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[天文学汇总]1

发布时间:2014-01-14 09:49:56  

天文学汇总

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总纲

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展开 01 地平坐标系(高度/方位(Alt/Az)坐标系统)

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以观测者所在地为中心点,所在地的地平线作为基础平面,将天球适当的分成能看见的上半球和看不见(被地球本身遮蔽)的下半球。上半球的顶点(最高点)称为天顶,下半球的顶点(最低点)称为地底。

地平座标系统的参数: 高度角(Alt),有时就称为高度或仰角,是天体和观测者所在地的地平线的夹角。 方位角(Az),是沿者地平线测量的角度(由正北方为起点向东方测量)。 地平坐标系相关名词解释

上升:当天体的方位在0°~180°之间(北方—东方—南方,亦即子午线之东) 下降:当天体的方位在180°~360°之间(南方—西方—北方,亦即子午线之西) 但在下面的特殊位置则例外:

在北极点,因为天顶就是北天极,所有的方向都是南方,所以无法定出方位。 在南极点,地面上所有方向都是北方,一样无法定出方位。

在赤道,位于极点的天体会固定不动的永远停留在地平线上的那一个点。(但实际上由于天极很接近地平线,在该处天体未必能直接看到)

需要注意的是:前面所考虑的是理论上的几何地平,即不考虑地球大气层对天体位置的影响,让观测者的地平线完全以理想的海平面构成。因为地球有弧度,实际上看见的视地平面会随着观测者的高度增加而降低(出现负值)。另一方面大气层也会将地平线下半度的天体折射到地平线上。

02 第一赤道坐标系(时角坐标系)

属赤道坐标系。

天球赤道坐标系分两种:第一赤道坐标系和第二赤道坐标系。二者都以赤道(天赤道)作为第一基圈。第一赤道坐标系又称时角坐标系,与观测者有关。主点取为天赤道与观测者的天顶以南那段子午圈的交点。从主点起沿天赤道量到天球上一点的赤经圈与天赤道交点的弧长为经向坐标,称为时角。时角从0°到±180°或从0h到±12h计量,向东为负,向西为正。天体因周日视运动,时角不断变化。一赤道坐标系和地平坐标系相似之处是坐标随时间地点而变化,这样有利有弊,但在多数情况下不便研究,故在天文学研究中第二赤道坐标系更常用。

03 第二赤道坐标系

属赤道坐标系。

基圈为天赤道,主点是春分点,它是黄道对赤道的升交点,过春分点的赤经圈就是该坐标系的主圈,春分点的时圈与天体时圈之间的球面角P或大圆弧B =α,是天体在第二赤道坐标系中的第二坐标,称为天体的赤经,赤经α是由春分点开始按逆时针 方向量度的,从0°~360°,或从0~24h。第一赤道坐标系是右旋坐标系,第二赤道坐标系为左旋坐标系。 由地球自转造成的天体的周日运动不影响春分点与天体之间的相对位置,因此也就不会改变天体的赤经和赤纬,而在不同的测站﹑不同的观测时间,天体的时角却是变化的。所以,在各种星表中通常列出的都是天体在第二赤道坐标系中的坐标──赤经和赤纬,供全球各地的观测者使用。

04 黄道坐标系

黄道坐标系是以黄道为基圈,以经过春分点的黄经圈(半圆)为始圈,以春分点为原点组成的天球坐标系,它的经度叫黄经〔λ〕,是天体所在的黄经圈—终圈同始圈的角距离,即终圈与始圈所夹黄道的一段弧,以春分点为起点,在黄道上逆时针(左旋)度量,从0°到360°,它的纬度叫黄纬(β),是天体相对于黄道的方向和角距离。从黄道开始,沿终圈向北为0°到90°。向南为0°到-90°。黄道坐标系主要应用于太阳,月亮及行星在天球上的位置和运动。

