《行星系统》PPT课件.ppt

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1、二.行星系统的一般概况1.行星的分类：行星可按其轨道特性或物理性质进行不同分类（1）以地球轨道为界，把离太阳较近的水星和进行称为“（地）内行星”。而把离太阳更远的火星、木星、土星、天王星、海王星称为“(地)外行星”。（2）以小行星带为界，把水星、金星、地球和火星称为“（带）内行星”，而把其余四个称为“（带）外行星”。（3）第三种分类是根据行星的物理性质，把体积和质量小、平均密度大的水星、金星、地球和火星称为“类地行星”。把木星、土星、天王星和海王星称为“类木行星”，它们的体积和质量大，但密度小。更好的分类方法是把木星和土星称为“巨行星”，它们的体积和质量最大，而密度最小，把天王星、海王星称为“

2、远日行星”，它们的密度介于巨行星和类地行星之间。实际上，行星的平均密度反映其物质组成，类地行星是主要由固态岩石物质组成，类地行星是主要由固态岩石物质组成，巨行星主要由氢氦气体物质组成，而远日行星氦含大量冰物质。类地行星的特点是离太阳近，质量小，体积小，密度大，表面温度高，卫星数量少。类地行星最大的是地球，最小为水星。水、金两星都没有卫星，地球有一个卫星-月亮，火星有两个卫星。类木行星则相反，离太阳远。质量大，密度小，表面温度低，卫星多。木星是八大行星中最大者，他有17颗卫星。土星第二大，有14颗卫星。天王星有5个卫星，海王星有两个卫星。2.行星的化学组成类地行星和类木行星这两类行星的化学组成不

3、同，但每一类的化学组成基本是相同的。（1）类地行星密度大，显然具有较重的元素和化合物。目前得知主要是难熔的金属矿物（硅酸盐、钾、钙、铝、钛、镁的氧化物等）和铁镍合金，还有氧化铁、硫化铁等。类地行星温度高，因为缺少易挥发的元素及其化合物。这四颗行星中，越近太阳温度越高，约有更多难熔金属矿物，易挥发性的元素就越少。（2）巨行星中的各种元素的相对风度和太阳大气基本相似。它们密度小、温度低，因此成分是较轻的元素，具有大量易挥发的元素。巨行星含有大量水冰、氨冰、甲烷冰以及氢加氦。（3）远日行星的密度介于巨行星和类地行星之间，因为相对较接近巨行星的特性，可以也归入类木行星之列。只要成分是冰物质和金属矿物，

4、但含氢和还得百分比要比巨行星小些。3.内部结构地球和地核、地幔、地壳三部分组成。月球也有月核和月幔结构。类地行星也都有这三部分的结构，外壳都很薄，但幔和核的大小比例是有一些差异的。水星的核较大，是铁镍为主组成的核（占体积80%）。火星的核以硫化铁组成，硫化铁密度比铁低，因此火星的平均密度便较低。进行和地球的内部结构十分相似，也主要是铁镍组成的核，但核占得体积没有水星那样大。巨行星具有不一样的内部结构，它们有铁盒硅酸盐组成的内核，其外为冰层，再外为金属氢的中间层，最外面是也太分子氢的外层。远日行星的内部是具有岩石组成的核，以及具有冰层和分子氢的外层。4.行星大气如果行星的质量越小，温度越高，则行

5、星（包括卫星）要抓住大气就越困难。因为温度高，气体的热运动速度就越大，越容易逃逸出去；如果行星质量又小，即引力就小，更不容易把运动的气体拉住。这种行星的气体就很容易跑掉，甚至会全部跑掉。反之，温度低和质量大的行星，保留大气的能力越强，连那些活波的、易挥发的气体也逃不出它们的引力范围。类地行星中水星几乎无大气，最近飞船发现仅仅含有极微量的大气。火星的大气是较稀薄的。月球则没有任何大气。地球具有较多的大气，但金星的大气更为浓厚得多。地球大气的成分中，以N2,O2,Ar为主，次要成分为CO2和H20等。进行大气的主要成分为CO2,N2和Ar，次要成分为H2SO4、HCL、HF、CO、H2O等。火星大

