基础天文 Fundamental Astronomy 吴学兵 edu. cn phy. pku

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1 基础天文 Fundamental Astronomy 吴学兵 wuxb@pku. edu. cn http://www. phy. pku

2 第七讲 行星和小天体 太阳系概况 行星 矮行星、小行星、彗星、流星、陨石 太阳系外行星

3 太阳系除太阳外其他成员包括： 大行星: 水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星；矮行星：冥王星、谷神星、齐娜(Eris)等；及其卫星和众多的小行星、彗星、流星体以及弥漫的行星际物质。 其质量占太阳系总质量的0.13%

4 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
2、行星和卫星： 太阳系的主要成员 Mercury/Venus/Earth/Mars/Jupiter/Saturn/Uranus/Neptune 水 金 地 火 木 土 天 海 卫星： 环带： 有 有 有 有 矮行星：冥王星（Pluto），谷神星(Ceres)、齐娜(阋神星)（Eris） 3、小天体： 小行星、彗星、流星、陨石。

5 太阳系的起源与演化-1 太阳系的诞生地称为原始太阳星云，原为一大团炽热的、缓慢旋转的气体尘埃星云。由于引力的作用，它逐渐收缩、凝聚，同时旋转速度加快，逐渐形成一个“铁饼”状的星云团块，这个引力团块的核心部分形成了太阳； 那些远离星云中心的旋转气体环不断收缩，逐渐变冷。这些环系在运动中不断受到其他团块的撞击，分裂为许多行星，并逐渐形成行星系统，最后形成了太阳、大行星和无数小天体所组成的太阳系家族。

6 太阳系的起源与演化-2 另一学说认为，太阳系内的行星是由另一颗恒星与太阳相撞击后，从太阳分裂出一些物质形成的按照这种学说，太阳是我们地球的母体。 也有人认为，当太阳形成后，在轨道上遇到另一个由气体和尘埃组成的冷星云。由于太阳的吸引力，俘获了那个星云的部分物质，这些物质就绕太阳旋转，逐渐演化形成太阳系的行星系统。按照这种观点，太阳和地球不是“直系亲属”。

7 分类 类地行星 石质行星：水星 金星 地球 火星 体积小、密度大、中心有铁镍核、金属含量高、自转慢、卫星少。
类地行星 石质行星：水星 金星 地球 火星 体积小、密度大、中心有铁镍核、金属含量高、自转慢、卫星少。 类木行星 气态巨星：木星 土星 天王星 海王星 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。

8 水星（Mercury） 水星出现在太阳的附近，经常掩没在太阳光辉中。因为它离太阳的角距不超过28度（在18°~28°之间），古代称30度为一辰,所以我们祖先把水星叫做辰星。 5月14日东大距，距离太阳22度，日落时地平高度19度，亮度0.3等

9 水星的自转周期是58.65天（地球日），绕日公转一周为87.97天（地球日），水星的“一年”的时间等于它的“一天半”的时间。
水星离太阳的平均距离只有约5791万km。直径4879.4km,约是地球的1/3。水星的质量为3.3×1023kg，仅为地球的5.5%。水星上的表面引力是地球引力的0.4倍。 水星的自转周期是58.65天（地球日），绕日公转一周为87.97天（地球日），水星的“一年”的时间等于它的“一天半”的时间。 水星 半径1740km 半径6380km 半径2440km

10 水星绕日的公转轨道是椭圆，离太阳有时近，有时远，所以我们看起来时亮时暗，平均视星等为-1.9等。
由于水星很靠近太阳，加上它的一昼夜大约是地球上的88天，白昼日照时间很长，因而，在水星表面赤道区域，白昼的温度高达+350℃，而在夜间的温度降至－170 ℃左右。

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13 金星（Venus） 金星是最亮的行星，可达－4.4等。
金星距离太阳约10820万km。直径 km,它的体积为地球的0.86倍。金星自转一周是–243.02天（负号表示逆转）。金星的绕日公转的周期是224.7天。赤道面与黄道面的夹角为177°.4 。在金星上的一个恒星日是243.02天，而它的一个太阳日是117天（地球日）。 金星

14 金星有浓密的大气，高温而且有腐蚀性，温度高达 450℃以上，气压高出地球的近百倍。大气中还频繁的出现闪电现象。 金星的温度一般都在465℃～485℃之间，有90个大气压，这相当于地球的海底深900米处的压力。 金星的云层主要集中在40-65公里高度，33公里以下的大气就清澈了。 金星大气中二氧化碳居多，达到97%以上，还有近3%的氮和很少量的水蒸气、一氧化碳等。

