高中地球科學/太陽系導論
- 描述太陽系的歷史觀點。
- 列出行星的名字，並描述它們繞太陽的運動。
- 解釋太陽系的形成過程。
人們並不總是瞭解我們太陽系中的所有天體。古希臘人知道五顆行星。他們不知道這些天體是什麼；他們只是注意到它們的移動方式與恆星不同。它們似乎在天空漫遊，改變它們相對於恆星背景的位置。事實上， “行星”這個詞來自希臘語，意思是 “漫遊者”。他們用神話中的神明來命名這些天體。我們現在使用的行星名稱是這些希臘名稱的羅馬等效名稱：水星、金星、火星、木星和土星。
古希臘人認為地球是宇宙的中心，如圖 25.1 所示。這種觀點被稱為宇宙的地心模型。地心意指 “以地球為中心”。地心模型還描述了天空或天體，它由一組彼此疊放的球體組成。天空中的每個天體都附著在其中一個球體上，並隨著球體旋轉而繞地球運動。從地球向外，這些球體包含了月球、水星、金星、太陽、火星、木星、土星和一個包含所有恆星的外球體。行星看起來比恆星運動得快得多，因此希臘人將它們放在地球附近。
如今，功能強大的望遠鏡實際上可以看到我們太陽系中行星的表面。儘管最近的恆星的直徑比地球大數百倍，但遙遠的恆星看起來像是無法分辨的小點。
地心模型對我們來說可能看起來很奇怪，但在當時，它非常有效。它解釋了為什麼所有恆星看起來每天繞地球旋轉一次。它還解釋了為什麼行星的運動方式不同於恆星，也彼此不同。地心模型的一個問題在公元 150 年左右由天文學家托勒密解決。有時，有些行星看起來會向後移動（逆行），而不是像往常一樣向前繞地球運動。托勒密透過使用一個圓形系統來描述行星的運動來解決這個問題（圖 25.2）。在托勒密的系統中，行星在一個叫做本輪的小圓圈上運動。這個圓圈又圍繞地球在一個叫做均輪的大圓圈上運動。托勒密版的地球中心模型非常有效，以至於它成為宇宙公認的模型長達一千多年。
托勒密的地心模型運作得很好，但它很複雜，而且偶爾在預測行星運動時會出現錯誤。在公元 16 世紀初，尼古拉·哥白尼提出了一個不同的模型，其中地球和其他所有行星都繞太陽運轉。由於這個模型將太陽放在中心，因此被稱為宇宙的日心模型。日心意指 “以太陽為中心”。圖 25.3 顯示了日心模型與地心模型的比較。哥白尼的模型解釋行星的運動與托勒密的模型一樣好，但它不需要像本輪和均輪那樣複雜的新增。
儘管哥白尼的模型比托勒密的模型更簡單，但它仍然不能完美地描述行星的運動。問題是，像托勒密一樣，哥白尼仍然認為行星在完美的圓圈上運動。在哥白尼之後不久，約翰內斯·開普勒完善了日心模型。他提出行星圍繞太陽的運動呈橢圓形（橢圓形），而不是圓形。這個模型完美地匹配了觀測結果。
由於人們習慣了將地球視為宇宙的中心，因此日心模型最初沒有得到廣泛認可。然而，當伽利略·伽利雷在 1610 年第一次將望遠鏡指向天空時，他做出了一些驚人的發現。他發現木星有衛星繞它執行。這是第一個證據表明天體可以繞地球以外的天體執行。他還發現金星有像我們月亮一樣的相位。金星的相位提供了直接證據證明金星繞太陽執行。伽利略的發現導致更多人接受宇宙的日心模型。從地球中心觀點轉變為太陽中心觀點的轉變被稱為哥白尼革命。
在天文學中，開普勒行星運動定律是三條描述行星繞太陽運動的科學定律。1. 行星的軌道是一個以太陽為兩個焦點之一的橢圓。2. 連線行星和太陽的線段在相等的時間間隔內掃過相等的面積。[1] 3. 行星軌道週期的平方與其軌道長半軸的立方成正比。
