第三章 现代天文学基本知识(7)
http://www.100md.com
《时空医学》
第五节 行 星
一. 行星概述
在太阳系里除了地球外，还有水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。有关行星在大小、质量、运动周期和距太阳的距离等情况见表3-1。水星、金星、火星和地球有其共同特点：体积比较小，密度比较大，有一个固体的表面，岩石、金属等元素居多，一般来说表面温度比较高，自转较慢，卫星比较少，这类行星的性质可以用地球作代表，称为类地星。而木星、土星、天王星和海王星的共同特点是：体积比较大，密度比较小，表面温度比较低，没有固体的表面，氢、氦、碳、氮等元素是这类行星的主要成分，自转速度比较快，卫星比较多，这类行星的性质可拿木星为代表，叫类木星。
二. 五星概要
水星离太阳最近，是一个光秃秃的石球。它面向太阳的那一面非常热，温度高达3290C，而背向太阳的一面却非常冷，温度下降到-1850C； 水星有类似月球那样的环形山表 面，其上几乎没有水，仅有一层由氦组成的稀薄大气，由于水星公转速度快，自转速度慢，所以总是在太阳前后出没，只有当水星跑到太阳的两边并且离得最远时才能看见它━
, http://www.100md.com
它先是在太阳刚一落山后出现在西边的地平线上空，或过一段时间又出现在破晓的东方，一般3月下旬至4月初，水星和金星接近，通过明亮的金星较容易找到水星，往后水星接近太阳就看不见了。
金星又称太白星，在地球上看来它是除太阳月亮外最亮的星辰，其大小、体积、质量和密度等都和地球相类似；金星表面的大气比地球表面厚一百倍，其结构与地球不同，它的下层大气主要由二氧化碳组成，而高层大气主要以原子氧为主，大气中二氧化碳占95%左右，氮不超过3%，氧低于0.1%；金星的向日面温度高达4820C，背日面为-200C至-300C；金星高层大气是处在急速而复杂的运动之中，风速每秒钟达100米，每四个昼夜环绕金星一圈；
金星的自转方向与水星、地球等不同，是自东向西旋转，和公转方向相反；由于金星的公转轨道在地球轨道里面，而且比地球接近太阳，所以在地球上看来，它也是在太阳的两边徘徊，当金星转到太阳的东边时，在太阳落山后的黄昏时刻，在西方的上空出现，叫长庚星；当金星转到太阳的西边时，太阳出来之前的黎明时刻，从东方升起，叫启明星。
, 百拇医药
火星与地球极为相似，也有昼夜和四季之分。火星上的大气密度大致跟地球上15～18公里高空的大气相当，主要是二氧化碳，其次是氩，氧气及水分含量不超过地球上含量的千分之一；因此火星上没有任何生物。火星上的温度在赤道区域约150C，靠近南极地区冬季的“雪堆”上为-930C。中午，在赤道地区的温度为200C，而在夜间，在两极地区下降到-1300C；在火星上没有液态水，也没有雨雪等气候变化，但风统治了一切，当火星最接近太阳的时候，太阳的辐射热便引起大气扰动形成了风，而大风刮起粉末状的尘埃，造成“尘暴”。
木星是九大行星中最大的星，因为离热源太远，所以它的温度极低，近于-2000F左右，其大气主要成分是氢，约占75%，余剩下的25%可能被氦占去一半，另一半是氨、水和甲烷等气体。木星自转轴几乎垂直于公转轨道，因此在木星上没有四季变化。由于木星的体积大，自转速度又快，在离心力的作用下，物质便往赤道部分集中，形成以赤道部分较突出，而两极向里缩进的扁球。木星的自转随纬度增加而延长，赤道与两极自转周期相差约5分钟，这说明木星表面决不会是固态的。木星的周围具有辐射带，它的存在证明其具有磁场，且其强度远远胜过地球。
, http://www.100md.com
