第2章地球的宇宙環(huán)境

第2章地球的宇宙環(huán)境

第3節(jié)恒星和星系

第4節(jié)太陽和太陽系第5節(jié)月球和地月系地球上的經(jīng)線和緯線

地球上的方向和距離地球—地心—地軸—北極和南極—經(jīng)線和緯線—赤道和本初子午線

上章回顧地球上的方向地球上的距離⑴地平；⑵有關(guān)方向的最初定義：我國古代定義正南方為正午太陽所在的方向，日出為東（非正東），日沒為西（非正西）；⑶地平方向和十二地支、方向與時辰；⑷有關(guān)方向的第二個規(guī)定：地球自轉(zhuǎn)方向向東；⑸地球自轉(zhuǎn)與時針方向：北極上空看，逆時針；南極上空看，順時針；⑹地球上的南北方向東西方向；⑺“亦東亦西”與“非東即西”。⑴角距離⑵線距離①海里：經(jīng)線1分的弧長（1圓周360°，1°=60′）②公里：經(jīng)線1分的弧長（1圓周400°，1°=100′）③華里：經(jīng)線1°之長的1/200（1圓周400°）經(jīng)度與緯度緯度：線面角地理緯度：本地法線（即該點的鉛垂線或大地水準(zhǔn)面的法線）與赤道面的交角。地心緯度：地面一點與地心連線同赤道面的夾角。范圍及書寫方式：0°S～90°S，0°N～90°N。本地子午線平面與本初子午線平面的夾角。范圍與書寫方式：0°W～180°W，0°E～180°E。地理坐標(biāo)地理坐標(biāo)的作用：表示某一特定地點的地理位置；表示各個地點之間的方向和距離。地理坐標(biāo)的讀取與書寫：緯度在前，經(jīng)度在后。例：墨卡托投影圖沒有角度變形，常作航空、航海圖。經(jīng)度：二面角天球天穹和天球天球上的基本點和圈天球上的方向與距離天球的視運動天穹：人們直接觀測到的半球形的天空。天球：是一個假想的以觀測者或地心為球心，任意長為半徑的球形天空。地心天球與日心天球地平圈與天頂、天底地平圈：通過天球中心，垂直于觀測者所在地的鉛垂線的平面同天球相交的大圓圈，叫做地平圈SWNE。天頂和天底（Z、Z'）：地平圈的兩極，鉛垂線向上和向下延長同天球的交點。天軸、天極與天赤道子午圈：過天頂、天底和天極的大圓四正點與上點、下點：黃道與黃極、二分二至圈南北方向：由南、北天極決定東西方向：參考地球上的方向左手定則天球上的距離：角距離天球的周日視運動方向：自東向西，與地球自轉(zhuǎn)方向相反周日繞轉(zhuǎn)中心：天北極周日運動路線：周日圈（周日平行圈）周年運動：⑴太陽周年運動方向：自西向東，與地球公轉(zhuǎn)方向相同視行路線：黃道⑵星空季節(jié)變化本節(jié)學(xué)習(xí)重點恒星和星云；星座和星空；恒星的發(fā)光和光譜；恒星的亮度和光度；恒星的多樣性；銀河和銀河系；太陽在銀河系中的位置和運動；總星系；無限的宇宙太陽的距離、大小和質(zhì)量；太陽的熱能、溫度和熱源；太陽的大氣；太陽的活動；太陽系的行星和衛(wèi)星；行星的繞日公轉(zhuǎn)；類地行星和類木行星；彗星；流星體；太陽系的起源問題月球的距離和大?。辉虑蚝偷卦孪档睦@轉(zhuǎn)；月相和朔望月；面上的自然條件第三節(jié)恒星和星系恒星一、恒星及其自行定義恒星空間速度的兩個分量：視向速度和切向速度恒星自行 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每年1″。圖2-2