今天，我們知道我們的太陽系只是整個宇宙中一個微不足道的一部分。地球和太陽都不是宇宙的中心——事實上，宇宙沒有真正的中心。然而，日心模型確實準確地描述了我們的太陽系。在我們對太陽系的現代觀點中，太陽位於中心，行星在橢圓軌道上繞太陽執行。行星不發射自己的光，而是反射來自太陽的光。
從哥白尼、開普勒和伽利略時代以來，我們對太陽系的瞭解越來越多。我們發現了另外兩顆行星（天王星和海王星）、四顆矮行星（穀神星、妊神星、冥王星和鬩神星）、超過 150 顆衛星，以及許多小行星和其他小型天體。
圖 25.4 顯示了太陽和圍繞太陽執行的主要天體。有八顆行星。從太陽向外，它們是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。太陽只是一顆與其他恆星相比普通的恆星，但它是太陽系中最大的天體。太陽的質量是太陽系中其他所有天體總質量的 500 多倍！表 25.1 更準確地給出了太陽和行星相對於地球的尺寸資料。
| 天體 | 質量（相對於地球） | 直徑（相對於地球） |
|---|---|---|
| 太陽 | 333,000 個地球質量 | 109.2 個地球直徑 |
| 水星 | 地球質量的 0.06 倍 | 地球直徑的 0.39 倍 |
| 金星 | 地球質量的 0.82 倍 | 地球直徑的 0.95 倍 |
| 地球 | 1.00 地球質量 | 1.00 地球直徑 |
| 火星 | 0.11 地球質量 | 0.53 地球直徑 |
| 木星 | 317.8 地球質量 | 11.21 地球直徑 |
| 土星 | 95.2 地球質量 | 9.41 地球直徑 |
| 天王星 | 14.6 地球質量 | 3.98 地球直徑 |
| 海王星 | 17.2 地球質量 | 3.81 地球直徑 |
那麼，行星到底是什麼呢？簡而言之，行星是一個圍繞恆星執行的大型圓形天體。在我們的太陽系中，這個恆星就是太陽。衛星是指圍繞行星執行的天體。
“冥王星不是行星嗎？”你可能想知道。冥王星在 1930 年被發現時，被認為是第九顆行星。當我們第一次看到冥王星時，我們的望遠鏡實際上將冥王星及其衛星卡戎看作一個更大的天體。隨著望遠鏡的改進，我們意識到冥王星有衛星，而且冥王星比我們想象的要小得多！隨著像冥王星一樣的天體的發現，以及其中一顆甚至比冥王星更大的天體厄里斯在 2006 年的發現，天文學家們對行星的定義進行了改進。根據新的定義，行星必須
- 圍繞恆星執行
- 足夠大，其自身的重力使其呈球形
- 足夠小，本身不是一顆恆星
- 已清除其軌道區域的較小天體
滿足前三個標準但不滿足第四個標準的天體被稱為矮行星。大多數天文學家現在認為冥王星是一顆矮行星，與穀神星和厄里斯一起。即使在天文學家決定改變行星定義之前，冥王星的許多方面也與我們太陽系中的其他行星不符。
圖 25.4 顯示了太陽和行星的正確相對大小。但是，相對距離是不正確的。圖 25.5 顯示了軌道的相對大小。左上角的影像顯示了內行星的軌道。左上角的影像還顯示了小行星帶，一個位於火星和木星軌道之間的小天體集合。右上角的影像顯示了外行星的軌道。這個右上角的影像還顯示了柯伊伯帶，另一個位於海王星軌道之外的天體群。一般來說，離太陽越遠，從一個行星軌道到下一個行星軌道的距離就越大。