地球绕太阳运行轨道面无限扩展同天球相交所成的天球大圆叫黄道,黄道也是太阳周年视运动路线。经过地心并与黄道面垂直的直线叫黄轴,黄轴与天球相交的两点叫黄极,分为北黄极〔E〕和南黄极〔E′〕,是黄道的两个极。经过南北黄极并且同黄道相垂直的天球大圆叫黄经圈,天球上与黄道平行的小圆叫黄纬圈。黄道和天赤道相交的两点叫二分点,其中黄道对于天赤道的升交点叫春分点〔γ〕,降交点叫秋分点。黄道上与二分点相距90°的两点叫二至点,其中位于天赤道以北的叫夏至点,位于天赤道以南的叫冬至点。

05 银道坐标系

银道座标系是以太阳为中心,并且以银河系明显排列群星的平面为基准的天球座标系统,它的"赤道"是银河平面。相似于地理座标,银道座标系的位置也有经度和纬度。银道座标系使用太阳做为端点,银经的起点是从太阳测量到的银河中心方向,银纬是以太阳为原点测量的银河平面做为基准面。银道面是整个银道座标系的基本平面,所有银纬与之平行,银经与之垂直;银河系成员如恒星、暗物质与气体、尘埃等部绝大部分对称分布在银道面的两侧。太阳系位处在银道面以北112.7±1.8 光年(34.56±0.56 秒差距)处,但因为距离银河系中心30,000光年之遥,相对来说还是非常接近银道面的。经由国际会议决定银道坐标系的银纬和银经分别以b和l标示,银极的银纬(b)是90°(b=+90°或b=?90°)。银纬~0°的天体,就位在银河系的盘面(亦即银道面)上,也就是在银河座标的赤道附近。

银道座标系是在银道面及其自转的体系下划定天体位置,所以当这些天体随着银河系一起自转时,其座标位置是固定的,然而一旦这些天体不随着银河系自转时,就会造

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成相对位置的改变,其银道座标值也将随之改变。在银河系内的天体位置(具体说就是银道座标)会保持着相对稳定,但是对系外天体而言,因为并未随着银河系一起自转的关系,便会在银道座标系上产生显著的位置改变。

银道座标系是球坐标,太阳位于银道面以北,银经的起点指向银河中心。银道座标系没有像赤道座标系的岁差现象,故不需标示历元。

银道面和天球的赤道面有123°的夹角,银纬(b)以0°至90°角度为单位度量,北银极银纬是+90°,位置在牧夫座的大角星附近,南银极的银纬是-90°,位置在南天的玉夫座。

银经的度量由0°至360°,在银河系自转轴所在的人马座方向起计量,沿着银道面移动,经天鹅座(银经90°)、御夫座(银经180°)与南天的船帆座(银经270°)。

1958年,国际天文联合会在第十届大会上定义了银道座标系相对于赤道座标系统的关系。

06 天球坐标系小结

1.赤道坐标系(第二赤道坐标系) 基本圈:天赤道

基本点:北天极、南天极 第一坐标:赤纬

第二坐标:赤经[左旋坐标系] [注释]

天赤道:地球赤道平面在天球上的投影 北天极:地轴的延长线向北与天球的交点 南天极:地轴的延长线向南与天球的交点

赤纬:赤道坐标系的纬向坐标,从天赤道沿过天球上一点的赤经圈量到该点的弧长。

赤经:赤道坐标系的经向坐标,过天球上一点的赤经圈与过春分点的二分圈所交的球面角

2.地平坐标系 基本圈:地平圈 基本点:天顶、天底 第一坐标:地平高度

第二坐标:方位角[右旋坐标系] [注释]

地平圈:过天球中心且与铅垂线相垂直的平面与天球所交的大圆 天顶:过天球中心的铅垂线向上延伸后与天球的交点 天底:过天球中心的铅垂线向下延伸后与天球的交点

地平高度:从地平圈沿过天球上一点的地平经圈量到该点的弧长。 方位角:过天球上一点的地平经圈与子午圈所交的球面角 天子午圈:通过天球极轴和铅垂线的平面在天球上所截出的大圆,也可以说是通过天极和天顶的大圆

南点:天子午圈与地平圈的两个交点中距南天极近的一点 北点:天子午圈与地平圈的两个交点中距北天极近的一点

东点:天赤道与地平圈的两个交点中自北点顺时钟方向旋转90°的那个 西点:天赤道与地平圈的两个交点中自南点点顺时钟方向旋转90°的那个

3.时角坐标系(第一赤道坐标系) 基本圈:天赤道

基本点:北天极、南天极 第一坐标:赤纬

第二坐标:时角[右旋坐标系] [注释]