15 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

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17 地球（Earth） 地球的赤道半径a= km；地球中心到两极的极半径 c= km ，也就是说地球是赤道略凸，两极处稍扁的椭球体，其平均半径 R= km；地球的扁率 (a-c)/a = 。 平均密度为5.518g／cm3 。质量是Ｍ=5.967×1024kg。

18 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(Ionosphere) 的温度、压力随地球高度的变化

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20 一、月球的基本参量 1、平均距离：384401 Km （363297——405501） 2、直径：3476 Km R月＞1／4R地；
月亮(Moon)－地球的卫星 一、月球的基本参量 1、平均距离： Km （363297——405501） 2、直径：3476 Km R月＞1／4R地； ＜亚洲面积 3、质量： 7350亿亿吨(7.35 x 1022 kg), 1/80 M地

21 火星（Mars） 中国古代称火星为惑星或荧惑。火星最亮时的视星等为-2.01等，最暗时为1.5等。
火星绕日的轨道椭圆率为0.093,火星近日点的距离为1.38A.U.,远日点距离太阳为1.67A.U.。火星的公转周期是686.98天（地球日），自转周期是 天。赤道面与黄道夹角为24°。 火星比地球小,其半径为3397km ,约为0.53个地球半径.可以推算火星的体积大约是地球体积的七分之一。 火星的质量约为6.4×1023kg，是地球质量的10.8％，其表面重力不及地球的十分之四。

22 由于火星大气稀薄而干燥，使火星表面的昼夜温差变化很大，白天赤道附近最高可达20℃，晚上最低温度降到-80℃。
火星的大气远比地球大气稀薄，气压仅为地球大气压的0.5 ％ ～0.8 ％ 。其主要成份是二氧化碳，占95％;氮占 3％，水汽仅占0.01％。火星云层的主要成分是干冰。 由于火星大气稀薄而干燥，使火星表面的昼夜温差变化很大，白天赤道附近最高可达20℃，晚上最低温度降到-80℃。 火星的土壤有大量的氧化铁，由于大气中的尘埃是棕红色的氧化物，所以天空也呈现橙红色。 火星有两颗小卫星。 火卫一 火卫二

23 火星 火星半径为3397km , 约为0.53个地球半径

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25 火星表面有大量的氧化铁物质，呈现出“赤地千里”的景色
火星上的著名的奥林匹斯大火山 火星上大峡谷里的雾- 海盗飞船拍摄

26 在地球上发现的Murchison 火星陨石的局部放大图像
1984年在南极洲发现的ALH84001火星陨石 火星陨石上有原始生命的微化石？

27 木星（Jupiter） 木星的体积和质量都是九大行星中最大者,它的赤道半径为71,500km，是地球的11.2倍，极半径是66,900km。它的体积是地球的1400倍。木星的质量约1.9×1027kg，为地球质量的318倍。 木星距离太阳的平均距离是 77,833万km，公转周期是 天（地球日），约12年。在九大行星中它的自转速度最快，木星的赤道旋转速度最快，自转周期为9h50m,高纬度区的自转速度慢些,约9h55m,即木星的自转是较差自转,赤道快，两极区慢，这也说明它不是固体球.

28 木星有浓厚的大气，大气下面是液态的海洋，可以说木星是个液体的行星。
木星大气里氢占82％,氦占17％,其余是甲烷、氨等气体分子。目前尚未找到木星大气存在水的证据。在已经探测过的区域，大气十分干燥。木星大气存在狂风和湍流，在云层深处161km，风速达150m/s，还探测到有比地球上的雷电强10倍的木星雷电。 木星也有一个光环，由许多直径几十米到几百米的大大小小石块组成。

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30 地球 木星赤道半径为71,500km，是地球的11.2倍

31 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

32 木星有67颗卫星， 包括4颗最大的伽利略卫星（1610年发现）
木卫二 木卫一 木卫三 木卫四 Io(直径3650km) Europa(3121km) Ganymede(5262km) Calisto(4820km) 木星有67颗卫星， 包括4颗最大的伽利略卫星（1610年发现） 月亮(半径1738km)

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34 土星（Saturn） 土星离太阳的平均距离为9.5A.U.，其赤道半径为60,168km，是地球半径的9倍，极半径只有54,000km。
土星的体积和质量都仅次于木星，体积是地球的745倍。质量是5.7×1026kg,为地球质量的95倍。土星的密度是大行星中最小，平均密度仅为700kg/m3,比水的密度还低。 土星的公转周期是10,759.5天(地球日),约为29.5个地球年。土星的自转类似于木星,自转快而且存在较差,赤道自转周期是10h10m。由于自转很快,扁率为0.09 ,是大行星中扁率最大的。 土星是天上较亮的行星，它的平均视星等为0.67等.