土星密度是九大行星中最小的，土星的表层温度可低到-1500C至-1800C以下，土星公转速度是很慢的，它的自转速度倒很快，土星体形也是扁球形，比木星还要扁，它的自转轴和公转轨道平面构成一个近270的夹角，从赤道到两极，各处的自转速度不相同；赤道地带自转速度快，而两极地区自转速度慢，这证明它的表层也不可能是固体，而只可能是比水还轻的物质构成。土星的外围也有稠密的大气，从可见层一直深透到它的半径的一半区域。土星最夺丽出众的东西，便是它的光环，这也许是整个天空中最可爱的奇观。光环沿着赤道面包围着土星，但是，没有一处和土星相接触，而是在空间自由地运动着。这些光环，是由无数的微小的卫星般的小粒子构成的，它的成分是冰或铁。这些小粒子直径不大，一般在六米左右，分布相当稀散。光环的粒子绕着土星并在土星的赤道平面里旋转，正象卫星绕着行星旋转一样。
每个粒子都能强烈的反射太阳光。
过去人们所知道的行星中只有金、木、水、火、土五颗大行星特别亮，其位置也时常变化。随着科学技术的不断发展，观察发现在土星之外还有天王星、海王星和冥王星，由于它们离开地球很远，在那里的宇宙几乎是严寒统治着。
, 百拇医药
太阳系除了目前已经发现的九大行星，三十五颗卫星和成千上万颗小行星之外，还有彗星和流星。
三. 行星的大小和距离
我们已经介绍了太阳系各行星的大小和距离，但我们要掌握这些尺度是非常困难的，因为这些数字实在太庞大了。如太阳的直径近于木星直径的10倍，而木星堪称众行星之魁。要理解各个行星的大小还比较容易，而要想象它们之间的距离那可困难多了。水星距太阳3600万英里。而冥王星距太阳则100余倍于此值，或366200万英里，本来这是可以按照实际比例表示出来的，但限于页幅，将太阳系模型按两种不同的比例绘出，如图3-8所示。在这两种比例图上，行星的大小惟有用精密的显微镜方能看到。类地行星和类木行星之间的大小和距日远近的差异是十分悬殊的，地球对我们可以说是庞然大物了，但细想一下，其它行星亦复如此。所有行星的构造都是相当复杂的，因而对它们深入探究颇为引人兴趣。但是我们对这些天体的认识，即便有一些研究得较为透彻，但距离我们欲寻觅的完整图象仍然相去甚远。
, 百拇医药
图3-8
行星与太阳距离示意图
四. 行星的运动
行星的运动从古希腊柏拉图时代起是以地心说为代表，认为行星的运动是以地球为中心作匀速圆周运动。然而到了十六世纪创立了日地说，对行星的地心说运动进行了修正，在十六世纪的头二十年期间，开普勒发表了为后人所共知的开普勒行星运动三定律。第一、第二两定律描述行星的轨道形状和行星在轨道中的运动。第三定律是任意两颗行星绕日运转的对比。这些定律固然是专门对绕日运动的行星推导的，但也适用于绕地球运动的卫星，或绕其它恒星运转的行星。按照第一定律，每颗行星运动轨道的形状为一椭圆。椭圆可以这样画出，取一根8英寸长的绳子，将其二端用大头针钉在相距6英寸的两点上。然后用铅笔将绳子撑着一滑动就画成一个椭圆。大头针所在的两点叫焦点。太阳便是处于每个行星轨道椭圆的一个焦点上。既然太阳是处在轨道椭圆的一个焦点上，故每颗行星距离太阳的远近不是固定不变的。当行星行至远日点时，它离太阳最远，而行至近日点时，它离太阳最近。遵照第二定律，行星与太阳的联线称为径矢，该径矢在单位时间内扫过的面积相等。这就是说，当行星在一定时间内(比如一个月内)从a移动到b点(
, http://www.100md.com
都在近日点附近)，则其径矢扫过的面积就是阴影部分(图3-9)， 但若从c点开始， 其径矢在相同的时间内将扫过相同的面积，不过行星的运动要慢多了，因为远日点附近的径矢远远长于近日点附近的径矢。照此说来，行星的运动在近日点附近要比在远日点附近为快。地球的平均轨道速度是每秒18.6英里；在近日点时每秒为18.9英里，而在远日点时是每秒18.3英里。开普勒第三定律描述了行星运动周期轨道平均半径的依赖关系。第三定律就是告诉我们：行星离太阳愈近，其运动愈快。水星的平均轨道速度为每秒30英里，而冥王星的平均轨道速度却只有每秒3英里。