上点:子午圈与天赤道的两个交点中位于地平线以上的那个

下点:子午圈与天赤道的两个交点中位于地平线以下的那个

午圈:以上点为中点而且过南点的半圆 子圈:以下点为中点而且过北点的半圆

时角:过午圈的平面与过天体赤经圈的平面而成的两面角

4.黄道坐标系 基本圈:黄道

基本点:黄北极、黄南极 第一坐标:黄纬

第二坐标:黄经[左旋坐标系] [注释]

黄道:过天球中心与地球公转的平均轨道面平行的

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平面与天球相交的大圆

黄北极:通过观测点(坐标中心)做垂直于黄道面的直线与天球相交的两个点,距北天极较近的点

黄南极:通过观测点(坐标中心)做垂直于黄道面的直线与天球相交的两个点,距南天极较近的点

黄经圈:天球上过黄极的任意大圆

黄纬圈:天球上与黄道相平行的任意小圆

黄纬:天体与天球中心的连线和黄道平面之间的夹角

黄经:春分点所在的黄经圈平面与天体所在的黄经圈平面之间的夹角

5.银道坐标系 基本圈:银道 基本平面:银道面

基本点:北银极、南银极 第一坐标:银纬

第二坐标:银经[左旋坐标系] [注释]

银道:银道面与天球相交的大圆

银道面:经过太阳且与银盘对称平面相平行的平面

银经:从银道上银心所在位置起沿银道量到过银极与天球上一点的大圆与银道交点

第一赤道坐标系又称时角坐标系,与观测者有关。

第一赤道坐标系主点取为天赤道与观测者的天顶以南那段子午圈的交点。从主点起沿天赤道量到天球上一点的赤经圈与天赤道交点的弧长为经向坐标,称为时角。时角从0°到±180°或从0h到±12h计量,向东为负,向西为正。

天体因周日视运动,时角不断变化。

天体的赤经和赤纬,不因周日视运动或不同的观测地点而改变,所以各种星表通常列出它们。

就不变;但主圈、主点不断运动。

在不同的测站﹑不同的观测时间﹐天体的时角是变化的。

由地球自转造成的天体的周日运动不影响春分点与天体之间的相对位置,因此也就不会改变天体的赤经和赤纬,而在不同的测站﹑不同的观测时间,天体的时角却是变化的。

方位的大小变化范围为0°~360°,南点为0°,西点为90°,北点为180°,东点为270°。上述这种方位度量是在天文学中所用的方法。

地表各点位置不同,地平坐标系的基本圈(地平圈)和基本点(天顶和天底),也随之不同。

黄道坐标系主要应用于太阳,月亮及行星在天球上的位置和运动。

07 周日视运动

由于地球每天自西向东自转一周,造成了太阳每天早上从东方升起,晚上又从西方落下的自然现象。因为这种现象是地球自转造成的人的视觉效果,所以天文学上把太阳的这种运动叫做周日视运动。

月相

月相是天文学中对于地球上看到的月球被太阳照明部分的称呼。月相的更替周期是29.53天,称为一个朔望月,它是历法中历月和星期的来源。这个时间比月球公转的时间(恒星月)要长,因为当月球绕地球公转时,地球也在绕太阳公转,一个朔望月月球大约要绕(360+360*29.53/365.24)=389.11度(公转只绕360度)。所以一恒星月大约为29.53 * 360 / 389.11 = 27.32天。

黄白交角

月球绕地球公转的轨道面(白道面)与地球绕太阳公转的轨道面(黄道面)之间有第 6 页

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08 周年视运动

09 星等、色指数

1、星等

目视星等

为考察星体的目视亮度,把最亮的星做为1等星,肉眼都能看见的做为6等星,这就是视星等。视星等最早是由古希腊天文学家喜帕恰斯制定的,他把自己编制的星表中的1022颗恒星按照亮度划分为6个等级,即1等星到6等星。重新定义后的星等,每级之间亮度则相差2.512倍,1勒克司的视星等为-13.98。

