地球概論第二節(jié)

1、East China Normal UniversityEast China Normal University圖2-1 恒星的空間速度及其兩個(gè)分量：視向速度和切向速度（自行）。第三節(jié) 恒星和星系恒星一、 恒星及其自行q 定義q 恒星空間速度的兩個(gè)分量：視向速度和切向速度q 恒星自行恒星的自行速度，一般都小于每年0.1，迄今只發(fā)現(xiàn)有400余顆恒星的自行超過(guò)每年1。圖2-2 北斗七星的自行及形狀變化East China Normal UniversityEast China Normal University二、恒星的發(fā)光和光譜q 恒星的發(fā)光v 恒星演化史上某個(gè)階段的現(xiàn)象；v 要有巨大的質(zhì)量。q

2、 恒星的光譜v 恒星的光譜反映恒星溫度的高低；v 光譜中的吸收線和發(fā)射線反映恒星化學(xué)組成(化學(xué)組成大同小異,主要成分是氫)。East China Normal University三、 多普勒效應(yīng)四、 恒星亮度和光度q 恒星的亮度：恒星的明暗程度q 星等：視星等m和絕對(duì)星等Mv 視星等是亮度等級(jí)；絕對(duì)星等是光度等級(jí)；v 星等越小，亮度越大。East China Normal Universityq 連續(xù)幾個(gè)星等的亮度成幾何級(jí)數(shù) 若相鄰兩星等的亮度比率(級(jí)數(shù)的公比)為R，則 R5 =100 5lgR=2 lgR = 0.4 R=2.512v 星等相差1等,恒星的亮度相差2.512倍 ；v 星等以

3、等差級(jí)數(shù)增大，亮度以等比級(jí)數(shù)遞減；v 太陽(yáng)的亮度是一等星亮度的(2.512)27.74=1300億倍。East China Normal Universityv 假設(shè)有兩個(gè)恒星,其亮度為E和E0，星等為m和m0。則： E/E0=2.512m-m0 （2-1） 兩邊取對(duì)數(shù),且有 lg2.512=0.4，得： lgE0-lgE=0.4(m-m0 ) m-m0=2.5(lgE0- lgE) （2-2） 如果取零等星(m0=0)的亮度E0=1，則 m=-2.5 lgE （2-3） v 普森公式，根據(jù)恒星的亮度E推算星等m。圖2-3 光源的視亮度與其距離的平方成反比，距離增加1倍，亮度便減為1/4Eas

4、t China Normal Universityv 天文學(xué)的距離單位 天文單位，光年，秒差距； 為了比較不同恒星的光度，必須移到同一 距離上，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)距離為10秒差距，合32.6光年； 1秒差距206 265天文單位； 太陽(yáng)是恒星世界的普通一員。East China Normal UniversityEast China Normal University 標(biāo)準(zhǔn)距離10秒差距下的恒星亮度稱絕對(duì)亮度，其星等稱絕對(duì)星等： 光源的視亮度與其距離平方成反比； 實(shí)際距離d、視星等m，10秒差距時(shí)的亮度Em和絕對(duì)星等M。設(shè)EM表示絕對(duì)亮度，Em表示視亮度，由公式(2-1)得： EM/Em=2.512(m

5、-M) 恒星亮度與距離平方成反比，如以秒差距為單位，則：EM/Em= d2/102 d2/102 =2.512(m-M) East China Normal University兩邊取對(duì)數(shù)，且有l(wèi)g2.512=0.4，則：2lgd-2=0.4(m-M ) m-M =5lgd-5M=m+5-5lgd （2-4）只要測(cè)定恒星的絕對(duì)星等，便可求知該星的距離。East China Normal UniversityEast China Normal University光譜-光度圖通常也叫赫羅圖。它以恒星的光譜型（或溫度）為橫坐標(biāo)，以它的光度（或絕對(duì)星等）為縱坐標(biāo)，每顆恒星按照各自的光譜型和光度，在圖

6、上占有一定的位置。太陽(yáng)位于主星序的中部，可見它是一顆很典型的恒星。圖2-4 光譜-光度圖圖2-5 恒星大小的比較East China Normal University六、 恒星的演化 現(xiàn)代天體物理學(xué)最大的成就之一就是基本上說(shuō)明了恒星演化和元素演化兩個(gè)重要問(wèn)題。發(fā)生發(fā)生 發(fā)展發(fā)展 衰亡衰亡 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化East China Normal UniversityEast China Normal Universityq 恒星是由星云凝聚而成。彌漫星云在自引力的作用下，收縮成比較密集的氣體引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能，內(nèi)部溫度升高并輻射能量向赫羅圖上某個(gè)主序位置移動(dòng)。質(zhì)量愈大，收縮愈快，達(dá)到主序的位置愈高（溫度高