6、气的主要成分为CO2，次要成分为N2、O2、Ar等。木星和土星的大气是十分浓密的，形成了云带，使我们无法看到木星的地面。木星和土星的大气主要由氨(NH3)、甲烷(CH4)、氢(H2)所组成，其它还有He、H2O、C2H6、C2H2、PH等等。照理巨行星的大气中氢的含量要占很大的比例，但因为温度低、压力大，氢都已经液化了，在木星和土星表面构成了氢的海洋。这正像地球表面是水的海洋一样，地球大气中水的成分的比例就不高了。木卫一的大气中有氢和氦，整个木卫一被钠(Na)云所包围着。木卫六也有大气，很浓厚，有CH4和H2所组成。天王星和海王星也是由CH4和H2组成，也还有NH3的冰晶尘埃在其中。（a）水星

7、的磁场和磁层水手10号飞船的一个重要发现就是水星有磁场和磁层。水星也像地球一样有全球偶极磁场，其南北磁场的极性和地球磁场相同，水星赤道表面磁场强度为0.002G，约为地球赤道磁场强度的1%。木星存在一个与地球类似的磁场结构。5.行星的磁场（b）金星的磁场和磁层金星磁场非常小，在飞船上磁力仪探测不出金星本身的磁场，金星赤道处磁场强度最多为地球磁场的1/1000以下（小于0.0003G）。但由于金星的电离层与太阳风相互作用而感生磁场，对太阳风流产生阻碍，在金星周围也形成类似磁层的区域，虽然跟一般磁层不同，但也以磁层称之。地球磁北极与真北极(地理北极)的差异。目前磁北极在加拿大境内，距离地理北极大约

8、1000公里。地磁场有两部分组成：（1）来源于固体地球内部的稳定磁场。（2）来源于地球外部各种电流系的外部磁场其中稳定磁场最强，在地球表面极区附近磁场最强，约为0.65G,在赤道处最弱，约为0.24G。（c）地球的磁场地球磁层（d）火星的磁场火星没有像地球那样的全球磁场。但“火星全球勘测者（Mars Global Surveyor）”轨道探测器测得火星南半球一些区域是高度磁化的，磁化情况跟地球上洋底的交替磁化带相当，因此有一种理论认为，这些磁化带是火星上以前的板块构造证据。显然，这应该是约40亿年前形成的火星壳保留下来的残存磁场。估计火星赤道处磁场强度约为0.0004G。与金星磁层相同，火星电

9、离层与太阳风作用，形成不大的磁层，产生弱的弓形激波及其他等离子体现象。（e）木星的磁场1955年观测到来自木星的射电，并推断它与木星的磁场有关。先驱者和旅行者飞船的近距探测确认，木星有很强的磁场。木星表面磁场强度达3-14G，延展范围达几百万公里。木星磁场比地球磁场复杂些，且南北极性与地球磁场相反。已发现的木星位型数目为63颗，观测证实：（1）木卫三存在内部磁场，其赤道场强约750nT，但是木卫三磁层没有上游弓形激波面和磁尾，这是太阳系的特例；（2）木卫四有很弱的磁场，是被木星磁场感应的；（3）木卫二既有感应的磁场，也有内禀磁场。（f）土星的磁场和磁层土星有较强的磁场，但比木星磁场弱些，南、北

10、极区表面（气压1bar）磁场强度分为为0.7和0.6G，赤道表面磁场为0.2G。土星磁场类似于偶极磁场，南北极性与木星磁场相同，而跟地球磁场极性相反。土星有延展的磁层，大体上跟木星磁层相似。（g）天王星的磁场飞船远航天王星之前，推测天王星可能有磁场。旅行者2号飞船探测表明，天王星赤道表面的磁场强度约为0.23G。天王星也有磁场结构，并在磁层内形成了辐射带。（h）海王星的磁场过去推测海王星也有磁场和磁层，终于在1989年由旅行者二号飞船的探测确证了。海王星赤道表面的磁场强度为0.14G，类似于地球磁场。海王星的磁场极性与地球磁场有较大差别，海王星的极性与地球磁场相反，磁轴与自转轴夹角达46.9，

11、其磁场结构非常复杂。海王星也有广延的磁层。(6)行星的会合运动因为内行星轨道在地球以内，所以内行星和太阳之间的角距离总是在一定的范围内变化。对于水星的角距不会超过28；对于金星，角距不会超过48。所以内行星有时在日出前出现与东方，又是在日没后出现与西方。内行星的最大角距的位置叫“大距”，显然有“东大距”和“西大距”两个最大的角距的位置，当太阳、行星和地球这三者位于同一直线上时称为“合”：行星在太阳后为“上合”，行星在太阳前为“下合”。因为行程轨道有微小的倾角，严格来说当“合”时，它们三者也不是处于直线上，三者位置有些高低的差别。在“下合”时，有时水星和金星正好在日面上经过，这叫“凌日”现象。最