牛郎星为0.77等,织女星为0.03等,最亮的恒星天狼星为-1.45等,太阳为-26.7等,满月为-12.8等,金星最亮时为-4.6等。现在地面上最大的望远镜可看到24等星,而哈勃望远镜则可以看到30等。

绝对星等

我们把从距离星体10个秒差距的地方看到的目视亮度(也就是视星等),叫做该星体的绝对星等。按照这个度量方法,牛郎星为2.19等,织女星为0.5等,天狼星为1.43等,太阳为4.8等。

因为行星、小行星、彗星等天体只能依靠反射星光才能看到,即使从固定的距离观察,它们的亮度也会不同,所以行星、小行星、彗星的绝对星等需要另外定义。

光电星等

最常用的光电星等系统是UBV系统。

UBV系统包括对天体在三个波长段的辐射测量,传统上通过在检测系统前放置标准滤光片实现:

U:波长360纳米(nm)左右,测量近紫外线成份,所得为紫外星等。 B:波长440nm左右,测量蓝色成分,所得为蓝色星等(蓝等,英文Blue magnitude)。V:波长550nm左右,测量黄、绿色成分,和人眼所见亮度接近,所得为可见星等。天文文献中,不特别说明的星等一般是可见星等。

2、色指数

色指数是天文学中利用颜色来显示恒星表面温度的一个标量。要测量出这个指数,观测者需要使用两种不同的滤镜,U和B或B和V,依序测出目标物的光度。这是一套很常用的通带或滤镜测光系统,U是对紫外线灵敏的滤镜,B是对蓝光灵敏的滤镜,V是对黄绿色的可见光灵敏的滤镜(参考UBV系统)。使用不同滤镜测得的光度差分别称为U-B或B-V的色指数,数值越小,恒星的颜色越接近蓝色;反之,色指数越大,颜色越红(或温度越低)。 这是一系列以对数显示的结果,明亮的天体呈现的数值比暗淡的天体为小(可以为负值)。在比较上,淡黄色的太阳B-V色指数为0.656±0.005,蓝色的参宿七B-V的数值为-0.03(参宿七的B星等为0.09,V星等为0.12,B-V = -0.03)。遥远天体的色指数通常都会受到星际消光的影响—也就是星际红化的现象比近距

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离的天体明显。红化的总量以色余这种特性来表示,在定义上是观测得到的色指数和正常的色指数(或本质的色指数),假设未受到消光影响的真实色指数的差值。例如,在UBV测光系统,我们可以将B-V颜色写成:

大部分光学领域的天文学家使用的通带是UVBRI滤镜,此处U、B和V与前述的相同,R是红色滤镜,I是红外光滤镜。这套滤镜系统有时也以发明者的名字,称为强生-考欣滤镜系统(Johnson-Cousins filter system)。这些滤镜有时会和光电倍增管和玻璃滤镜做成特殊的组合,像是M. S. Bessel就是设置在平台上的特殊滤镜传导组合,可以对色指数进行定量的演算。严格来说,选择一组适当的滤镜时,必须考虑待测天体的温度范围:B-V适合中间范围的温度,U-V适合高温的天体,而R-I适用于低温的天体。

10 恒星日和太阳日

1、恒星日

恒星日:春分点连续两次过同一子午圈的时间间隔。 恒星日(Sidereal Day)是地球上某点对某个恒星连续两次经过其上中天的时间间隔。是地球自转的恒星周期,是指在天文学上以恒星为标准量度地球自转的周期,因为恒星通常被假设是不动的,从这个意义来说,是地球真正的自转周期。

在天文学上,定义恒星日的不是具体的恒星,而是黄道对于天赤道的升交点,即白羊宫第一点,就是北半球的春分点。但是春分点在不断的西移(岁差),所以天文学上的恒星日与地球的自转周期还是有区别的。

