书城自然科学揭秘神奇的宇宙
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第2章 嗨!太阳系,我来了!(1)

(第一节)太阳系是怎么形成的?

大约50亿年前,一团星际气体和尘埃构成的云状物在引力的作用下开始收缩,并且在云状物中心产生了一团高密度的球状气体,当高密度区域的温度慢慢升高,达到一定程度时引起核反应,便形成了我们这个系统中的恒星--太阳。同时,引力作用还使云状物旋转得越来越快。在旋转过程中,云状物中的物质被挤压成一个围绕着中心旋转的圆盘,盘中的物质又慢慢形成了太阳系中较小的天体,这些天体包括行星、小行星和彗星。

(第二节)太阳有八个小兄弟,都指的是谁?

大家都知道太阳有八个小兄弟,它们按距太阳远近排列依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。按性质不同,这些行星可分为三类:(1)类地行星。体积和质量较小,平均密度最大,卫星很少。包括了水星、金星、地球、火星。(2)巨行星。体积和质量很大,平均密度最小,卫星多,有行星环,自身能发出红外辐射,包括木星、土星。(3)远日行星。远日行星的体积、质量、平均密度和卫星数目都介于前两者之间,也存在行星环,它们是天王星、海王星。八大行星都在接近同一平面的近圆形的椭圆轨道上,朝同一方向绕太阳公转,即行星的轨道运动具有共面性、近圆性和同向性,只有水星稍有偏离。太阳的自转方向也与行星的公转方向相同。多数大行星的自转方向与公转方向相同,但金星则相反,而天王星的自转轴与轨道面的交角很小,躺着自转。除水星和金星外,其他大行星都有自己的卫星。另外,形状特殊的彗星、数量众多的流星体和行星系间稀疏的微小尘粒和气体也是太阳系里的成员。

所谓太阳系“九大行星”是历史上流行的一种的说法,即水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。在2006年8月24日于布拉格举行的第26届国际天文联会中通过的第5号决议中,冥王星被划为矮行星,并命名为小行星134340号,从太阳系九大行星中被除名。所以现在太阳系只有八颗行星。

所以修改行星的定义,是由于新的天文发现不断使“九大行星”的传统观念受到质疑。天文学家先后发现冥王星与太阳系其他行星的一些不同之处。冥王星所处的轨道在海王星之外,属于太阳系外围的柯伊伯带,这个区域一直是太阳系小行星和彗星诞生的地方。20世纪90年代以来,天文学家发现柯伊伯带有更多围绕太阳运行的大天体。比如,美国天文学家布朗发现的“2003UB313”,就是一个直径和质量都超过冥王星的天体。因此,从“九大行星”改为“八大行星”就不难理解了。

一、一家之主--太阳

在太阳系里,太阳是一个有着巨大影响而且占支配地位的天体。太阳的质量占整个太阳系的99.8%,它的体积非常大,直径等于109个地球,而它的内部则能容纳130万个以上的地球。我们看到的太阳其实只是它表面的光球层,温度约为6 000度,温度相对不算高。太阳的能源来自于其核心部分。太阳内核的温度高达1 500万度,压力超过地球气压的340亿倍。高温的太阳内核产生核聚变反应,聚变中,四个质子聚合成一个氦原子核。氦原子核的质量比四个质子小,失去的质量转换成了能量,以伽马射线的形式向外传输能量,在传输过程中,能量不断变换、转化,变成各种波长的电磁波输送到太阳的表面,并向宇宙空间辐射出去。太阳的自转非常缓慢,而且不同纬度处自转的周期不同。在赤道上,自转一周要25天,而两极附近自转一周则需要35天。

(一)太阳的结构

太阳是一个炽热的气体星球,没有固体的星体或核心。太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和大气层。我们能够直接观测的是太阳的大气层,它从里向外可分为光球、色球、日冕三层。从总体来说太阳是稳定的,但它的大气层却处于激烈的局部运动之中,黑子、耀斑等日面活动现象就是这种运动的结果。

1.光球层

对流层上面的太阳大气称为光球,温度约6 000度,几乎全部可见光都是从这一层发射出的。太阳黑子是光球层上最显着的现象,是太阳表面巨大的旋涡状气流产生的,由于它比周围区域的温度低约1 400度,我们看起来比周围暗,所以叫黑子。太阳黑子的平均活动周期是11年。黑子最多的年份称太阳活动峰年,太阳黑子最少的年份称太阳活动极小年。另外,光球层上还存在着从对流层上升到光球层的热气团,称为米粒组织,它们均匀分布,不随时间变化而且寿命非常短暂。有趣的是,在老的米粒组织消逝的同时,新的米粒组织很快又在原来位置上出现,就像我们平时见到沸腾的粥里的那些不断向上冒的气泡。