北斗七星的自行及形狀變化二、恒星的發(fā)光和光譜恒星的發(fā)光恒星演化史上某個階段的現(xiàn)象；要有巨大的質(zhì)量。恒星的光譜恒星的光譜反映恒星溫度的高低；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)。三、多普勒效應(yīng)四、恒星亮度和光度恒星的亮度：恒星的明暗程度星等：視星等m和絕對星等M視星等是亮度等級；絕對星等是光度等級；星等越小，亮度越大。連續(xù)幾個星等的亮度成幾何級數(shù)若相鄰兩星等的亮度比率(級數(shù)的公比)為R，則

R5=1005lgR=2

lgR=0.4R=2.512星等相差1等,恒星的亮度相差2.512倍；星等以等差級數(shù)增大，亮度以等比級數(shù)遞減；太陽的亮度是一等星亮度的(2.512)27.74=1300億倍。假設(shè)有兩個恒星,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=-2.5lgE

（2-3）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1/4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，這個標(biāo)準(zhǔn)距離為10秒差距，合32.6光年；1秒差距＝206265天文單位；太陽是恒星世界的普通一員。標(biāo)準(zhǔn)距離10秒差距下的恒星亮度稱絕對亮度，其星等稱絕對星等：光源的視亮度與其距離平方成反比；實際距離d、視星等m，10秒差距時的亮度Em和絕對星等M。設(shè)EM表示絕對亮度，Em表示視亮度，由公式(2-1)得：

EM/Em=2.512(m-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)

兩邊取對數(shù)，且有l(wèi)g2.512=0.4，則：

2lgd-2=0.4(m-M

)

m-M

=5lgd-5

M=m+5-5lgd

（2-4）只要測定恒星的絕對星等，便可求知該星的距離。五、恒星的多樣性單星，雙星，星團(tuán)變星，新星，超新星巨星，超巨星，白矮星脈沖星，中子星光譜-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（或絕對星等）為縱坐標(biāo)，每顆恒星按照各自的光譜型和光度，在圖上占有一定的位置。太陽位于主星序的中部，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明了恒星演化和元素演化兩個重要問題。發(fā)生→發(fā)展→衰亡→轉(zhuǎn)化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→向赫羅圖上某個主序位置移動。質(zhì)量愈大，收縮愈快，達(dá)到主序的位置愈高（溫度高，光度大）。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，熱運動加快，恒星膨脹，排斥力足以同引力相抗衡→恒星停止收縮，長期穩(wěn)定依靠熱核反應(yīng)進(jìn)行輻射。一顆恒星在主序中的時間，占去其“生命”的大半輩子；且在主序上逗留的時間，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。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，逐漸形成一個由氦組成的核，停止釋放能量。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。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（變得愈來愈致密和熾熱），外層膨脹（溫度降低而光度增大），成為一個非常巨大的具有“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”。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，對引力的抗衡全線崩潰→自行坍塌。紅巨星收縮時，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。并非所有恒星都經(jīng)歷如此“平靜”的演化道路。那些質(zhì)量和體積特別巨大的恒星，演化的最后階段會發(fā)生爆炸——超新星爆發(fā)。如留下“殘骸”的質(zhì)量足夠大（1.4~3.2倍太陽質(zhì)量），便會“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）。恒星在核能耗盡后，如質(zhì)量仍超過2倍的太陽質(zhì)量，則平衡態(tài)不再存在，星體將無限收縮。連核力也將在引力作用前面低下頭來，中子也會坍塌，形成所謂的“黑洞”。目前沒有密度大于1015克/厘米3的物質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)，無法推測星體的具體結(jié)構(gòu)，但根據(jù)理論可以推斷：星體的半徑將愈來愈小，密度將愈來愈大，終于達(dá)到臨界點→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。星系一、銀河與銀河系同一事物的兩個不同現(xiàn)象銀河系是以銀河命名的星系（形似圓盤）；銀河是銀河系主體在天球上的投影（環(huán)天光帶）。銀河系總質(zhì)量：大約是太陽質(zhì)量的1400億倍；星數(shù)：1～2千億顆。銀河系結(jié)構(gòu)銀河系主體：圓盤體（直徑約8萬光年）和銀暈；圓盤體：核球和銀盤；核球中心：銀核；銀核中心：銀心。圖2-6銀河系結(jié)構(gòu)俯視圖：圖中十字符號代表銀心；三條短黃線是太陽附近的三條旋臂圖2-7銀河系結(jié)構(gòu)側(cè)視圖圖中紅點代表太陽）二、太陽在銀河系中的位置和運動位于銀道面附近。銀河為周天的環(huán)帶。太陽在銀河系內(nèi)偏距銀盤的一側(cè)，向銀心所在方向，太陽距銀盤邊緣約6.4萬光年；向銀心相反方向，太陽距銀盤邊緣約1.6萬光年。太陽在銀河系中的的運動相對于銀心的旋轉(zhuǎn)，其速度為250km/s，繞轉(zhuǎn)周期為2.5億年；相對于鄰近恒星的運動：太陽系以20km/s的速度向武仙座方向（近織女星）前進(jìn)，此方向所指的點謂之奔赴點。三、河外星系河外星系星系群星系團(tuán)總星系四、宇宙哲學(xué)宇宙宇宙無限；空間無限：無邊無際（無邊界，形狀和中心）；時間無盡：無始無終（無起源，年齡和壽命）?？茖W(xué)宇宙：指總星系時間上有起源、空間上有邊界；大爆炸宇宙學(xué)：在宇宙膨脹理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。大爆炸宇宙學(xué)（1929年）

