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1、7.4 行星及太阳系小天体概况除太阳以外，组成我们太阳系的主要天体，一是大行星，二是卫星，三是太阳系小天体。大行星，按其距太阳的远近次序是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。这些行星的大小和质量相差很大，但都比太阳小得多。它们的总质量是太阳的1/ 718，总体积只有太阳的1/ 600，行星一般不发射可见光，而以表面反射太阳光显得明亮，我们才能够看到它们的外貌。近年来，发现了木星和土星都有射电辐射，改变了人们对行星的传统看法，行星在以恒星组成各个星座的天空背景上，有明显的相对移动。我们借助于天文望远镜，可以看到行星有一定的视圆面，所以在大气抖动下，行星不象点状恒星那样有星光闪耀
2、的现象。如果仔细对比，还可以发现各行星有其颜色特征，在不同的时候，亮度也有变化，按照这些特征，在晴朗无月的夜晚，我们不难把它们同恒星区别开来。 依据不同，行星的分类也不同，目前主要有：（1）以地球轨道为界，以内的叫地内行星，以外的叫地外行星；（2）以小行星带为界，以内的叫内行星，以外的叫外行星；（3）根据行星的各种性质，过去人们把九大行星分成两类，即类地行星，包括水星、金星、地球和火星；类木行星，包括木星、土星、天王星和海王星，其中木星和土星也有人称巨行星。太阳系除大行星和卫星外，还有几十万颗小行星、彗星、流星体等天体。 17世纪初期，望远镜的诞生为行星和卫星物理状况的研究提供了条件。19世纪
3、中叶以后，照相术、分光术、测光术广泛地应用到行星的研究和观测中来，20世纪射电天文学诞生以后，又扩大了行星和卫星的研究手段，雷达方法不仅可以测定行星的表面特征，甚至可以测绘表面图。随着空间技术的发展，20世纪行星际飞船发射成功，除了冥王星之外，就近考察了水星、金星、火星、木星、土星、天王星和海王星7个大行星及其一些卫星；无人实验装置已在火星表面着陆并落向金星和木星的大气深处。行星际飞船还飞掠并就近探测了小行星和彗星。人类已获得了大量的资料和数据，大大增加了对行星各方面的了解，也使太阳系起源演化理论的研究进入了一个新的时期。2006年8月国际天文学联合会决议中提到：对太阳系行星和其它天体按下述方
4、法定义为三个不同的类别（1）“行星”是一个具有如下性质的天体：位于围绕太阳系的轨道上，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状（近于球体），已经清空了其轨道附近的区域。（2）“矮行星”是一个具有如下性质的天体：位于围绕太阳的轨道上，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状（近于球体），还没有清空了其轨道附近的区域；不是一颗卫星。（3）其它所有围绕太阳运动的不是卫星的天体应被通称为太阳系小天体。根据上述定义，行星指八大行星，它们是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。冥王星是一颗“矮行星”，并且被视为海王星外天体（简称海外天体，记为:TNO）的一个新族的标志
5、。 一、 大行星 1、水星 水星，又叫辰星，如图7.16。是太阳系中离太阳最近的大行星，与太阳的距离为0.387AU ，即约5791万km，它与太阳的最大角距不超过28，因此，它经常被黎明或黄昏的太阳光辉所淹没，很难被人们看到。最亮时视星等为1.9m水星以较扁的椭圆轨道绕太阳运转，轨道偏心率e = 0.206，其轨道面与黄道面的夹角约为70，公转周期为87.969天，水星的半径为2440km，为地球半径的38%，它的质量为3.331026g，水星的大小在八大行星中是最小的。水星的平均密度为5.44g/cm3，比地球的平均密度5.52g/cm3略小些，其化学组成和内部结构也与地球相似，用大望远镜