7、，光度大）。East China Normal Universityq 恒星“移到”主序后，內(nèi)部溫度高到足以發(fā)生熱核反應(yīng)的程度熱核反應(yīng)代替引力收縮成為主要能源溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加快，恒星膨脹，排斥力足以同引力相抗衡恒星停止收縮，長(zhǎng)期穩(wěn)定依靠熱核反應(yīng)進(jìn)行輻射。q 一顆恒星在主序中的時(shí)間，占去其“生命” 的大半輩子；且在主序上逗留的時(shí)間，取決于其質(zhì)量的大小質(zhì)量愈大,引力愈強(qiáng)它必須維持較高的溫度和較久的輻射功率以與引力收縮抗衡它的氫燃料消耗更快，壽命更短。East China Normal Universityq 熱核反應(yīng)是在恒星的中心區(qū)域進(jìn)行的，那里的氫核燃料最先燃盡，逐漸形成一個(gè)由氦組成的核，停止

8、釋放能量。氫燃料的逐漸枯竭，是恒星在結(jié)構(gòu)上逐漸發(fā)生變化的前奏。q 隨著氦核的不斷增大，其引力收縮急劇增強(qiáng)，并釋放大量能量。結(jié)果，恒星的核心收縮（變得愈來(lái)愈致密和熾熱），外層膨脹（溫度降低而光度增大），成為一個(gè)非常巨大的具有“熱”核的“冷”星。從而恒星離開主星序，進(jìn)入紅巨星區(qū)域生命的“晚年”。East China Normal Universityq 在紅巨星階段，恒星的演化速度大大加快。中心區(qū)域的溫度和密度因收縮而繼續(xù)升高，到1億攝氏度時(shí)開始進(jìn)行由氦核聚為碳核的新一輪熱核反應(yīng)；氦燒完后，溫度繼續(xù)因收縮而升高，原子核再聚變產(chǎn)生更重的元素能量有限，到了“垂暮之年”，一旦核反應(yīng)終止，對(duì)引力的抗衡全線

9、崩潰自行坍塌。East China Normal Universityq 紅巨星收縮時(shí)，核心部分收縮最猛烈，外部處在較弱的引力下。核心溫度因猛烈收縮而急劇上升，由此掀起的熱浪會(huì)把外層氣殼拋掉，剩下一顆致密和熾熱的白矮星以后逐漸變冷，變成又小又暗的黑矮星終其一生。East China Normal Universityq 并非所有恒星都經(jīng)歷如此“平靜”的演化道路。q 那些質(zhì)量和體積特別巨大的恒星，演化的最后階段會(huì)發(fā)生爆炸超新星爆發(fā)。如留下“殘骸”的質(zhì)量足夠大（1.43.2倍太陽(yáng)質(zhì)量），便會(huì)“一落千丈”地坍塌為中子星（于1967年發(fā)現(xiàn)，1978年發(fā)現(xiàn)了300顆以上）。East China Norm

10、al Universityq 恒星在核能耗盡后，如質(zhì)量仍超過(guò)2倍的太陽(yáng)質(zhì)量，則平衡態(tài)不再存在，星體將無(wú)限收縮。連核力也將在引力作用前面低下頭來(lái)，中子也會(huì)坍塌，形成所謂的“黑洞”。q 目前沒(méi)有密度大于1015克/厘米3的物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)法推測(cè)星體的具體結(jié)構(gòu)，但根據(jù)理論可以推斷：星體的半徑將愈來(lái)愈小，密度將愈來(lái)愈大，終于達(dá)到臨界點(diǎn)引力之大足以使一切粒子、包括光子，都不能外逸，因而謂之黑洞。East China Normal University星 系一、 銀河與銀河系q 同一事物的兩個(gè)不同現(xiàn)象v 銀河系是以銀河命名的星系（形似圓盤）；v 銀河是銀河系主體在天球上的投影（環(huán)天光帶）。q 銀河系總質(zhì)