开普勒掌握了全部肉眼能够看到的行星的周期，因此，他只要求得一颗行星轨道半径的长度，便可计算出每颗行星的轨道半径，从而定出太阳系的规模大小。
图3-9 行星运动开普勒定律示意图
, http://www.100md.com
牛顿曾经寻求下述问题的答案：为何月亮要在一椭圆轨
道上绕地球运动呢？为何它不以恒定的速度迳直向太空遁去呢？牛顿断定，任何不受外力作用的物体要么继续静止不动；要么，若原来处于运动状态，则会依然保持其不变速度的直线运动。这就是牛顿第一运动定律，也称作惯性定律。惯性乃是物质抗拒使它的静止状态或匀速直线运动发生变化的属性。任何运动的变化，无论是速度的增减，还是方向的更换，我们都称之为运动的加速度。牛顿认为，要使一物体加速，必须给它施加一非平衡性作用力。这便是牛顿第二运动定律，它解释加速的原因就是非平衡性作用力。施于物体的外力愈强，产生的加速作用就愈大。但是一切物体并不赋有完全相同的惯性，即是说，不赋有同样的抗拒加速作用的属性。一物体惯性的大小称为质量，因而质量愈大，在作用力相同的条件下所产生的加速度愈弱。显而易见，既然作椭圆运动的月亮(或行星)由于运动方向的不断改变是一直处于加速过程之中，它必定受着非平衡性力的作用。又因为月亮的运行轨道近似于圆，所以这个力的作用无疑是把它拉向其轨道的中心。由于地球处于月亮运动轨道的中心，这一事实就使牛顿断定，给月亮施加作圆周运动所需作用力的乃是地球。同时，他还觉得，月亮也必须给地球以作用力。既然地球与月亮彼此间有吸引力作用，那么太阳与地球、太阳与土星以及地球与土星......之间，肯定也发生这种相互作用。尔后牛顿又具体推导了数学公式，把两个物体之间的相互吸引力同每一个物体的质量和彼此间的距离联系起来。这种关系就是牛顿万有引力定律：即宇宙中的每物体同其它每一物体都在相互吸引着，该作用力的大小与两物体的质量的乘积成正比，而与两者之间的距离的平方成反比。, http://www.100md.com
一. 行星概述
在太阳系里除了地球外，还有水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。有关行星在大小、质量、运动周期和距太阳的距离等情况见表3-1。水星、金星、火星和地球有其共同特点：体积比较小，密度比较大，有一个固体的表面，岩石、金属等元素居多，一般来说表面温度比较高，自转较慢，卫星比较少，这类行星的性质可以用地球作代表，称为类地星。而木星、土星、天王星和海王星的共同特点是：体积比较大，密度比较小，表面温度比较低，没有固体的表面，氢、氦、碳、氮等元素是这类行星的主要成分，自转速度比较快，卫星比较多，这类行星的性质可拿木星为代表，叫类木星。
二. 五星概要
水星离太阳最近，是一个光秃秃的石球。它面向太阳的那一面非常热，温度高达3290C，而背向太阳的一面却非常冷，温度下降到-1850C； 水星有类似月球那样的环形山表 面，其上几乎没有水，仅有一层由氦组成的稀薄大气，由于水星公转速度快，自转速度慢，所以总是在太阳前后出没，只有当水星跑到太阳的两边并且离得最远时才能看见它━
, http://www.100md.com
它先是在太阳刚一落山后出现在西边的地平线上空，或过一段时间又出现在破晓的东方，一般3月下旬至4月初，水星和金星接近，通过明亮的金星较容易找到水星，往后水星接近太阳就看不见了。
金星又称太白星，在地球上看来它是除太阳月亮外最亮的星辰，其大小、体积、质量和密度等都和地球相类似；金星表面的大气比地球表面厚一百倍，其结构与地球不同，它的下层大气主要由二氧化碳组成，而高层大气主要以原子氧为主，大气中二氧化碳占95%左右，氮不超过3%，氧低于0.1%；金星的向日面温度高达4820C，背日面为-200C至-300C；金星高层大气是处在急速而复杂的运动之中，风速每秒钟达100米，每四个昼夜环绕金星一圈；