35 土星和木星类似，在大气下面没有岩石的表面，是液态的。
在地球上通过望远镜看到的一些平行于赤道的亮暗条纹，那是土星的大气流形成的和赤道平行的云带。土星的大气成分主要是氢，此外有甲烷和氨。由于土星表面的温度最低为-180℃,因此大气中的氨和甲烷都冻结成微小的晶体，形成云带，层层包围着土星，并绕着土星运动。 云层之下是液态的分子氢。土星表面有时也会出现明亮的卵形白斑。土星像木星一样，自身也发射热量。 土星有62个卫星，最大的为土卫六(Titan)，直径5150km。

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37 土星赤道半径为60,168km，是地球半径的9倍 地球

38 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

39 土星卫星中最大的一个，也是太阳系第二大卫星。荷兰物理学家、数学家、天文学家惠更斯在1655年3月25日发现，是继木星伽利略卫星后发现的第一颗卫星。平均半径2575km。
土卫六 卡西尼－惠更斯号探测器在2005年1月14日登陆土卫六。

40 天王星（Uranus） 天王星是1781年英国的一位音乐教师，天文爱好者，后来成为伟大的天文学家威廉.赫歇耳（William Herschel）用自制望远镜发现的。天王星离太阳的平均距离约为29亿km，约19A.U.。因为它离地球很远,所以只有在冲日前后,当它的天顶距不很大时才被肉眼勉强看到(视星等约6.5等) 天王星的直径约51,118km，是地球直径的4倍。天王星的质量为地球的14.5倍,平均密度为1300kg/m3。天王星的公转周期是30,685天（地球日），大约为84个地球年。 天王星的自转很特殊，自转周期是17.2小时，自转轴几乎就在公转的轨道面上，行星的赤道面与轨道面的交角约98°；而且它自转方向和金星一样，也是由东向西的。 William Herschel，his sister Caroline Herschel and son John Herschel, were all famous astronomers

41 天王星的表面上包围着很厚的大气层，地面观测难以看清。由行星探测器探测得知天王星的大气的主要成分是由氢和氦组成。
天王星光环：1977年3月10日发生天王星掩食恒星的天象，高空和地面的光电测光资料都表明，天王星并未掩星，恒星是被天王星的光环所掩。从而发现了天王星有光环。1986年1月，“旅行者2号”证实了天王星至少有10个光环。环的总宽度约为7000km，环间间隙很大，环本身很窄，最宽处只有80~90km，窄处只有20km。光环也是由石头、尘埃颗粒和冰块组成的。

42 天王星的直径约51,118km，是地球直径的4倍 地球

43 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。共有29颗卫星。

44 海王星（Neptune） 海王星离太阳比较远，看起来比较暗弱，亮度约 7.8等。
海王星的发现是先由天体力学理论推算出来，后来用望远镜寻找发现了它。这是英国剑桥大学毕业两年的学生，只有26岁的亚当斯（John Couch Adams）于1845年9月根据天王星的运动规律，算出了这颗未知行星的位置和质量。同年夏季法国的勒威耶（Urbain Le Verrier）也独立计算，确认天王星之外有一颗未知的行星。1846年德国柏林天文台的台长伽勒（Johann Galle）在他们推算的天区，发现了海王星。

45 海王星距离太阳遥远，约有30A.U.。 它的直径是49,492km，是地球直径的3.9倍，体积是地球的57倍。海王星的质量约为17.1个地球质量。平均密度为1600kg/m3。 海王星的绕日公转周期是60,190天（地球日），约165地球年，它的平均自转周期是 天，赤道的自转周期为16.5小时,两极的自转周期为14.2小时。自转轴与轨道面交角约65°12′，与地球差不多，因此海王星上也应有四季变化。每个季节长达41个地球年。 用望远镜观测海王星，看到它是个蓝绿色的圆球状天体，较高的反射率,表明它有浓密的大气层。大气的主要成分有甲烷和氢。

46 海王星有14颗卫星(海卫一Triton最大，半径1353km)，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

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48 海王星直径是49,492km，是地球直径的3.9倍 地球

