天體叫做星雲，沒有一定形狀、大小 《教材內容》 銀河系的其他星球延綿成一條銀白的光帶，好像天上一條波光閃閃的河流，我國自古稱之為「天河」或「銀河」，西方人則稱之為「牛奶大道」(Milky Way)，在夏夜星空中，橫亙於人馬、天鵝星座之間光帶是銀河中最寬廣的一段（圖2-16）。 銀河系是個直徑達十萬光年的螺旋狀星系，大致可分為三部分：銀河盤面、中央核球、銀暈。銀河系的主要成員除了恆星之外，還有星雲及星團，分述如下：太陽系位於獵戶座旋臂上，距銀河中心大約二萬八千光年。銀河系中恆星分布並不均勻，從橫斷面看（圖2-17），在銀河系的中心核球區域的恆星尤其密集，而在銀河盤面外，恆星的數量則愈少。 有些恆星會受到彼此之間重利的影響而聚集成團，星團是由超過10個以上且較集中的恆星成員所組成的集團，星團依照成員的多寡、結構鬆緊和空間分布，可分為疏散星團和球狀星團兩類。疏散星團的結構比較鬆散（圖2-18），球狀星團的結構緊密呈球形，中心部分比邊緣更為密集（圖2-19）。疏散星團多分布在銀河盤面附近，年紀較輕；球狀星團多分布在銀暈範圍內，年紀較老。 銀河盤面包含有銀河系中絕大部分的星際塵埃與氣體，這些由星際塵埃和氣體所組成的瀰漫天體叫做星雲。星雲沒有一定的形狀、大小（圖2-20）。 57

圖2-16 人馬座附近的銀河 58

圖2-17 銀河系縱剖面圖 圖2-17 銀河系之縱剖面圖(A)及正視圖(B) 《圖表說明》 在晴朗的夜空裡，我們可以看到橫亙於人馬、天鵝、仙后和大犬星座之間，同屬於銀河系的其他星球延綿成一條銀白的光帶，好像天上一條波光閃閃的河流，我國自古稱之為「天河」或「銀河」，西方人則稱之為「牛奶大道」(Milky Way)。 銀河系是個直徑達十萬光年的螺旋狀星系，大致可分為三部分：銀河盤面、中央核球、銀暈。銀河系的主要成員除了恆星之外，還有星雲及星團。太陽系位於獵戶座旋臂上，距銀河中心大約二萬八千光年的地方。從橫斷面看（圖2-17），在銀河系的中心核球，恆星尤其密集，而在銀河盤面外，恆星的數量則愈少。 圖2-17 銀河系之縱剖面圖(A)及正視圖(B) 59

圖2-18 昴宿星團 《圖表說明》 星團是指由超過10 個以上且較集中的恆星成員所組成的集團，集團內各成員則受到彼此之間重力的影響。 星團依照成員的多寡、結構鬆緊和空間分布，可分為疏散星團和球狀星團兩類。疏散星團的結構比較鬆散(圖2-18)，球狀星團的結構緊密呈球形，中心部分比邊緣更為密集(圖2-19)。疏散星團多分布在銀河盤面附近；球狀星團多分布在銀暈範圍內。 圖2-18 疏散星團：昴宿星團俗稱「七姐妹」星團，約有100多顆成員星，肉眼可見到六、七顆亮星，在亮星附近仍有很多氣體和塵埃。 60

圖2-19 武仙座M13球狀星團 圖2-19 球狀星團：武仙座M13球狀星團的視星等為6等，視力特別好的人恰可以肉眼辨認。 《圖表說明》 星團依照成員的多寡、結構鬆緊和空間分布，可分為疏散星團和球狀星團兩類。疏散星團的結構比較鬆散(圖2-18)，球狀星團的結構緊密呈球形，中心部分比邊緣更為密集(圖2-19)。疏散星團多分布在銀河盤面附近，年紀較輕；球狀星團多分布在銀暈範圍內，年紀較老。 圖2-19 球狀星團：武仙座M13球狀星團的視星等為6等，視力特別好的人恰可以肉眼辨認。 61