金星的自转方向与水星、地球等不同，是自东向西旋转，和公转方向相反；由于金星的公转轨道在地球轨道里面，而且比地球接近太阳，所以在地球上看来，它也是在太阳的两边徘徊，当金星转到太阳的东边时，在太阳落山后的黄昏时刻，在西方的上空出现，叫长庚星；当金星转到太阳的西边时，太阳出来之前的黎明时刻，从东方升起，叫启明星。
, 百拇医药
火星与地球极为相似，也有昼夜和四季之分。火星上的大气密度大致跟地球上15～18公里高空的大气相当，主要是二氧化碳，其次是氩，氧气及水分含量不超过地球上含量的千分之一；因此火星上没有任何生物。火星上的温度在赤道区域约150C，靠近南极地区冬季的“雪堆”上为-930C。中午，在赤道地区的温度为200C，而在夜间，在两极地区下降到-1300C；在火星上没有液态水，也没有雨雪等气候变化，但风统治了一切，当火星最接近太阳的时候，太阳的辐射热便引起大气扰动形成了风，而大风刮起粉末状的尘埃，造成“尘暴”。
木星是九大行星中最大的星，因为离热源太远，所以它的温度极低，近于-2000F左右，其大气主要成分是氢，约占75%，余剩下的25%可能被氦占去一半，另一半是氨、水和甲烷等气体。木星自转轴几乎垂直于公转轨道，因此在木星上没有四季变化。由于木星的体积大，自转速度又快，在离心力的作用下，物质便往赤道部分集中，形成以赤道部分较突出，而两极向里缩进的扁球。木星的自转随纬度增加而延长，赤道与两极自转周期相差约5分钟，这说明木星表面决不会是固态的。木星的周围具有辐射带，它的存在证明其具有磁场，且其强度远远胜过地球。
, http://www.100md.com
土星密度是九大行星中最小的，土星的表层温度可低到-1500C至-1800C以下，土星公转速度是很慢的，它的自转速度倒很快，土星体形也是扁球形，比木星还要扁，它的自转轴和公转轨道平面构成一个近270的夹角，从赤道到两极，各处的自转速度不相同；赤道地带自转速度快，而两极地区自转速度慢，这证明它的表层也不可能是固体，而只可能是比水还轻的物质构成。土星的外围也有稠密的大气，从可见层一直深透到它的半径的一半区域。土星最夺丽出众的东西，便是它的光环，这也许是整个天空中最可爱的奇观。光环沿着赤道面包围着土星，但是，没有一处和土星相接触，而是在空间自由地运动着。这些光环，是由无数的微小的卫星般的小粒子构成的，它的成分是冰或铁。这些小粒子直径不大，一般在六米左右，分布相当稀散。光环的粒子绕着土星并在土星的赤道平面里旋转，正象卫星绕着行星旋转一样。
每个粒子都能强烈的反射太阳光。
过去人们所知道的行星中只有金、木、水、火、土五颗大行星特别亮，其位置也时常变化。随着科学技术的不断发展，观察发现在土星之外还有天王星、海王星和冥王星，由于它们离开地球很远，在那里的宇宙几乎是严寒统治着。
, 百拇医药
太阳系除了目前已经发现的九大行星，三十五颗卫星和成千上万颗小行星之外，还有彗星和流星。
三. 行星的大小和距离
我们已经介绍了太阳系各行星的大小和距离，但我们要掌握这些尺度是非常困难的，因为这些数字实在太庞大了。如太阳的直径近于木星直径的10倍，而木星堪称众行星之魁。要理解各个行星的大小还比较容易，而要想象它们之间的距离那可困难多了。水星距太阳3600万英里。而冥王星距太阳则100余倍于此值，或366200万英里，本来这是可以按照实际比例表示出来的，但限于页幅，将太阳系模型按两种不同的比例绘出，如图3-8所示。在这两种比例图上，行星的大小惟有用精密的显微镜方能看到。类地行星和类木行星之间的大小和距日远近的差异是十分悬殊的，地球对我们可以说是庞然大物了，但细想一下，其它行星亦复如此。所有行星的构造都是相当复杂的，因而对它们深入探究颇为引人兴趣。但是我们对这些天体的认识，即便有一些研究得较为透彻，但距离我们欲寻觅的完整图象仍然相去甚远。