49 矮行星 In 2006, when the International Astronomical Union (IAU) reviewed Pluto‘s status as the solar system’s 9th planet. Pluto（冥王星） was subsequently demoted to dwarf planet. The IAU defines a dwarf planet as a celestial body that, within the Solar System: is in orbit around the Sun; has sufficient mass for its self-gravity to overcome rigid body forces so that it assumes a hydrostatic equilibrium (near-spherical) shape; has not cleared the neighborhood around its orbit; and is not a satellite

50 冥王星 失去行星地位 在2006年8月24日召开的国际天文学联合会上，400多名天文学家以投票表决的方式，将冥王星“淘汰”出了行星行列，降级为“矮行星”； 按照新的定义， 冥王星失去了行星的资格，因为它没能清除它轨道附近的天体(冥王星和海王星的轨道存在交叉)。冥王星转而被归为“矮行星” 。至此，冥王星失去了70多年的行星资格。太阳系又恢复到了8颗行星的状态。

51 矮行星： 冥王星（Pluto）和卡戎(Charon)及其它2颗卫星 冥王星于1930年发现,2006年前一直视为第九行星
与太阳平均距离59亿千米(40AU)。直径约为2370千米，质量1.290×10²² 千克。公转周期约248年，自转周期6.387天。表面温度在-220℃以下。冥王星有5个卫星。卡戎(冥卫一)直径1208公里。 2015年7月14日，新视野号探测器飞越冥王星

52 矮行星——谷神星（Ceres） 1801年发现的第一个小行星 直径约1000公里 “黎明”号2015年拍

53 比冥王星还重的齐娜 Eris (Xena，齐娜,阋神星) was discovered in It is believed to be slightly more massive than Pluto and follows a highly eccentric orbit that alternately brings it as close as the orbits of Neptune and Pluto and as far as over twice Pluto's furthest distance from the Sun. It was the discovery of Eris that prompted the re-evaluation of Pluto as a planet.

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55 太阳系内小天体—小行星 大多数小行星的形状是不规则的，只有少数小行星是球形。小行星的表面的反照率各不相同，说明它们的组成物质是不同的。反光能力大的是石质小行星，反光能力差的是碳质小行星。有些小行星还有一个甚至多个卫星。 绝大多数小行星分布在火星和木星轨道之间（在2.17~3.64 A.U.之间）的小行星带。个别小行星因受外界的干扰，不在小行星带内运动。有的运动到地球轨道，甚至金星轨道以内，这些近地小行星称为阿波罗型小行星。

56 小行星轨道的偏心率和倾角的平均值为 e =0. 15; i=9°

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58 近地小行星 A、阿坦型 （Aten） a＜1AU 远日距略大于1.0AU， B、阿波罗型（Apollo） a：1.08—4.2AU
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） a＜1AU 远日距略大于1.0AU， B、阿波罗型（Apollo） a：1.08—4.2AU 近日距＜1AU C、阿莫尔型（Amor） a＞1AU， 近日距≥1AU

59 彗星 彗星主要由冰块、尘埃组成，当它逐渐接近太阳时，本身的冰雪、尘埃体被蒸发、升华而形成彗头和彗发，彗头的中央部分叫彗核，外面包围着叫彗发。在彗发的外面还包围着氢原子云，称为彗云或氢云。

60 彗星 当彗星接近太阳，过近日点附近时，太阳的辐射压和太阳风把从彗星蒸发出来的气体推向背离太阳的后方，形成一条或数条彗尾。
细长的彗尾，主要由电离的离子、气体分子组成，叫离子彗尾，这种彗尾呈兰色。短粗而且弯曲的彗尾，主要由尘埃粒子组成，叫尘埃彗尾，这种彗尾呈现黄褐色。有的彗星两种彗尾兼而有之，如海尔-波普彗星。

61 彗星的体积庞大，但质量很小，从几十亿吨到数亿亿吨，平均密度与水接近。彗核直径一般为几百米到十几千米。彗星的物质主要集中在彗核。彗发延伸在彗头之外长度不同，有些彗尾长达数亿千米。如1843Ｉ彗星的尾巴长达3.2亿km，超过火星公转轨道的半径 。 据彗星的光谱观测分析，可知彗星物质的化学成分主要是由水（H2O）、氨（NH3）、甲烷（CH4）、氰（C2N2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）等物质组成。近年来通过射电观测发现，彗星上还存在着氰化氢（HCN）等有机化合物的分子和多种离子。 冰水一类物质是构成彗星的主要成分，约占80%。彗星每经过一次近日点，就被太阳蒸发及本身升华和扩散，就要损失0.1% 到1%的质量，加之向外有喷流效应，其上的物质损失很快。