因为地球自转不断变慢,所以恒星日将越来越长。

1恒星日=23小时56分4.09894秒,短于人们日常使用的太阳日。 2、太阳日

太阳日是依据太阳运动,所定义的时间,可以分为视太阳日和平太阳日。一太阳日传统称为一“天”或一“昼夜”。

视太阳日是依据视太阳定义的,也就是真实的太阳两次经过该地的子午线的时间间隔,可以使用日晷来测量。

由于以下两个原因,视太阳日在一年当中的长度会每天不停地改变。①地球的轨道是一个椭圆而不是正圆,所以当地球接近太阳时速度会加快,到达近日点时的运动速度最快;远离时又会减慢,到达远日点时的速度最慢(参考开普勒行星运动定律)。②因为地球自转轴的倾斜角度,使得太阳在黄道上运行的大圆对地球的天球赤道是倾斜的,当太阳在两个分点时,穿越赤道时会有一个角度的,所以投影在赤道上的运行速度小于平均速度;当太阳在至点时,他的运动方向是平行于赤道的,所以投影的运行速度高于平均的速度(参考回归年)。因此,视太阳日在3月(26-27日)和9月(12-13日)是 比在6月(18-19日)或12月(20-21日)短的。这些日期的长短变化是在分点、至点、

远日点、和近日点之间逐渐变化的。

平太阳日是以平太阳为参考点,以平太阳连续两次经过上中天,转360°59',需时24小时。更明确的说,平太阳日是经由观察太阳相对于恒星的周日运动,所获得的平均太阳时,经由人为的调整而显示在时钟上的时间。

平太阳日的长度是固定的24小时,在一年之中不会因为昼夜长短的变化而改变。视太阳日的长度会与平太阳日(86,400秒)不同,相邻的每一天最多可以短22秒或长29秒。因为这种延长或缩短会持续进行一段时间,所以最多会比平太阳日提早17分钟或延迟14分钟。因为这些期间是周期性的,平太阳时和视太阳时的差值就是均时差。

在顺行轨道上的行星,像是地球,恒星日会比太阳日短。 在20世纪初期,机械时钟的准确度还没有比地球自转所显示的恒星时钟来得准确,即使到了今天,原子钟的精度已经比地球的自转更为稳定,恒星时钟仍然被用来校准平太阳日。在20世纪末期,地球自转的速率被改以外星系的无线电源来定义,并且平太阳时也被转换成外来的无线电源的比率。平太阳时与协调世界时之间的差异,就成为是否需要做闰秒调整的依据。

平太阳:在天赤道上运行的假想天体,其速度为太阳周年运动平均速度。 真太阳:真太阳是指实际存在的太阳,以别于假想的平太阳。

11 恒星时和太阳时

1、恒星时

恒星时的定义是一个地方的子午圈与天球的春分点之间的时角,因此地球上每个地方的恒星时都与它的经度有关。

由于地球的章动,春分点在天球上并不固定,而是以18.6年的周期围绕着平均春分点摆动。因此恒星时又分真恒星时和平恒星时。真恒星时是通过直接测量子午线与实际的春分点之间的时角获得的,平恒星时则忽略了地球的章动。真恒星时与平恒星时之间的差异最大可达约0.4秒。

一个地方的当地恒星时与格林尼治天文台的恒星时之间的差就是这个地方的经度。因此通过观测恒星时可以确定当地的经度(假如格林尼治天文台的恒星时已知的话)或者可以确定时间(假如当地的经度已知的话)。

2、太阳时

太阳时是指以太阳日为标准来计算的时间。 太阳时分为真太阳时和平太阳时。

真太阳时:太阳视圆面中心连续两次上中天的时间间隔叫做真太阳日。1真太阳日又分为24真太阳时。这个时间系统称为真太阳时。真太阳时是以真太阳视圆面中心的

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时角来计量的,它的起算点是真太阳上中天,而我们日常生活中,习惯的起算点是半夜(下中天),正好相差12小时。因此,为了和人们的日常生活习惯一致,把真太阳时定义为:真太阳视圆面中心的时角加12小时。因为真太阳时是观测太阳视圆面中心得到的,所以真太阳时也称为视太阳时,简称视时。即:真太阳时=平太阳时+真平太阳时差。

