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初识宇宙世界(六)太阳系的行星和卫星

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初识宇宙世界(六)太阳系的行星和卫星

行星及其卫星

太阳系有八大行星,根据它们的基本性质(见表1),可将它们分为两类。第一类是距太阳较近的行星,包括水星、金星、地球和火星,体积小,密度大,自转速率慢。第二类为距地球较远的行星,包括木星、土星、天王星和海王星,体积大,密度小,自转速率快。如果以地球为界按空间位置来划分,位于近太阳的内侧的行星性质与地球相近,一般称之为类地行星;而位于外侧的行星性质与木星相近,一般称之为类木行星

水星水星是八大行星中距太阳最近的一颗行星。它虽称水星,其实上面根本没有水,完全是一个枯寂的世界。由于没有大气层,昼夜温差很大,白天表面温度可达400℃以上,夜晚却在-170℃左右。水星表面布满了大大小小的环形山、平原和盆地,地貌形态与月球十分相似。

金星地球上天亮前后,在东方的天空中有时会出现一颗相当明亮的星,古代中国人通常称之为启明星;黄昏时分,在西方天空中有时也会出现一颗相当明亮的星,古代中国人称之为长庚星。它们实为一颗星,即金星。金星是天空中除太阳和月亮外最亮的星,故人们又称之为太白星或太白金星。金星的体积和质量都与地球相近,也有大气层,所以过去人们一直对在金星上发现生命抱有很大希望。后来的研究证明,金星上的大气成分和温度环境是不可能有生命存在的。

火星在除地球外的各行星中,最受人类关注的就要数火星了。一个多世纪以来,关于火星上是否有“火星人”存在的争论持续了好长时间。火星与地球有许多相似之处,如四季变化、昼夜交替、一昼夜为24小时37分、太阳东升西落等。但是火星表面干燥、寒冷,布满沙丘、岩石和火山口,一片荒凉景象,根本没有什么“火星人”的存在。原来曾被天文学家高度重视并被猜测为“运河”的火星照片上近于平行、等距的线条,只不过是排列整齐、间隔很近的火山口。那个曾经引起人们幻想的“极冠”,只不过是二氧化碳冷凝的干冰。

木星木星是八大行星中最大的一个,体积是地球的1300余倍,质量是地球的318倍,超过了太阳系中除太阳外的所有其他行星、卫星、小行星及其他小天体的质量的总和。木星上最独特的景观,是它拥有多达61颗的卫星,形成了一个庞大的星系群。木星是一个流体行星,表面是一个高温高压的液态氢海洋。

土星土星是仅次于木星的又一颗巨行星,但其密度很小,仅是水的密度的70%。土星最引人注目的就是它拥有一个美丽的光环。这个光环很薄,厚度只有15~20km,宽度却达200km,主要是由无数平均直径不足1m的石块和冰块所组成。土星也是一个流体星球,表面为液态氢海洋所覆盖。

天王星天王星与太阳的距离十分遥远,得到的热量极少,表面温度在-200℃以下。

海王星海王星是一颗体积比地球约大4倍的普通大行星,但是它的发现成为18世纪轰动一时的天文事件,原因是它的发现不是天文观测的结果,而是天文计算的成就,所以人们称之为笔尖下发现的行星。海王星距太阳很远,接受到的太阳光能和热量很少,因而其表面又暗又冷,温度在-200℃以下。

(注:由于观测技术的提高,不断有新的卫星被发现,所以不同时期的资料会有数据上的差异。最新数据请参阅网络资料和相关书籍。)


地球和月球

1.地球的形状和结构

地球的形状是指全球静止海面的形状,即不考虑地球表面海陆差异和地势起伏的大地水准面的形状。地球整体上看是一个球体,实则是一个赤道比较凸出、两极相对凹进的扁球体。各处的半径不一致,其分布的一个显著特征就是球半径随着纬度的增高而变短,赤道半径最长,为6378.16km,极地半径最短,为6353.76km,前者与后者之比为300:299。严格地说,地球与真正的扁球体也是有偏差的,它是一个不规则的扁球体(见图10)。地球的包括赤道在内的纬线大体上是正圆,但不是严格的正圆;经圈大体上是椭圆,但不是真正的椭圆。它的南、北半球是不对称的,北半球较为细长,而南半球较为粗短。据此,人们把地球的形状形象地说成是南极凹进而北极凸出的“梨形体”。

原始的地球是一个接近均质的球体,主要由碳、氧、镁、硅、铁、镍等元素组成。经过数十亿年的演化,随着自身温度的变化和重力的分异作用,地球逐渐出现了分层现象,其物质组成、运动形式、物理化学性状等都大致呈同心圆状分布,形成了明显的圈层结构特征。就地球本体而言,由内部向外部可以分为地核、地幔、地壳三个圈层。