, 百拇医药
图3-8
行星与太阳距离示意图
四. 行星的运动
行星的运动从古希腊柏拉图时代起是以地心说为代表，认为行星的运动是以地球为中心作匀速圆周运动。然而到了十六世纪创立了日地说，对行星的地心说运动进行了修正，在十六世纪的头二十年期间，开普勒发表了为后人所共知的开普勒行星运动三定律。第一、第二两定律描述行星的轨道形状和行星在轨道中的运动。第三定律是任意两颗行星绕日运转的对比。这些定律固然是专门对绕日运动的行星推导的，但也适用于绕地球运动的卫星，或绕其它恒星运转的行星。按照第一定律，每颗行星运动轨道的形状为一椭圆。椭圆可以这样画出，取一根8英寸长的绳子，将其二端用大头针钉在相距6英寸的两点上。然后用铅笔将绳子撑着一滑动就画成一个椭圆。大头针所在的两点叫焦点。太阳便是处于每个行星轨道椭圆的一个焦点上。既然太阳是处在轨道椭圆的一个焦点上，故每颗行星距离太阳的远近不是固定不变的。当行星行至远日点时，它离太阳最远，而行至近日点时，它离太阳最近。遵照第二定律，行星与太阳的联线称为径矢，该径矢在单位时间内扫过的面积相等。这就是说，当行星在一定时间内(比如一个月内)从a移动到b点(
, http://www.100md.com
都在近日点附近)，则其径矢扫过的面积就是阴影部分(图3-9)， 但若从c点开始， 其径矢在相同的时间内将扫过相同的面积，不过行星的运动要慢多了，因为远日点附近的径矢远远长于近日点附近的径矢。照此说来，行星的运动在近日点附近要比在远日点附近为快。地球的平均轨道速度是每秒18.6英里；在近日点时每秒为18.9英里，而在远日点时是每秒18.3英里。开普勒第三定律描述了行星运动周期轨道平均半径的依赖关系。第三定律就是告诉我们：行星离太阳愈近，其运动愈快。水星的平均轨道速度为每秒30英里，而冥王星的平均轨道速度却只有每秒3英里。
开普勒掌握了全部肉眼能够看到的行星的周期，因此，他只要求得一颗行星轨道半径的长度，便可计算出每颗行星的轨道半径，从而定出太阳系的规模大小。
图3-9 行星运动开普勒定律示意图
, http://www.100md.com
牛顿曾经寻求下述问题的答案：为何月亮要在一椭圆轨
道上绕地球运动呢？为何它不以恒定的速度迳直向太空遁去呢？牛顿断定，任何不受外力作用的物体要么继续静止不动；要么，若原来处于运动状态，则会依然保持其不变速度的直线运动。这就是牛顿第一运动定律，也称作惯性定律。惯性乃是物质抗拒使它的静止状态或匀速直线运动发生变化的属性。任何运动的变化，无论是速度的增减，还是方向的更换，我们都称之为运动的加速度。牛顿认为，要使一物体加速，必须给它施加一非平衡性作用力。这便是牛顿第二运动定律，它解释加速的原因就是非平衡性作用力。施于物体的外力愈强，产生的加速作用就愈大。但是一切物体并不赋有完全相同的惯性，即是说，不赋有同样的抗拒加速作用的属性。一物体惯性的大小称为质量，因而质量愈大，在作用力相同的条件下所产生的加速度愈弱。显而易见，既然作椭圆运动的月亮(或行星)由于运动方向的不断改变是一直处于加速过程之中，它必定受着非平衡性力的作用。又因为月亮的运行轨道近似于圆，所以这个力的作用无疑是把它拉向其轨道的中心。由于地球处于月亮运动轨道的中心，这一事实就使牛顿断定，给月亮施加作圆周运动所需作用力的乃是地球。同时，他还觉得，月亮也必须给地球以作用力。既然地球与月亮彼此间有吸引力作用，那么太阳与地球、太阳与土星以及地球与土星......之间，肯定也发生这种相互作用。尔后牛顿又具体推导了数学公式，把两个物体之间的相互吸引力同每一个物体的质量和彼此间的距离联系起来。这种关系就是牛顿万有引力定律：即宇宙中的每物体同其它每一物体都在相互吸引着，该作用力的大小与两物体的质量的乘积成正比，而与两者之间的距离的平方成反比。, http://www.100md.com