平太阳时:以平太阳日为基本计量单位每天自平太阳位于观测所在子午线中天的瞬时(即子夜)算起的时间系统。

由于太阳在黄道上作变速运动,而黄道又向赤道倾斜,所以一年四季的真太阳日长短不等,在日常生活中使用不便。天文学上假设一个假想点,它每年和真太阳同时从春分点出发,也同时回到春分点来;不过它是从西向东在天球赤道上以均匀速度运行。这样的一个假想点叫平太阳。平太阳连续两次经过上中天的时间间隔,叫做平太阳日。1平太阳日又分为24平太阳时??等等。这个施加系统称为平太阳时,简称平时。平时是以平太阳下中天起算的,

MT(mean solar time),简称“平时”,也就是我们日常生活中所使用的时间。天文学上假定由一个太阳(平太阳)在天赤道上(而不是在黄赤道上)作等速运行,其速度等于运行在黄赤道上真太阳的平均速度,这个假想的太阳连续两次上中天的时间间隔,叫做一个平太阳日,这也相当于把一年中真太阳日的平均称为平太阳日,并且把1/24平太阳日取为1平太阳时。通常所谓的“日”和“时”,就是平太阳日和平太阳时的简称。

12 地方时和世界时

A.地方时

以观测者的子午线为基准的时间。 真太阳时又叫做“地方真太阳时”(地方真时),平太阳时又叫做“地方平太阳时”(地方平时)。地方真时和地方平时都属于地方时。

区时

“区时系统”规定,地球上每15°经度范围作为一个时区(即太阳1个小时内走过的经度)每一度为4分钟,从东12时区到西12时区为过一天,中间就是日界线。 这样,整个地球的表面就被划分为24个时区。 各时区的“中央经线”规定为0°(即“本初子午线”)、东西经15°、东西经30°、东西经45°??直到180°经线,在每条中央经线东西两侧各7.5°范围内的所有地点,一律使用该中央经线的地方时作为标准时刻。

国际上统一规定180°经线为“国际日期变更线”。当你由西向东跨越国际日期变更线时,必须在你的计时系统中减去一天;反之,由东向西跨越国际日期变更线,就必须加上一天。 (也就是东十二区总比西十二区早一天) 注:我国横跨东五区到东九区五个时区,为了使用方便,采用首都北京东八区的时区为全国统一时区。故称作北京时间。

本初子午线

1884年在华盛顿举行的国际子午线会议决定,采用英国伦敦格林威治(一译格林尼治)天文台(旧址)埃里中星仪所在的子午线作为时间和经度计量的标准参考子午线,称为本初子午线,又称零子午线。从本初子午线开始,分别向东和向西计量地理经度,从0°到180°。1957年后,格林威治天文台迁移台址,国际上改用由若干天文测时结果长期稳定性较好的天文台组成的平均天文台作为参考。由这些天文台原来的经度采用值,利用天文测时资料反求各自的经度原点,再对这些经度原点进行统一处理,最后求得平均天文台经度原点。1968年国际上以国际习用原点作为地极原点,并把通过国际习用原点和平均天文台经度原点的子午线称为本初子午线。

格林威治时间

在格林威治子午线上测得的时间为格林威治地方时间。在采用格林威治子午线为时间计量的标准参考子午线以后,天文和航海部门便采用格林威治的平正午作为一个平太阳日的开始。这样的选择对于天文和航海部门来说是适宜的,但对于一般人来说并不方便。为此,国际天文学联合会1922年提议,自1925年1月1日起,各国的天文和航海年历采用由平子夜起算的格林威治平太阳时,它与以前由平正午起算的时间相差12小时。国际天文学联合会于1928年决定,将由格林威治平子夜起算的平太阳时称为世界时,这就是通常所说的格林威治时间。

B协调世界时

协调世界时,又称世界标准时间或世界协调时间,简称UTC。中国大陆采用ISO 8601-1988的国标《数据元和交换格式信息交换日期和时间表示法》(GB/T 7408)中称之为国际协调时间。

协调世界时是以原子时秒长为基础,在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。国际原子时的误差为每日数纳秒,而世界时的误差为每日数毫秒。对于这种情况,一种称为协调世界时的折衷时标于1972年面世。为确保协调世界时与世界时相差不会超过0.9秒,在有需要的情况下会在协调世界时内加上正或负闰秒。因此协调世界时与国际原子时之间会出现若干整数秒的差别。位于巴黎的国际地球自转事务中央局负责决定何时加入闰秒。