圖2-20 獵戶座大星雲 圖2-20 獵戶座大星雲 《圖表說明》 銀河盤面包含有銀河系中絕大部分的星際塵埃與氣體，這些由星際塵埃和氣體所組成的瀰漫天體叫做星雲。星雲沒有一定的形狀、大小（圖2-20）。 圖2-20 獵戶座大星雲 62

下 圖22-24分別是昴宿星團、仙女座大星系M31、天琴星座的影像。 下列選項何者正確？(應選二項) 圖22 昴宿星團 圖23 仙女座大星系M31 圖24 天琴星座 (A)仙女座大星系M31屬於銀河系，是三者中最大的系統 (B)仙女座大星系M31不屬於銀河系，是三者中最大的系統 (C)昴宿星團屬於銀河系，是三者中最大的系統 (D)昴宿星團不屬於銀河系，是三者中最大的系統 (E)天琴星座中，肉眼可見的恆星都屬於銀河系 (F)天琴星座中，肉眼可見的恆星有些不屬於銀河系 (B)(E)

太陽是一顆穩定的恆星，能源主要來自氫融合反應，這類恆星屬於主序星。 而另有一類體積約為太陽百萬倍以上的恆星，稱為超巨星。 織女星的亮度為0.01星等，太陽的亮度為－26星等， 參宿四的平均亮度約為0.8星等（變星，星等變化範圍為0.4～1.3）。其 中織女星是藍色主序星，太陽是黃色主序星，參宿四是紅色超巨星。 天文學家將天體置於32.6光年處所看到的亮度，稱為「絕對星等」。 依據以上資料，判斷下列哪一選項的敘述是正確的？ (A)織女星的表面溫度最高，太陽的絕對星等數値最小 (B)太陽的表面溫度最高，織女星的絕對星等數値最小 (C)參宿四的表面溫度最高，太陽的絕對星等數値最小 (D)織女星的表面溫度最高，參宿四的絕對星等數値最小 (E)參宿四的表面溫度最高，織女星的絕對星等數値最小。 　解答　 D

(1)BD;(2)DG;(3)A 1.飛馬座附近的X彗星，其視星等是8.6。大明、小華、大琳、小美四人相約攜帶不同類型的望遠鏡 （如下表所示）與相關天文觀測器材資料到山上觀測。回答下列三題： (1)已知望遠鏡放大倍率為物鏡焦距與目鏡焦距的比值， 下列有關他們四人經由望遠鏡可以看到的彗星影像放大倍率的敘述，何者正確？ 　(A)大明最大可看到8倍影像　(B)小華最大可看到125倍影像　 (C)大琳最大可看到100倍影像　(D)小美最大可看到7倍影像　(E)小美最大可看到350倍影像。答：______。 (2)他們四人當中，何人的望遠鏡口徑最小﹖ 已知物鏡口徑越大，能收到的光線越多，則何人所看到的X彗星最明亮？（應選二項）答：______。 (1)BD;(2)DG;(3)A

(1)BD;(2)DG;(3)A (3)如果不考慮地球大氣擾動的影響，下表中有關光學望遠鏡口徑大小、聚光力、解析力的配對， 何者正確？答：______。 (1)BD;(2)DG;(3)A