11、量：大約是太陽(yáng)質(zhì)量的1400億倍；v 星數(shù)：12千億顆。East China Normal Universityq銀河系結(jié)構(gòu)v 銀河系主體：圓盤體（直徑約8萬(wàn)光年）和銀暈；v 圓盤體：核球和銀盤；v 核球中心：銀核；v 銀核中心：銀心。圖2-6 銀河系結(jié)構(gòu)俯視圖：圖中十字符號(hào)代表銀心；三條短黃線是太陽(yáng)附近的三條旋臂圖2-7銀河系結(jié)構(gòu)側(cè)視圖圖中紅點(diǎn)代表太陽(yáng)）East China Normal UniversityEast China Normal University二、 太陽(yáng)在銀河系中的位置和運(yùn)動(dòng)q 位于銀道面附近。銀河為周天的環(huán)帶。太陽(yáng)在銀河系內(nèi)偏距銀盤的一側(cè)，向銀心所在方向，太陽(yáng)距銀盤邊緣

12、約6.4萬(wàn)光年；向銀心相反方向，太陽(yáng)距銀盤邊緣約1.6萬(wàn)光年。太陽(yáng)在銀河系中的的運(yùn)動(dòng)v 相對(duì)于銀心的旋轉(zhuǎn)，其速度為250km/s，繞轉(zhuǎn)周期為2.5億年；v 相對(duì)于鄰近恒星的運(yùn)動(dòng)：太陽(yáng)系以20km/s 的速度向武仙座方向（近織女星）前進(jìn)，此方向所指的點(diǎn)謂之奔赴點(diǎn)。三、 河外星系q 河外星系q 星系群q 星系團(tuán)q 總星系East China Normal UniversityEast China Normal University四、宇宙q 哲學(xué)宇宙v 宇宙無(wú)限；v 空間無(wú)限：無(wú)邊無(wú)際（無(wú)邊界，形狀和中心）；v 時(shí)間無(wú)盡：無(wú)始無(wú)終（無(wú)起源，年齡和壽命）。East China Normal Univ

13、ersityq科學(xué)宇宙：指總星系v 時(shí)間上有起源、空間上有邊界；v 大爆炸宇宙學(xué)：在宇宙膨脹理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)。East China Normal Universityq大爆炸宇宙學(xué)（1929年） （Big-bang cosmology）：在宇宙膨脹理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)。v 主要觀點(diǎn)：宇宙有一段由熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里，宇宙體系并不是靜止的。而是在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化。，這一從熱到冷，叢密到稀的過(guò)程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。East China Normal Universityv 大爆炸的整個(gè)過(guò)程： 在宇宙的早期，溫度極高，在 100 億度以上。物質(zhì)密度也相當(dāng)大，整個(gè)宇

14、宙體系達(dá)到平衡。宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。East China Normal University 但因?yàn)檎麄€(gè)體系在不斷膨脹，結(jié)果溫度在不斷下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時(shí)，中子開始失去自由存在的條件，它要么發(fā)生衰變，要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素?；瘜W(xué)元素就是從這一時(shí)期開始形成的。溫度進(jìn)一步下降到 100 萬(wàn)度后，早期形成化學(xué)元素的過(guò)程結(jié)束。East China Normal University 這時(shí)，宇宙間的主要物質(zhì)是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當(dāng)溫度下降到幾千度時(shí)，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)，氣體逐漸凝聚成氣云，再進(jìn)一步形成各種各樣的

15、恒星體系，成為我們今天看到的宇宙。East China Normal Universityv大爆炸模型能統(tǒng)一地解釋以下幾個(gè)觀測(cè)事實(shí)： 大爆炸理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的，因而任何天體的年齡都應(yīng)比溫度下降至今天這一段時(shí)間為短，即應(yīng)小于 200 億年。各種天體年齡的測(cè)量證明了這一點(diǎn)。East China Normal University 觀測(cè)到河外天體有系統(tǒng)性的譜線位移，而且紅移與距離大體呈正比。如果用多普勒效應(yīng)來(lái)解釋、那么紅移就是宇宙膨脹的反映。 在各種不同天體上，氦豐度相當(dāng)大，而且大都是 30%。用恒星核反應(yīng)機(jī)制不足以說(shuō)明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論，早期溫度產(chǎn)生很高，產(chǎn)生

16、氦的效率也很高，則可以說(shuō)明這一事實(shí)。East China Normal University 根據(jù)宇宙膨脹速度，以及氦豐度等，可以具體計(jì)算宇宙每一具體歷史時(shí)期的溫度。大爆炸理論的創(chuàng)始人之一的伽莫夫曾預(yù)言，今天的宇宙已經(jīng)很冷，只有絕對(duì)溫度幾度。1965年，在微波波段上，果然探測(cè)到具有熱輻射譜的微波背景輻射，溫度約3K。 上述觀測(cè)事實(shí)無(wú)論在定性上還是在定量上都同大爆炸理論的預(yù)言相符。但是，在星系的起源和各向同性分布等方面，大爆炸宇宙學(xué)還存在著一些未解決的困難問(wèn)題。East China Normal University五、 天文新發(fā)現(xiàn)East China Normal University第四節(jié)