（Big-bangcosmology）：在宇宙膨脹理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。主要觀點：宇宙有一段由熱到冷的演化史。在這個時期里，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，叢密到稀的過程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。大爆炸的整個過程：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，整個宇宙體系達(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)。但因為整個體系在不斷膨脹，結(jié)果溫度在不斷下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時，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)元素就是從這一時期開始形成的。溫度進(jìn)一步下降到100萬度后，早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束。這時，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，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恒星體系，成為我們今天看到的宇宙。大爆炸模型能統(tǒng)一地解釋以下幾個觀測事實：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間為短，即應(yīng)小于200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。觀測到河外天體有系統(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)生氦的效率也很高，則可以說明這一事實。根據(jù)宇宙膨脹速度，以及氦豐度等，可以具體計算宇宙每一具體歷史時期的溫度。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，只有絕對溫度幾度。1965年，在微波波段上，果然探測到具有熱輻射譜的微波背景輻射，溫度約3K。

上述觀測事實無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題。五、天文新發(fā)現(xiàn)EastChinaNormalUniversity第四節(jié)太陽和太陽系太陽一、太陽的距離、大小和質(zhì)量日地平均距離：1.496×108km（即天文單位）大小：半徑約700000km（為地球半徑的109倍）表面積：地球表面積的12000倍

體積：地球體積的1300000倍質(zhì)量：1.989×1030kg（約為地球質(zhì)量的33萬倍）二、太陽的熱能、溫度和熱源太陽熱能太陽常數(shù)：8.16J/(cm2·min)；平均距離，太陽直射，大氣界外；太陽輻射總量：3.826×1026J/s；地球所得：1.74×1017J/s（占22億分之一）。圖2-8推測出的太陽結(jié)構(gòu)與剖面示意圖太陽是我們惟一能觀測到表面細(xì)節(jié)的恒星。直接觀測到的是太陽的大氣層，它從里向外分為

光球→色球→日冕太陽溫度根據(jù)太陽輻射熱量推算的溫度稱有效溫度；根據(jù)太陽輻射光譜測定的溫度稱輻射溫度；太陽光球溫度：5770K

；太陽中心溫度：15000000K；色球溫度：100000K；日冕溫度：1500000K。太陽熱源產(chǎn)熱過程：熱核反應(yīng)（氫核聚變?yōu)楹ず耍?；產(chǎn)熱方式：質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量；產(chǎn)能中心：在太陽核心。四、太陽活動：太陽大氣各種變化的總稱（太陽“天氣變化”）黑子：擾動太陽的明顯標(biāo)志。耀斑：擾動太陽的主要標(biāo)志，對地球的影響最強(qiáng)烈。磁暴：電離層干擾。產(chǎn)生極光。太陽系一、太陽系的發(fā)現(xiàn)