在圖 25.5 中，你可以看到行星的軌道幾乎是圓形的。事實上，軌道並不完全是圓形的，而是略微橢圓形的。冥王星的軌道是一個更長的橢圓。一些天文學家認為冥王星是被海王星拖入其當前軌道的。
開普勒發現的另一件事是行星繞太陽執行一週所用時間（這也稱為“軌道週期”）與太陽到行星距離之間的關係。因此，如果已知行星的軌道週期，則可以確定行星繞太陽執行的距離。這就是我們測量我們太陽系中其他行星距離的方法。
太陽系中的距離通常以天文單位 (AU) 為單位。一個天文單位定義為地球到太陽的距離。1 AU 大約等於 1.5 億公里，或 9300 萬英里。表 25.2 顯示了行星到太陽的距離（軌道平均半徑）以 AU 為單位。該表還顯示了每顆行星自轉一週所需的時間（一天的長度）以及每顆行星完成繞太陽執行一週所需的時間（一年的長度）；特別是，請注意金星相對於地球的旋轉速度有多慢。
| 行星 | 到太陽的平均距離 (AU) | 一天的長度（以地球日為單位） | 一年的長度（以地球年為單位） |
|---|---|---|---|
| 水星 | 0.39 AU | 56.84 天 | 0.24 年 |
| 金星 | 0.72 | 243.02 | 0.62 |
| 地球 | 1.00 | 1.00 | |
| 火星 | 1.52 | 1.03 | 1.88 |
| 木星 | 5.20 | 0.41 | 11.86 |
| 土星 | 9.54 | 0.43 | 29.46 |
| 海王星 | 30.06 | 0.67 | 164.8 |
行星受重力作用而保持在它們的軌道上。想象一下用繩子在圓周運動中揮動一個球。如果你放開繩子，球會沿著直線飛出去。但是，繩子拉球的力使球保持圓周運動。行星的運動非常相似，只是拉動行星的力是行星和太陽之間引力的吸引力。
每個物體都受到其他每個物體的引力吸引。兩個物體之間的引力大小取決於物體質量的大小以及它們之間的距離。當你坐在朋友旁邊時，你和你朋友之間存在引力，但它太弱了，你無法察覺。為了使引力足夠強，至少其中一個物體必須有很大的質量。你可以感覺到你和地球之間的引力，因為地球有很大的質量。這種引力使你不會從地面漂浮起來。從太陽到行星的距離非常大。但是，太陽和每顆行星之間的引力非常大，因為太陽和行星都是非常大的天體。引力也使衛星保持在行星周圍的軌道上。
月球圍繞地球執行，地球-月球系統圍繞太陽執行。但是地球和月球並不是唯一圍繞太陽執行的天體。還有其他行星和更小的天體，例如小行星、流星體和彗星，它們也圍繞太陽執行。太陽系由太陽和所有因重力而繞太陽執行的天體組成。
自 1990 年代初以來，天文學家發現了其他星系，其中行星圍繞著除我們自己的太陽之外的恆星執行（被稱為“太陽系外行星”或簡稱為“系外行星”）。儘管現在已經直接成像了一些系外行星，但絕大多數系外行星都是透過間接方法發現的。一種技術涉及檢測恆星沿我們的視線週期性地朝我們移動和遠離我們的非常輕微的運動（也稱為恆星的“徑向速度”）。這種週期性運動可以歸因於圍繞恆星執行的行星（或有時是另一顆恆星）的引力拉力。另一種技術涉及測量恆星的亮度隨時間的變化。當一顆行星穿過它所圍繞的恆星前方（或“凌星”）時，會發生恆星發出的光的短暫、週期性減少，從而暫時遮擋了一些星光。截至 2010 年 2 月，已確認了超過 420 顆系外行星，而且以越來越快的速度不斷發現新的系外行星。