2.色球层

从光球表面到2 000千米高度为色球层,日全食的时候,可以看到在“黑太阳”的周围有一个红色的光环,那就是太阳的色球层。色球层上时常会窜出一束束很高的火柱,这些火柱就叫做日珥。日珥绰约多姿,变化万千,有的像圆环,有的像耳朵,有的像彩虹,有的像火把,十分美丽壮观。除了日珥外,我们在色球层上还能看到剧烈的耀斑活动。耀斑常发生在黑子群附近。耀斑爆发时,会释放极其巨大的能量,喷射出来的高能质子、重离子及高能电子会对空间运行的各类航天器造成不良影响。

3.日冕

日冕是太阳的最外层大气。由高温、低密度的等离子体组成,我们仅仅在日全食的时候才可以见到日冕。日冕温度达一二百万摄氏度。高温使气体获得克服太阳引力的动能,形成不断发射的较稳定粒子流--太阳风。太阳风携带着的强大的粒子流可能到达地球的南北极,这时,地球两极就会出现极光。当太阳风猛烈吹袭地球时会干扰地球电离层,从而影响地球短波通信。

(二)太阳的年龄

现在太阳已经46亿岁步入中年了,估计能活到100亿年。当太阳老了,它的氢原料耗尽之后它将变成一颗红巨星,由氦和其他较重元素的核反应继续维持它的能量。在临终时,太阳内部的氦将转变成更重的元素,亮度会增加一倍,体积也将不断膨胀,把所有近日行星包括地球都揽入它的怀抱。这时的太阳将变得十分不稳定,接着,太阳将耗尽它所有的能量而猛然坍缩成一颗白矮星。最后,白矮星的收缩停止,变成一个不发光的黑矮星,太阳的生命也就终止了。

(三)日食趣话

日食,特别是日全食,是天空中颇为壮观的景象。它是如何形成的呢?我们知道,月球是围绕地球转动的,地球又带着月球一起绕着太阳公转,当月球运行到太阳和地球之间,三者差不多成一直线时,月影挡住了太阳,于是就发生了日食。月影有本影、伪本影(本影的延长部分)和半影之分。在月亮本影扫过的地方,那里的太阳光全部被遮住,所看到的是日全食;在半影扫过的地方,月球仅遮住日面的一部分,这时看到的是日偏食。有时,月球本影达不到地面,它延伸出的伪本影扫到地面,此时太阳中央的绝大部分被遮住,在周围留有一圈明亮的光环,这就是日环食。日食每年都有发生,但由于全食带是一条狭窄的影带,据估计,平均每200~300年,某一地区或城市才有机会被全食带扫过,所以,对住在同一城市的人来说,一生可能未看到过一次日全食。

二、若隐若现的水星

水星是最靠近太阳的行星,它与太阳的角距从不超过28°。古代中国称水星为辰星,西方人则称它为墨丘利。墨丘利是罗马神话中专为众神传递信息的使者,神通广大,行走如飞。水星确实像墨丘利那样,行动迅速,是太阳系中运动最快的行星。水星的体积在太阳系中列倒数第二位,只比冥王星大些。由于水星就在太阳的眼皮底下,在水星上观察到的太阳会超过地球上的两倍。

(一)炎热和寒冷的世界

水星离太阳的距离只有地球到太阳的1/3左右,水星上的阳光比地球赤道的阳光还强6倍。水星上既没有空气又没有水,昼夜温差非常悬殊。白天,最热时达到427℃,不要说人,就是一些熔点较低的金属也会熔化。夜晚,最冷时则下降到-173℃。温度最高的区域是中心位于北纬30°、西经195°的盆地,它是所有行星中温度最高的地方,因此给它取名为“卡路里盆地”,就是热盆地的意思。由于水星表面温度太高,水星不可能像它的两个近邻金星和地球那样保留一层厚厚的浓密大气,因此无论是白天还是夜晚,水星的天空通常都是一片漆黑,使得它成为太阳系中最黑暗的行星之一。如果你在水星上仰望天空,你会看到两颗明亮的星星:淡黄色的金星和蓝色的地球。

(二)度日如年

水星有着特殊的轨道运动,它绕太阳公转一周仅需约88个地球日,而其自转周期却需约59个地球日,所以将来我们来到水星旅行的时候会感到“度日如年”。就要耐着性子花上十几个小时,但非常值得,因为你有机会在一天里看到两次日出。这是因为水星公转轨道较扁,离太阳远的时候,公转速度慢,离太阳近的时候公转速度快,再配合上水星的自转,一天里太阳就有可能在东方升起两次。