17、太陽(yáng)和太陽(yáng)系East China Normal UniversityEast China Normal University太 陽(yáng)一、 太陽(yáng)的距離、大小和質(zhì)量q 日地平均距離：1.496 108km （即天文單位）q 大?。喊霃郊s700 000km（為地球半徑的109倍）q 表面積：地球表面積的12 000倍 q 體積：地球體積的1 300 000倍q 質(zhì)量：1.9891030kg（約為地球質(zhì)量的33萬(wàn)倍）East China Normal University二、 太陽(yáng)的熱能、溫度和熱源q 太陽(yáng)熱能v 太陽(yáng)常數(shù)：8.16J/(cm2min)；v 平均距離，太陽(yáng)直射，大氣界外；v 太陽(yáng)輻射總量

18、：3.826 1026J/s；v 地球所得：1.74 1017J/s（占22億分之一）。圖2-8 推測(cè)出的太陽(yáng)結(jié)構(gòu)與剖面示意圖East China Normal Universityq 太陽(yáng)是我們惟一能觀測(cè)到表面細(xì)節(jié)的恒星。直接觀測(cè)到的是太陽(yáng)的大氣層，它從里向外分為 光球色球日冕East China Normal Universityq太陽(yáng)溫度v 根據(jù)太陽(yáng)輻射熱量推算的溫度稱有效溫度；v 根據(jù)太陽(yáng)輻射光譜測(cè)定的溫度稱輻射溫度；v 太陽(yáng)光球溫度：5 770K ；v 太陽(yáng)中心溫度：15 000 000K；v 色球溫度：100 000K；v 日冕溫度：1 500 000K。East China No

19、rmal Universityq太陽(yáng)熱源v 產(chǎn)熱過(guò)程：熱核反應(yīng)（氫核聚變?yōu)楹ず耍籿 產(chǎn)熱方式：質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量；v 產(chǎn)能中心：在太陽(yáng)核心。East China Normal University四、 太陽(yáng)活動(dòng)：太陽(yáng)大氣各種變化的總稱（太陽(yáng)“天氣變化”）q 黑子：擾動(dòng)太陽(yáng)的明顯標(biāo)志。q 耀斑：擾動(dòng)太陽(yáng)的主要標(biāo)志，對(duì)地球的影響最強(qiáng)烈。q 磁暴：電離層干擾。產(chǎn)生極光。太 陽(yáng) 系一、 太陽(yáng)系的發(fā)現(xiàn) 地心說(shuō) 日心說(shuō)East China Normal University圖 2-9 以地球和行星共同繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋行星的視行，這是哥白尼日心說(shuō)的精髓East China Normal Universityq

20、開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律v 第一定律（軌道定律）：行星軌道都是橢圓；太陽(yáng)位于橢圓的焦點(diǎn)之一；v 第二定律（面積定律）：行星向徑在軌道平面上掃過(guò)的面積與時(shí)間成正比，即面速度不變 ；v 第三定律（周期定律）：兩行星周期平方之比，等于其距離立方之比： T12/T22=a13/a23East China Normal University圖 2-10 開普勒第二定律：面速度不變v 第一牛頓用萬(wàn)有引力定律，修正了第三定律：T12(M+m1)/ T22(M+m2)= a13/a23T1和T2分別表示兩行星的的公轉(zhuǎn)周期， a1和a2分別表示它們與太陽(yáng)的平均距離（即各自軌道的半長(zhǎng)軸）East China Norma

21、l Universityv 開普勒認(rèn)為，行星單純繞太陽(yáng)中心運(yùn)動(dòng)；v 牛頓認(rèn)為，行星和太陽(yáng)都繞它們的共同質(zhì)心；質(zhì)心的位置取決于二者的質(zhì)量比。v 開普勒廓清了行星軌道的幾何特征，指出了行星怎樣運(yùn)動(dòng)；獲得了“天空立法者”的美譽(yù)；v 牛頓解釋了行星運(yùn)動(dòng)的物理原因，回答了行星為什么這樣運(yùn)動(dòng)。至此太陽(yáng)系理論完全確立。East China Normal University二、 太陽(yáng)系的組成q 九大行星v 水星，金星，地球，火星，土星，天王星，海王星，冥王星。q 其他成分v 小行星，衛(wèi)星，彗星，流星體等。East China Normal University三、 行星q 按照軌道位置劃分v 以地球?yàn)榻绶譃?/p>