2.地球的物理性质

地球是太阳系中一个中等规模的行星,质量为5.98×1021t,体积为1.08×1012km3,平均密度为5.52g/cm3。地球表面的温度因时因地而异,平均温度大致保持在15℃左右。地球内部的温度很高,这一点可由温泉热水和炽热岩浆都来自于地下而得到证明。地下的温度随深度的增加而升高,地温梯度在大陆地区约为0.01℃~0.1℃/m,在海洋地区约为0.04℃~0.08℃/m,全球平均状况为0.03℃/m。按照30℃/km的地温梯度来推算,地下70km深处的温度将是2100℃。在这样的温度下,几乎任何种类的岩石都处于熔化状态而成为岩浆。对地震波的研究表明,地温梯度从地幔层开始向内变小(见图11)。总之,从地面到地心,地温一直升高,至地心温度达到最高。但是温度梯度随深度的增加而减小。地壳表层温度升高很快,温度梯度大致为30℃/km。进入地幔后温度升高速度快速下降,温度梯度变得很小。到了地核,温度仍在继续上升,但是上升幅度已经很小。因此,在地球的内部,地心的高温并不是很突出。

地球是一个大磁体,有相当强的磁场,表现为磁针在地球上受到磁力的作用而指向一定的方向,即磁感线的方向。地球上各地的磁感线方向不同,地面上有两个地点的磁感线是垂直的,即地磁北极和地磁南极。在那里,磁针的方向垂直于地平面。按照地理学上的习惯,地磁北极位于北半球的地理北极附近,地磁南极位于南半球的地理南极附近。但是按照磁力作用的方向而论,位于北半球的是地磁南极,位于南半球的是地磁北极。因为按照磁体异性相吸的原理,磁针北极指向的是地磁南极,而磁针南极指向的是地磁北极。地球磁感线的方向通常不是水平的,磁针和地平面之间一般总有一个俯角或仰角,称为地磁倾角。这就是说,地理子午线(经线)与地磁子午线之间有着一个偏角,即地磁偏角。习惯上总是把地理子午线看成是正向的,而地磁子午线是偏向的。通常把地磁偏角定义为地磁北极对地理北极的偏角。如果地球是一个均匀的磁化球体,地球两极应该互为对趾点,地磁赤道应是距地球两极各90°的大圈,地磁强度和地磁倾角都应该因地磁纬度而异,在地磁赤道上地磁强度最小,地磁倾角为0,随着地磁纬度的增加,两者都逐渐增加,至地磁两极达到最大值。然而,地球不是一个均质的磁化球体,因此地磁要素的分布是非常复杂的,而没有简单的规律性。因此,在上述总的分布大势下,地磁各要素的分布都有一定变化。

3.月球

月球是地球唯一的一颗天然卫星,它与地球构成了地月系。月球与地球的距离平均为384400km,最近距离为356400km,最远距离为406700km。月球的体积很小,直径为3476km,体积仅是地球的1/49.3,质量仅是地球的1/81.3。其密度也不及地球的大,为地球密度的1/1.7。月球表面温度变化很大,最高可达127℃,最低可达-183℃,二者相差310℃。月球较小的质量使其上空没有大气和水分,因而月球上没有晨昏蒙影的现象,白昼和夜晚都是突然来临交替的。大气和水的缺乏,也使生命在月球上不能够存在。

月球表面存在着地势的高低起伏。从地球上看,月面上有明暗地区的区别。过去人们曾把比较暗的地区称为“海”,其实那里是一些宽广的平原,而比较亮的地区则是高原。平原地区之所以比较暗,是因为那里存在着大范围的熔岩流。对着地球的半个月面上,较大的“海”有10个,它们是位于西部的危海、澄海、静海、丰富海、酒海和位于东部的暴风洋、雨海、云海、湿海、汽海。月球的高原和平原上还分布着一些周围高起、中部低陷的环形山,最大的直径达295km,最小的直径不过数寸,它们是一些火山口或陨石坑。此外,月球上还有一些亮线和暗线,其中亮线都是月面上的隆起部分,而暗线则是深陷的裂缝。

月球自身不会发光,只能反射太阳的光辉。在太阳的照耀下,月球永远分为光明半球和黑暗半球。但是,由于地球、太阳和月亮位置的不同,从地球看去,月球的明暗半球的比例总是在不断变化的。月球明暗两部分不断变化的状况称为月相(见图12)。当新月出现的时候,月球和太阳位于地球的同侧,这叫做日月相合,也就是朔。当满月出现的时候,月球和太阳位于地球的相反的两侧,这叫做日月相冲,也就是望。月球逐渐由新月变为满月,又逐渐由满月变为新月。在由新月变为满月的过程中,要逐渐经过娥眉月、上弦月、凸月三个阶段;在由满月变为新月的过程中,要逐渐经过凸月、下弦月、娥眉月三个阶段。上弦月与下弦月的区别,在于上弦月西半边是亮的,下弦月东半边是亮的。月相变化一个周期的时间为29.5306日,即29日12时44分3秒,称为朔望月。

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