(三)“水手10号”的发现

因为水星有时跑到太阳后面,我们根本就看不见它;有时又跑到太阳前面,淹没在强烈的太阳里,因此在地球上观测水星较为困难。直到20世纪70年代中期,无人探测器“水手10号”探访水星,我们从中了解了一些水星过去的历史:水星表面有许多很深的陨石坑,有的比广东省还要大。这表明水星曾经接连不断地遭到陨石的撞击。同时,水星表面也有广阔的平原和纵横交错、高低起伏的悬崖。科学家们推测水星曾经是液态的,后来逐渐冷却凝固成了岩石。较小的陨石只在水星表面留下一个个陨石坑,而较大的则击破了水星外壳,使涌出的熔岩流在平原上到处流淌。那些构造最高可达3 000米的峭壁可能是由于水星冷却时直径缩小形成的。水星核的主要成分是铁和镍,水星的幔和壳主要由硅酸盐组成。在太阳系所有行星中,水星所含铁的比例是最高的。

(四)水星凌日

当水星走到太阳和地球之间时,我们在太阳的圆面上会看到一个小黑点穿过,这种现象称为水星凌日。其道理和日食类似,不同的是水星比月亮离地球远,它挡住太阳的面积太小了,不足以使太阳亮度减弱,所以,用肉眼是看不到水星凌日的,只能通过望远镜进行观测。水星凌日每100年平均发生13次。

三、揭开金星的“面纱”

金星,中国古代称之为太白或太白金星。它有时是晨星,黎明前出现在东方天空,被称为“启明”;有时是昏星,黄昏后出现在西方天空,被称为“长庚”。西方称金星为维纳斯,是罗马神话中“爱与美”之神的名字。在天空中除了太阳、月亮以外,最明亮的天体就是金星了。从外表看,金星和地球有点像,它们长得大小差不多,金星半径只比地球的半径小315千米,质量也和地球差不多,约为地球的82%。金星物质的平均密度是每立方厘米5.3克,只比地球的平均密度(地球是5.5克/立方厘米)小一点。金星表面不像月亮、水星那样布满环形山,而是比较平坦,大部分表面都覆盖着一层“浮土”,厚度不超过1米。表面上也有高山,还发现有一条很深的沟谷,自南至北穿过赤道,绵延约1 200千米。

(一)“维纳斯”的面纱

金星有着厚重浓密的大气层,其主要成分为二氧化碳,约占97%以上。大气层中还有厚达20千米~30千米的浓硫酸组成的浓云。二氧化碳和浓硫酸云层使得金星表面的热量不能散发到宇宙空间,被封闭起来的太阳辐射使金星表面变得越来越热,因此导致金星上的“温室效应”极其强烈。金星的大气密度是地球的100倍,人到了上面简直要被压扁。它的大气活动很剧烈,大气层中有频繁的闪电和雷暴,“金星12号”曾记录到一个持续15分钟的大闪电。金星表面温度高达480℃。这样高的温度可使锡、铅、锌之类的低熔点金属熔化。在这样的高温下,表面上是找不到一滴液态水的。金星干涸的程度比地球上最干燥的沙漠还要干得多。金星表面终年高温,所以人们给它以“闷热的地狱”的称号。金星的大气温度,高层和低层有很大差别,云层顶部的温度为-23℃,一旦进入云层,温度就明显上升。云层顶部与金星表面温差可达500℃。奇怪的是,金星两极温度反而比赤道地区温度高上5℃。

(二)金星上的奇观

在金星上你会发现太阳从西边升起,东边下落。在地球上此现象被认为是荒唐的事,在金星上却成了事实。原来金星自转方向与其他行星相反,是自东向西逆向自转的。金星自转一周等于地球上的243天,绕太阳公转一周需要224.7天,金星上一昼夜相当于地球上的117天。所以地球上的一“年”还不到金星上的三“天”。

金星上的气候没有四季变化,因为它的自转轴的倾角太小,只有3°,且由于“温室效应”,金星上不管是白天,还是黑夜,在赤道,还是在两极地区,一年到头温度总在摄氏400多度,所以金星表面是终年高温。

金星上没有蔚蓝色的天空,高空的硫酸云遮住了空中的任何景色,使金星弥漫着一种暗淡的桃色光。白天并不很亮,夜晚也不会黑得伸手不见五指,天空一直是灰蒙蒙的。

在金星上遥望地球也是别有风趣的。你将可以看到,我们所居住的地球比月球的圆面还大,悬挂在金星的上空。月亮就挨在地球旁边,它们像一对双星在天空缓慢地绕转,这是一幅多么动人的景色!

(三)金星凌日和金星食

金星也有凌日现象,它以两次凌日为一组,两次凌日间隔8年,但两组之间的间隔却长达100多年,因此金星凌日是百年难遇的。金星凌日看起来就像太阳面庞上的一颗黑痣。俄罗斯天文学家罗蒙诺索夫在1761年观测金星凌日时发现了金星大气。19世纪,天文学家通过观测金星凌日成功地得出日地准确距离。

月掩金星,这是日本着名摄影家藤井旭于1989年12月2日拍摄的,其实这就是一次“金星食”,即从地球看去,月球刚好把金星遮掩起来的特殊天象。此次金星食是东南亚地区在20世纪能够看到的最后一次。