这套时间系统被应用于许多互联网和万维网的标准中,例如,网络时间协议就是协调世界时在互联网中使用的一种方式。

在军事中,协调世界时区会使用“Z”来表示。而在航空上,所有使用的时间统一规定是协调世界时。而且Z在无线电中应读作“Zulu”(可参见北约音标字母),协调世界时也会被称为“Zulu time”。比如说飞机在香港时间下午六时正起飞,就会写成1000z,

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又或者读作“1000Zulu”。

在中国大陆、香港、澳门、蒙古国、台湾、新加坡、马来西亚、菲律宾、澳大利亚西部的本地时间比UTC快8小时,就会写作UTC+8,俗称东8区。如果是在本地时间比UTC时间慢的地区,例如夏威夷的时间是比UTC时间慢10小时,就会写作UTC-10,并俗称西10区。

依据国际南极条约,南极使用UTC,而UTC的时间等于GMT的时间。美国的史考特研究站是最多人拜访的地区之一,他们在冬天采用UTC+12,夏天则采用UTC+13。

由于北极位于北冰洋上,并非属于任何一国之领土,但是很靠近俄罗斯跟加拿大,而事实上,北极距离加拿大领土超过770公里,早已超过一般常用的经济海域,北极属国际公海区域,依此,北极时区,亦为UTC。

C.世界时

定义:过格林尼治平均天文台的本初子午线上以平子午夜作为零时开始的平太阳时。

UT(universal time)格林威治时间,亦称“世界时”。格林威治所在地的标准时间。现在不光是天文学家使用格林威治时间,就是在新闻报刊上也经常出现这个名词。格林威治是英国伦敦南郊原格林威治天文台的所在地,它又是世界上地理经度的起始点。对于世界上发生的重大事件,都以格林威治的地方时间记录下来。以本初子午线的平子夜起算的平太阳时。又称格林威治平时或格林威治时间。各地的地方平时与世界时之差等于该地的地理经度。1960年以前曾作为基本时间计量系统被广泛应用。由于地球自转速度变化的影响,它不是一种均匀的时间系统。后来世界时先后被历书时和原子时所取代,但在日常生活、天文导航、大地测量和宇宙飞行等方面仍属必需;同时,世界时反映地球自转速率的变化,是地球自转参数之一,仍为天文学和地球物理学的基本资料。

13 时区和法定时区

理论时区

理论时区以被15整除的子午线为中心,向东西两侧延伸7.5度,即每15°划分一个时区,这是理论时区。理论时区的时间采用其中央经线(或标准经线)的地方时。所以每差一个时区,区时相差一个小时,相差多少个时区,就相差多少个小时。东边的时区比西边的时区时间来得早。为了避免日期的紊乱,提出国际日期变更线的概念。