62 彗星轨道 三种轨道： e＝1； 抛物线轨道 40% e＜1； 椭圆轨道 49% e＞1； 双曲线轨道 11% 周期彗星：（椭圆轨道）
1986年回归时拍摄的哈雷彗星，周期76年 三种轨道： e＝1； 抛物线轨道 % e＜1； 椭圆轨道 % e＞1； 双曲线轨道 % 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。

63 1994年7月17日苏梅克-列维9号彗星撞木星（彗星断裂成21个碎块（其中最大的一块宽约4公里），以每秒60公里的速度连珠炮一般向木星撞去）

64 流星 流星物质（运行在行星际空间的尘埃和固体块）进入地球大气，大约在80～115km的高空开始磨擦、燃烧、发光，在70～50km的地方烧尽，在这期间，流星的速度达到12～72km/s。据天文观测研究表明，进入地球大气的流星体的颗粒大小不一。 一般的流星体，密度都极低，大约是水的密度的1/20，流星体是一种多孔性的松散结构的固体。许多流星体通过大气时在很低的压力下就破碎，这种现象正说明它们是由易碎的和多孔的松脆物质所组成的。 火流星：特别明亮的，质量较大的为流星体，与流星的区别：在于亮度；亮度不仅与质量相关，也与速度相关。 根据流星光谱的资料，可以认证出流星中有氢、氮、氧、钠、镁、铝、钙、铬、镍等的中性原子及镁、硅、钙、铁等的电离原子。速度不同的流星含的原子和电离原子也有差异。

65 流星的分类 1）偶发流星： 2） 周期流星：（又称流星雨）
单个、零星的流星，出现的时间和方位是随机的，在晴朗无月的夜晚，一个人每小时大约可看见10颗左右。 2） 周期流星：（又称流星雨） 每年大致以相同日期、从空中某一点向四面八方辐射，少则几千颗，多则上万颗。流星群是周期彗星散射的质点或由瓦解的彗核形成的。彗星瓦解后，其物质分布在轨道上但不均匀，当地球穿过这些物质时就会发生流星雨。 1966年狮子座流星雨

66 流星雨

67 陨 石 大流星体在陨落中与地球大气的相互作用特别强，形成明亮的“火流星”。流星体因大气的阻尼而减速，不完全烧蚀，其残骸落到地面，成为“陨石”或“陨星”。有时，爆裂的陨石碎块像雨似的落下，称为“陨石雨”。 陨石和陨铁

68 美国亚利桑那洲，温斯洛的大陨石坑 月亮陨石ALH84001与火星陨石EFTA79001

69 2013年2月15日俄罗斯车里亚宾斯克州陨石雨 造成逾百人受伤

70 太阳系外围的柯伊伯带(Kuiper Belt)与奥尔特云(Oort Cloud)
柯伊伯带:1992年被 发现,距太阳30-50AU 奥尔特云: 大小约5万AU

71 “较正确”的 太阳系知识 太阳系由内围四个较像地球的较小行星，和外围四个较像木星的庞大行星组成，两组行星间有一条小行星带，而海王星之外，还有一组叫柯伊伯带的小星群，及彗星的故乡奥尔特云。 太阳系由八个行星及卫星 、一些“矮行星”及“小天体”组成。 “八个行星”:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星 “矮行星”:首批成员有谷神星(Ceres)、冥王星(Pluto)和齐娜(Eris、2003 UB313）三个天体 “ 小天体”: 其它环绕太阳运行的天体

72 太阳系外行星(Exoplanets) 1995年首次被发现，目前已发现1342 planetary systems / 2098 planets / 509 multiple planet systems Detection Methods: Direct methods(difficult): Images of the planet Spectra of the planet Indirect methods (commonly used): Radial Velocity(Doppler technique)(视向速度) Transit（掩食） Microlensing(微引力透镜) Earth-like planets

73 历年发现数目

74 Kepler卫星 NASA's first mission capable of finding Earth-size planets around other stars，launched on March 6, 2009 Precisely measures the light variations from thousands of distant stars, looking for planetary transits Spacebased Photometer: 0.95-m aperture Primary mirror: 1.4 meter diameter

75 思考题 太阳系的成员包括哪些天体？ 八大行星中，哪些为类地行星？哪些为类木行星？它们有哪些明显不同？
简单叙述一下火星的大气和温度情况？你认为火星上有可能存在生命吗？ 太阳系的矮行星和小天体各包括哪些？把冥王星不列为大行星有哪些理由？ 发现太阳系外行星的方法主要有哪几种？画出Kepler卫星发现系外行星方法的示意图。