我們還沒有提到太陽系的兩個關鍵特徵。首先，所有行星幾乎都位於同一個平面上，或像扁平圓盤一樣的區域。其次，所有行星都以相同的方向繞太陽執行。這兩個特徵是太陽系形成方式的線索。
關於太陽系形成的最被廣泛接受的解釋被稱為星雲假說。根據該假說，太陽系是在大約 46 億年前從一個巨大的氣體和塵埃雲——星雲——的坍縮中形成的。星雲主要由氫和氦構成，但也有一些較重的元素。
星雲在重力的作用下聚集在一起。隨著星雲的坍縮，它開始旋轉。隨著星雲的進一步坍縮，旋轉速度加快，就像花樣滑冰運動員在旋轉時將手臂拉到身體兩側時旋轉速度會加快一樣。這種效應被稱為“角動量守恆”，以及重力、壓力和輻射的複雜效應，導致星雲形成圓盤形狀，如圖 25.6 所示。這就是所有行星都位於同一個平面上的原因。
隨著重力將物質拉入圓盤的中心，中心處的密度和壓力增加。當中心處的壓力足夠高，以至於在中心開始發生核聚變反應時，一顆恆星誕生了——太陽。
同時，圓盤的外部分正在冷卻。圓盤中的小塵埃顆粒開始聚集在一起。這些團塊相互碰撞並與其他團塊合併。較大的團塊被稱為星子，它們用自己的重力吸引較小的團塊。最終，星子形成了我們今天在太陽系中發現的行星和衛星。
外行星——木星、土星、天王星和海王星——是在遠離太陽的地方，由氫、氦、水、氨和甲烷等較輕的物質凝結而成的。在木星及其以外的地方，那裡非常寒冷，這些物質可以形成固體顆粒。但在靠近太陽的地方，這些相同的物質是氣體。因此，內行星——水星、金星、地球和火星——是由緻密的岩石形成的，即使靠近太陽，這些岩石也是固體。
- 太陽系由太陽及其所有受太陽引力束縛的天體組成。
- 太陽系中有八顆行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。穀神星、妊神星、冥王星和鬩神星被認為是矮行星。
- 古希臘人相信地心宇宙模型，以地球為中心，其他一切天體圍繞地球執行。
- 哥白尼、開普勒和伽利略推廣了日心宇宙模型，以太陽為中心，地球和其他行星圍繞太陽執行。
- 行星受引力作用，以橢圓軌道圍繞太陽執行。
- 星雲假說描述了太陽系大約在 46 億年前是如何從一個巨大的氣體和塵埃雲中形成的。
- 星雲假說解釋了為什麼所有行星都位於同一個平面上，並以相同的方向圍繞太陽執行。
- “地心”是什麼意思？
- 描述地心宇宙模型和日心宇宙模型。
- 開普勒的日心模型與哥白尼的日心模型有何不同？
- 按離太陽由近到遠的順序，列出八顆行星的名稱。
- 以前被認為是行星，但現在被認為是矮行星的物體是什麼？
- 是什麼讓行星和衛星保持在軌道上？
- 太陽系有多大？
- 用星雲假說解釋為什麼所有行星都以相同的方向圍繞太陽執行。
- 地心模型
- 古希臘人使用的模型，將地球置於宇宙的中心。
- 日心模型
- 哥白尼提出的模型，將太陽置於宇宙的中心。
- 衛星
- 圍繞一個更大天體執行的天體。
- 星雲
- 星際氣體和塵埃雲。
- 星雲假說
- 假說認為我們的太陽系是從一個旋轉的氣體和塵埃雲，也就是星雲中發展而來的。
- 行星
- 圍繞恆星執行的圓形天體，它已經清除其軌道上的較小物體。
- 太陽系
- 太陽及其所有由於引力而繞太陽執行的天體。
- 您是否認為太陽系中的所有行星都是由相似的材料構成的？為什麼或為什麼不？
- 行星通常分為兩組：內行星和外行星。您認為這兩組中分別有哪些行星？每組的成員有什麼共同點？