12、近的水星凌日时间2006年11月7日2016年5月9日2019年11月11日2032年11月3日2039年11月7日最近的金星凌日时间2004年6月8日2012年6月6日内行星反射太阳光而发亮，很显然它们也有盈亏月相的周期。这样的周期变化导致了行星视亮度的变化。外行星与太阳的地心黄经相差180时，称为“冲”，冲前后外行星离地球近，是整夜可观测的好时机。由于地球和外行星的轨道都是椭圆，外行星与地球的距离在每次冲时都不同，距离最小的冲称为“大冲”。当太阳和行星的地心黄经相同时，称为合。火星大冲15年或17年发生一次。火星近期冲的时间：2003年8月29日（大冲）2005年11月7日2007年12月

13、25日 2010年1月20日2012年3月4日 2014年4月9日2016年5月22日 2018年7月27日（大冲）木星近期的冲2005年4月3日 2006年5月4日2007年6月6日 2008年7月9日2009年8月15日 2010年9月21日会和周期LASCO C3 image showing the positions of the planets三 地球一颗普通的行星1.地球的形状我们唐朝的僧一行（张遂）于公元723年，就组织人们观测天体，测出了子午线的弧长，他得出极高差1度，同一经线上两地的地面距离差315星80步（古单位），化为现在单位即1度子午线的弧长约123.3公里。这工作比阿

14、拉伯人做的工作早100年。1687年牛顿对天文摆钟搬到赤道上去后会变慢的现象做出了解释，他认为这是由于地球不是正球形，而是赤道隆起的扁球型只顾。自牛顿依赖，人们对地球的椭率已进行了精确的测定。半长轴（赤道半径）a=6378.140km半短轴（极半径）c=6356.755km扁率为1/298.57偏心率 e=0.8182地球的外型是极不规则的，有八千多米的高山及一万多米的海底深沟。定义一个“大地水准面”来表示地球形状的第三近似。大地水准面就是地球重力作用下的等位面，海平面几乎和此面符合，所以可以把海平面延伸穿过大陆所构成的封闭曲面表示“大地水准面”。实际上大地水准面也是不对称的，升值南极和北极都

15、不对称，北极略凸出，南极略扁平。所以地球不是一个椭球，而是一个像一支梨子的形状。由于地球不是正球体，所以在地平面上的任一点M，作出如下的三条线方向是不一致的：(1)由地球集合中心（即地心）到M的连线方向，即向径方向;(2)地球扁球体在M点的法线方向;(3)M点的铅垂线方向（重力方向）。2.重力和重力异常重力在地球重力学中为“重力加速度”的简称，指地球对其附近物体所吸引的力。同以物体在地球上不同地点，所受的重力稍有不同，离地面愈远的物体，所受的重力愈小。广义上说，宇宙间任何天体使某物体向该天体表面降落的力，均称为“重力”，这样不仅有地球重力，还有月球重力，金星重力、火星重力等。通俗地说，地球上的

16、任何质点，都受到地球的引力，也都受到地球自转所产生的惯性离心力。这两个力的方向和大小是互不相同的，两者的合力就是重力。在精度要求不高的情况下，地球的重力基本是地球引力。地面重力因纬度而不同。赤道与两极的重力约成189:190，由于这个原因，同一物体如果在赤道上重189kg，那么，到两极将是190kg。地面重力不仅因纬度而不同，还因地点而不同。某些地点的重力大小，同所在地区的正常值比较起来，存在着明显的差异，这叫重力异常。它的原因是由于地内物质分布不均，往往同地质构造和矿床的存在有联系，因此，重力异常的研究，有助于地质构造的了解和矿床的勘探。重力不仅因纬度而不同，而且还因高度和深度而不同。重力与高度关系比较简单：引力大小同距离平方成反比。惯性离心力可以略去。重力同深度的关系，一般认为：从地面到地下2900km深处，重力大体上随深度而增加，但变化不大，并且在地下2900km深处达到极大值，从地面下2900km到地球质心，重力急剧减小，在地球质心，重力为零。