22、地內(nèi)行星和地外行星；v 以小行星帶為界分為內(nèi)行星和外行星。q 按物理性質(zhì)劃分v 類地行星和類木行星：類地行星：水星，金星，地球，火星距太陽(yáng)較近，質(zhì)量較小，平均密度高，以重物質(zhì)為主，溫度高；類木行星：木星，土星，天王星，海王星，離太陽(yáng)較遠(yuǎn)，質(zhì)量大，平均密度低，以輕物質(zhì)為主，溫度低。q 九大行星的軌道East China Normal University圖 2-11 行星的軌道大小q 行星的大小對(duì)比East China Normal University圖 2-12 行星的大小對(duì)比East China Normal University四、 彗星和流星體q 彗星本質(zhì)上是在偏心率很大的軌道上繞日運(yùn)

23、行的冰物質(zhì)q 彗星的奇特外貌是它通過(guò)近日點(diǎn)前后的暫時(shí)現(xiàn)象q 哈雷彗星East China Normal University圖2-13 哈雷彗星的軌道 5,200,000,000 kmEast China Normal University圖2-14 彗星的結(jié)構(gòu)q 短周期彗星與非周期彗星q 彗星的結(jié)構(gòu)v 慧核v 慧發(fā)v 慧尾 離子慧尾 塵?；畚?五、 流星和流星體q 流星 q 火流星 q 偶發(fā)流星 East China Normal University圖 2-15 下半夜的流星多而且明亮East China Normal University六、 太陽(yáng)系起源的星云假說(shuō)q 行星軌道的共同特征：

24、同向性，共面性，近圓性q 星云假說(shuō)的基本論點(diǎn)v 形成太陽(yáng)系的物質(zhì)基礎(chǔ)是彌散星云；v 形成太陽(yáng)系的動(dòng)力來(lái)源是自引力。q 意義：在“僵化的自然觀上打開第一個(gè)缺口” （恩格斯語(yǔ)）。2-16 太陽(yáng)系起源示意圖1 太陽(yáng)星云2 星云變成扁 球形3 原始太陽(yáng)和 圓環(huán)體 4 太陽(yáng)和行星 的形成5 太陽(yáng)系East China Normal UniversityEast China Normal University月 球 據(jù)測(cè)定，月球的地平視差為57 ，它與地球半徑r 和月地距離d 的關(guān)系為：csc57 = d/rd=rcsc57 = 60r即月地距離為地球半徑的60倍。第五節(jié) 月球和地月系圖 2-17 地平視

25、差天體位于天頂時(shí)，視差為零；天體位于地平時(shí)，視差最大，稱為天體的地平視差East China Normal University一、 月球的距離和大小q 月地平均距離：384 400公里q 半徑：1738公里，地球赤道半徑的27.25%q 表面積：地球表面積的7.4%q 體積：地球體積的2.03%q 質(zhì)量：7.1961022kg，地球質(zhì)量的1/81.3q 平均密度：3.34g/cm3，約為地球的60.5%q 月面重力加速度：1.622m/s2，約為地面的1/6East China Normal University二、 月球表面q 月海q 月陸q 環(huán)形山q 輻射紋q 月谷 三、 月面的物理狀況

26、q 月海，月陸，環(huán)形山q 沒(méi)有大氣，沒(méi)有水分，沒(méi)有生命地 月 系一、 地月系的繞轉(zhuǎn)East China Normal University圖2-18 月球和地球都繞它們的共同質(zhì)心而運(yùn)動(dòng)（共同質(zhì)心在地球內(nèi)部位置的變化）East China Normal Universityq 月球繞轉(zhuǎn)地球v 軌道形狀橢圓，偏心率0.0549 ；v 白道：月球軌道在天球上的投影；v 黃白交角：白道面相對(duì)于黃道面的交角 （5 9 ）；v 周期：27.32日（恒星月）；v 速度：角速度：33 /小時(shí)，線速度1.02km/s。 East China Normal Universityq 幾個(gè)概念v 恒星月：月球在白道上連續(xù)兩次通過(guò)同一恒星（無(wú)明顯自行）所需的時(shí)間：27.3217日。v 從這一次新月（或滿月）到下一次新月（或滿月）所經(jīng)歷的時(shí)間：29.5306日。v 近點(diǎn)月：以月球近地點(diǎn)為參考點(diǎn)，月球的公轉(zhuǎn)周期：27.5546日。v 交點(diǎn)月：以月球升交點(diǎn)（或降交點(diǎn)）為參考點(diǎn)，月球的公轉(zhuǎn)周期：27.2122日。East China Normal Universityq 依月球公轉(zhuǎn)周期可求出月球公轉(zhuǎn)角速度：36027