圖片出處 章首　　 http://ipac.jpl.nasa.gov/media.images/large_jpg/sirtf/SIRTF_departure.jpg。 2-1　　　http://www.kidsastronomy.com/ solar_system.htm。 　　　　 http://www.kidsastronomy.com/.../ solar_index_main.jpg。 2-2　　　牛頓雜誌128期，1993年12月，P82。 2-3b　　 http://www.pparc.ac.uk/Nw/Magnetosphere.jpg。 2-4　　　陳鈞嗣拍攝。 P29小　 李寶文，宇宙‧天圖，香港：商務印書館，P104～105。 2-6　　　David H. Levy，1996，Sky Watching，Time-Life Inc.，P194, 195、 P208, 209。 2-9　　　http://www.grandeye.com.hk/gallery/gallery.html。 2-10　　 David H. Levy，1996，Sky Watching，Time-Life Inc.，P91。 2-11　　 呂其潤拍攝。 2-15　　 http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2003/15/image/a+warn。 2-16　　 王靖華拍攝。 2-17(A)　Ken Dobson,John Holman and Michael Roberts，2001，Holt Science Spectrum: A Physical 　　　　 Approach，Holt,Rinehart and Winston 。 2-17(B)　Koufmann/comins，P317。 2-18　　 Michael A. Seeds， 1999， Foundations of Astronomy， Wadsworth Publishing Company， P205。 2-19　　 R. Robert Robbins, William H. Jefferys，Stephen J. Shawl，1995，Discovering Astronomy，3rd 　　　　 ed.，John Wiley & Sons Inc.， P11。 2-20　　 Michael A. Seeds， 1999， Foundations of Astronomy， Wadsworth Publishing Company， P235。 P40延　 Michael A. Seeds，1994，Foundations of Astronomy，Wadsworth Publishing Company，P366。 作2～4　 王靖華提供。

太陽 距離地球：約1億5千萬公里 稱為1天文單位(1AU) 組成：約¾氫氣、¼氦氣、極少數的其他元素 溫度：核心─約1500萬K，表面─約6000K 結構：不均勻，從中心向外依次為 日核、輻射層、對流層、大氣層 (大氣層又分為光球、色球、日冕) 表面活動：黑子、日珥、閃焰

太陽

日核 進行核融合反應： 4H→1He+能量 因質量損失而產生巨大的能量(光、熱)， 向外的熱輻射壓力與太陽本身向內的重力收縮達平衡，維持今日太陽的大小。 預估太陽可再維持50億年的發光發熱， 當H消耗完之後，太陽會如何？嘿嘿~~

光球 平時看到的太陽表面 很亮、黃色 (絕對不可直視太陽) 溫度約6000K 下一頁

光球 上方有許多的小亮點，稱為〝米粒組織〞。 亮的地方表示高溫氣體上升，暗的地方表示低溫氣體下沉，此處有對流作用。 稱為『黑子』。(待續) 為溫度較低的區域， 此一大團黑黑的地方， →

色球、日冕 比光球暗很多，必須在日全食時才能看到。 日冕的物質會游離成離子(帶正電)。 大氣層越外層，密度越小，溫度卻逐漸增加。 就造成極光。 隨地球磁場落至地球時， 當它傳至地球附近， 稱為『太陽風』。 隨磁場活動向外流失， 太陽外圍游離的氣體，

黑子 黑子是溫度僅約4500K的區域。 黑子是磁場很強的區域，也是太陽表面活動劇烈的區域。 黑子週期(數量、分布位置)：11年(蝴蝶圖) 太陽活動極盛期=黑子極大期(多)

日珥 發生日全食時，可看到太陽周圍衝出暗紅色火焰般的圓弧狀噴出物，稱為日珥。 日珥是一些游離氣體，受強烈磁場作用所發生的現象。 可存在兩、三星期或一個月的時間，然後消失

閃焰 太陽表面突然激衝而出的烈焰(游離的氣體)，稱為閃焰。 太陽活動極盛期時，閃焰爆發次數較多。 可在幾小時內漸漸歸於平淡。 對地球的影響： (1)使極光更絢麗 (2)干擾地球上的 短波通訊。 (磁暴)

太陽系 一個以太陽為中心的行星系統 太陽系的成員包括： 1.太陽 2.九大行星：類地行星、類木行星、冥王星 3.小行星：在火星(類地)和木星(類木)之間 4.彗星