6、可以看到水星的位相变化和一些暗区。过去由这些特征推测水星的自转周期与公转周期相等（它的一面总朝向太阳），1960年用雷达测出自转周期59天，现在更准确值为58.646天，为公转周期的2/3。水星赤道面与轨道面交角小于28。水星轨道有每世纪快43的反常进动。 人类发射的行星探测器已拍摄到详细的水星表面照片，貌似月球。水星上有上千个直径100km以上的环形山，大的直径达1300千米。水星上还有许多高1km以上，长几百公里的悬崖，这是月球上所没有的。水星上有同月球上一样的山脉、平原和盆地，也有象月球上的哥白尼和第谷环形山那样的辐射纹，有的还有中央山峰。水星上还有冲击流出的熔岩。与地球不同，水星上没有
7、断层，显然是没有板块构造运动的发生，水星上的环形山是在它形成晚期由陨星撞击形成的。 水星上有极稀薄的大气，大气压小于210-9毫巴，还不到地球表面大气压的一千亿分之一，原因是水星的重力小，只有地球的1/5，其逃逸速度只有4.3km/s，白天温度很高，可达到600K，最高可达700K，这样水星上不可能有很多大气。水星表面温度差很大，夜晚降至150K，子夜时可达100K。水星大气中含有氢、氦、氧、碳、氖、氩、氙等元素。水星大气没有水汽已得到公认，但近来有人报道观测到水星上有冰山的存在，水是水星原来就有的？还是后来由陨星和彗星带来的？看法有分歧。至于水星有水的说法还待证实。探测器水手10号还发现水星
8、周围有偶极磁场，强度约为几百伽码，而且有磁层。这一点纠正了在1974年以前人们一直以为水星由于自转缓慢不会有磁场的观念。2004年8月美国发射“信使“号探测器，准备对水星作进一步的探测。2、金星金星，中国古称太白，因为它有时出现在日落后的西方，有时出现在日出前的东方，因此，在中国就有东有启明，西有长庚之说。见图7.17。金星是肉眼所见最亮的行星，最亮时可达- 4.4等，比最亮时的木星还高5倍，比天狼星还亮14倍，有时甚至白天都能看见它，因为它给人们留下的印象是很深刻的。 金星是离太阳第二近的行星，它的轨道接近正圆（e = 0.007），与太阳的平均距离为0.723AU，即1亿8百多千米，公转周
9、期为224.7天，公转轨道面与黄道面夹角为32340。金星公转会合期为584天。金星有位相变化，它同太阳的最大角距为48，因此，我们可以在日出前或日落后地平高度48以内作为晨星或昏星看到它，金星是太阳系内唯一逆向自转的大行星，它的自转周期为243天，且自转慢，所以一个金星日相当于地球上的117日，而在金星的一年中只有两个金星昼夜，从金星上看太阳，太阳从西方升起，在东方落下。 金星的大小、质量和平均密度都与地球接近，其半径为6070km，只比地球小一点，质量为4.871027g，为地球的82%，平均密度为5.2g/cm3，金星是一个有大气层的固体球，理论推算其化学组成都与地球相似，有一个半径为3
10、100千米的铁镍核，中间一层是主要由硅、氧、铁、镁等化合物组成的幔，外面一层由硅化物组成的很薄的壳。 金星有浓密的大气，表面大气压约为地球的100倍。大气中二氧化碳含量在90 %，低层甚至可达99 %，其次是氨占23 %，水汽和氧占不到1 %，由于水汽含量少，金星的浓云不是由水汽形成的，而是由浓硫酸雾形成的，金星表面完全被这种云雾遮住，其云量达100%，金星的云的反照率可达70%，因而金星看起来白亮。由于金星上浓厚的大气层及大气环流，金星上也有天气变化。在金星云里，时常有大规模放电现象，空间探测器曾记录到一次持续15分钟的大雷电，金星大气也有自己的电离层。 金星大气的二氧化碳产生非常强的温室效