地心說日心說圖2-9以地球和行星共同繞太陽運動來解釋行星的視行，這是哥白尼日心說的精髓開普勒行星運動定律第一定律（軌道定律）：行星軌道都是橢圓；太陽位于橢圓的焦點之一；第二定律（面積定律）：行星向徑在軌道平面上掃過的面積與時間成正比，即面速度不變；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/a23圖2-10開普勒第二定律：面速度不變第一牛頓用萬有引力定律，修正了第三定律：

T12(M+m1)/T22(M+m2)=a13/a23

T1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的平均距離（即各自軌道的半長軸）開普勒認(rèn)為，行星單純繞太陽中心運動；牛頓認(rèn)為，行星和太陽都繞它們的共同質(zhì)心；質(zhì)心的位置取決于二者的質(zhì)量比。開普勒廓清了行星軌道的幾何特征，指出了行星怎樣運動；獲得了“天空立法者”的美譽(yù)；牛頓解釋了行星運動的物理原因，回答了行星為什么這樣運動。至此太陽系理論完全確立。二、太陽系的組成九大行星水星，金星，地球，火星，土星，天王星，海王星，冥王星。其他成分小行星，衛(wèi)星，彗星，流星體等。三、行星按照軌道位置劃分以地球為界分為地內(nèi)行星和地外行星；以小行星帶為界分為內(nèi)行星和外行星。按物理性質(zhì)劃分類地行星和類木行星：類地行星：水星，金星，地球，火星距太陽較近，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，離太陽較遠(yuǎn)，質(zhì)量大，平均密度低，以輕物質(zhì)為主，溫度低。九大行星的軌道圖2-11行星的軌道大小行星的大小對比圖2-12行星的大小對比四、彗星和流星體彗星本質(zhì)上是在偏心率很大的軌道上繞日運行的冰物質(zhì)彗星的奇特外貌是它通過近日點前后的暫時現(xiàn)象哈雷彗星圖2-13哈雷彗星的軌道

5,200,000,000km圖2-14彗星的結(jié)構(gòu)短周期彗星與非周期彗星彗星的結(jié)構(gòu)彗核彗發(fā)彗尾離子彗尾塵粒彗尾五、流星和流星體流星

火流星

偶發(fā)流星

圖2-15下半夜的流星多而且明亮六、太陽系起源的星云假說行星軌道的共同特征：同向性，共面性，近圓性星云假說的基本論點形成太陽系的物質(zhì)基礎(chǔ)是彌散星云；形成太陽系的動力來源是自引力。意義：在“僵化的自然觀上打開第一個缺口”（恩格斯語）。2-16太陽系起源示意圖1太陽星云2星云變成扁球形3原始太陽和

圓環(huán)體4太陽和行星的形成5太陽系月球據(jù)測定，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/r

d=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地平視差天體位于天頂時，視差為零；天體位于地平時，視差最大，稱為天體的地平視差一、月球的距離和大小月地平均距離：384400公里半徑：1738公里，地球赤道半徑的27.25%表面積：地球表面積的7.4%體積：地球體積的2.03%質(zhì)量：7.196×1022kg，地球質(zhì)量的1/81.3平均密度：3.34g/cm3，約為地球的60.5%月面重力加速度：1.622m/s2，約為地面的1/6二、月球表面月海月陸環(huán)形山輻射紋月谷

三、月面的物理狀況月海，月陸，環(huán)形山?jīng)]有大氣，沒有水分，沒有生命地月系一、地月系的繞轉(zhuǎn)圖2-18月球和地球都繞它們的共同質(zhì)心而運動（共同質(zhì)心在地球內(nèi)部位置的變化）月球繞轉(zhuǎn)地球軌道形狀橢圓，偏心率0.0549；白道：月球軌道在天球上的投影；黃白交角：白道面相對于黃道面的交角（5o9'

）；周期：27.32日（恒星月）；速度：角速度：33'/小時，線速度1.02km/s。

幾個概念恒星月：月球在白道上連續(xù)兩次通過同一恒星（無明顯自行）所需的時間：27.3217日。從這一次新月（或滿月）到下一次新月（或滿月）所經(jīng)歷的時間：29.5306日。近點月：以月球近地點為參考點，月球的公轉(zhuǎn)周期：27.5546日。交點月：