11、应，就是太阳的可见光和紫外线可以穿透二氧化碳和水汽而加热金星，而金星向外辐射的热能（主要是红外辐射），则因二氧化碳和水汽的吸收和阻挡不能辐射出去，这就使金星表面的温度升高，好象玻璃暖房能使室内达到较高的温度一样。金星大气中二氧化碳占97%，温室效应十分强烈，几乎使全部辐射热都回到金星表面，这使金星表面温度高达465485，达到了熔化铅的温度，而且基本上没有地区、季节的区别。地球上也有温室效应，只不过目前不如金星的强烈。但是，人类应引起高度的重视。 雷达测量及金星探测器在金星着陆研究获得的资料表明，金星表面是灼热干燥的，到处怪石嶙峋，有类似于月海的很大的平坦区，也有坎坷不平的山区。金星雷达图就展
12、现出一条宽阔的断裂峡谷（深1.5km，宽120km，长达1300km），和隆起的环形火山口。金星表面的风速约3.5km / h，足可以刮起灰沙，可以部分掩埋或剥蚀岩石块，探测器在金星表面既发现了古老的风化岩石，又发现很年轻的、充满棱角锐利的浮砾。有人推测，在金星断层上，火山可能仍在活动，它的表面仍处在巨大变迁中。 近来探测表明金星基本没有磁场，也没有发现辐射带。希望2005年“金星快车”探测器发射能给人类带来更多关于金星大气和云层新的信息。 3、地球 地球是人类的家园，见图7.18。关于地球的运动以及地球运动的地理意义我们将在第9章中专门介绍。这里仅就地球是一颗行星以及它与其它大行星的比较进行
13、说明。 地球是太阳系的一颗普通行星，按顺序，它是第三颗行星，1968年宇宙飞船在36000km高空拍摄了第一张显示地球完整面貌的照片。从宇宙飞船上看到的地球-悬在空中，是一个大气包裹着的蓝色星球。就大小和质量而言，地球在太阳系大行星中是很不显眼的。虽然还有3颗大行星比地球小，但和巨行星相比，它就小得多了，然而在八大行星中，唯独地球是一个繁荣昌盛、生机勃勃的有生命的世界。阿波罗8号的宇航员说：地球是混沌广漠的宇宙中一片壮丽的绿洲。直到今天据我们所知，地球是太阳系中唯一有生命的星球，这与地球在太阳系中有一些独特的优越条件有关。 第一，它与太阳的距离适中，加上自转与公转周期相当，使得地球能接收适量的
14、太阳辐射。整个地球表面平均温度约为15，适于万物生长，而且，能使水在大范围内保持液态，形成水圈。水星和金星离太阳太近，它们接受的辐射能分别为地球的6.7倍和1.9倍，表面温度很高。而距太阳较远的木星和土星所获得的太阳能仅为地球的40%和1%。更远的天王星、海王星和冥王星所接收的太阳辐射就更微弱了，它们表面的温度都在零下二百多度。显然。除了地球之外的其他行星，由于表面温度过高或过低，都不利于生命的形成和发展。只有地球具有适宜的温度，成为孕育生命、繁衍生命的场所。其次，地球的质量虽不大，但密度较大，由重元素组成，具有一层坚硬的岩石外壳，能贮存液态水。岩石上层经风化，发育形成土壤层，能为动、植物的生
15、长发育提供良好的基地。其它类地行星虽然也有固态的外壳。但没有液态水贮存其上，同时由于其上的温度过高或过低，水汽含量很少。在金星的大气中只有1%的水汽，又因温度高，水不能成为液态。火星上由于温度低，少量水集结在两极上形成冰层。至于类木行星则密度低，只有中心是由岩石或是冰、铁组成的核，球体大部分都呈气态和液态。这样的环境，高等动植物是无法生存的。 第三，在地球引力作用下，大量气体聚集在地球周围，形成包围地球的大气层。大气层对地面的物理状况和生态环境有决定性影响。而水星的质量只有地球的1/8，即使它在形成初期有大气，但由于引力小， 空气分子的运动速度超过了它的逃逸速度，气体都散失了；由于没有大气，故即使有水，也会蒸发成水汽，逐渐逃逸掉。地球的大气经过长期的演化，现代大气主要成分是氮和氧，与早期的大气截然不同，而金星和火星的大气主要成分是二氧化碳，巨行星和远日行星的大气主要成分是氢、氦、氨和有毒的甲烷。地球的大气除了提供生物呼吸的氧外，还能调节地表温度。大气的循环使地面获得大范围的降水。大气还能保护地面不受流星的直接撞击。 第四，地球大气中含氧丰富，高空氧在太阳紫外线作用下形成臭氧层，臭氧层吸收太阳紫外辐射，使之不能到达地表。这在九大行星中也是少有的（近来在火星上空有发现，但也只有很少一些臭氧分子）。