法定时区

但是,为了避开国界线,有的时区的形状并不规则,而且比较大的国家以国家内部行政分界线为时区界线,这是实际时区,即法定时区。

所有的时区都相对于协调世界时设定。

14 原子时和协调世界时

原子时

原子时,一种通过原子钟得到的时间标准。

原子时的基本单位是原子时秒,定义为:在零磁场下,铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。

1967年第13届国际计量大会把在海平面实现的原子时秒定义为国际原子时,作为国际参照时标,规定为国际单位制中的时间单位。

国际原子时 定义:由国际时间局根据国际制秒(SI)的定义,利用原子钟所建立的以1958年1 月1日世界时零时开始的一种时间。

15 春季星空

每年3~5月为春季,以4月中旬晚上八九点钟看到的星空为例。这时你会看到北斗七星斗柄指向东方。

北斗七星南方的是狮子座。它的头部朝西,由几颗较亮的星组成弯弯镰刀形,其中最亮的星叫轩辕十四,它发出青白色的光芒,是1等星,它位于黄道上。狮子的尾巴在东,主要由三颗星组成一个三角形。狮子座的西边是巨蟹座,它的图形被想象成一只大螃蟹。在这个星座中可以用眼睛直接看到一个朦胧的光斑,叫蜂巢星团。在狮子星座的左下方是室女座。室女座中最亮的恒星叫角宿一。巨蟹座、狮子座和室女座都是黄道星座。在轩辕十四和角宿一之间,是黄道和大赤道的交点之一--秋分点,每年9月23日前后,看起来太阳在黄道上运动,正经过这个天区。在室女座的下面是由四颗星组成一个略为偏离梯形的四边形,它属乌鸦座。乌鸦座下面是横贯东西的长蛇座。从北斗七星的斗柄自然延伸出去,我们会看到一颗亮星,它就是牧夫座里的亮星--大角星。大角星是零等星,也是北半天球最亮的恒星。在狮子座和牧夫座之间是后发座,这个星座不大,也没什么亮星,但是这个小星座名气很大:一是北银极就在这个星座里,二是这个星区包含许多星系级的天体系统,如后发星系团。只有通过天文望远镜才能揭示它们的秘密。

春季大三角 春季大钻石 春季大曲线

16 夏季星空

概述

夏季星空的重要标志,是从北偏东平线向南方地平线延伸的光带——银河, 以及

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由3颗亮星,即银河两岸的织女星(天琴座α星)、牛郎星(也叫河鼓二、天鹰座α星)和银河之中的天津四(天鹅座α星)所构成的“夏季大三角”。夏季的银河极为壮美,但只能在没有灯光干扰的野外才能欣赏到。由织女星顺着银河岸边向南边巡去,可看到一颗红色的亮星心宿二(天蝎座α), 它和十几颗星组成一条“S”形曲线,这就是夏季著名的天蝎座,蝎尾浸没于银河的浓密部分之中。由牛郎星沿银河南下,可找到人马座, 其中的6颗星组成“南斗六星”,与西北天空大熊座的北斗七星遥遥相对。人马座部分的银河最为宽阔和明亮。因为这是银河系中心的方向。牛郎星的左下方有四颗小星组成一个菱形,这几颗星属海豚座。从海豚座往东北方,有一个较大的星座,叫天鹅座。它主要由六颗星组成一个大十字形,古希腊神话故事把它想象成一只在银河上空低飞的天鹅,天鹅尾巴处的亮星叫天津四。由织女星和牛郎星的连线继续向东南方向延伸,可找到由暗星组成的摩羯座。沿天津四与织女星的连线向西南方向巡去,可找到武仙座。武仙座以西,有7颗小星,围成半圆形,这就是美丽的北冕座。

星座寻找方法 天蝎座

在夏天的晚上8、9点钟,面向南方,大约仰角40度左右地方,可以轻易看见一颗橘红色的亮星,在它的左右两旁各有一颗小星星相伴,形成一个弧形特徵,那就是代表天蝎星座心脏部位的α星(心宿二)。

天秤座

认识过天蝎座后,我们以它为起点,在它的右边可以发现4颗形成十字形或四边形特徵的星星,那就是天秤座了,其α星(氐宿一),它是一颗2.9等星,距离地球约50光年。

人马座(南斗六星)

继续以天蝎座为中心,在它的左边我们可以找到6颗组成很像北斗七星特徵的星斗,那就是传说中多看此星能让人长命百岁的福寿星──南斗六星。

南冕座

另外在人马座下方以及天蝎座尾部左下方,可以找到6、7颗小星星串联构成马蹄型特徵,那就是代表南方国王皇冠的南冕座了。

蛇夫座、巨蛇座

我们利用天蝎座头部四颗星连成一直线的特徵,往上垂直持续延伸,可找到蛇夫座。蛇夫座头部的α星(侯星),它是一颗白色的星星,其星等约为2等,属于A型星,距离地球约60光年。

天鹰座(牛郎星) 天琴座(织女星) 天鹅座(天津四) 天鹅座星群呈十字型,故被称为北十字

17 秋季星空

秋高气爽,秋季仍然是观星的大好时机。

秋季时北斗斗柄指西,但北斗七星可能已经十分靠近地平线而不易寻找了,但我们大可利用另一标志——仙后座,它就在银河中,看到那个“M”了吗?对,就是它。试着从“M”中间那颗星作大约垂直银河方向向突起的方向伸长,所碰到的第一颗亮星就是北极星,北极星位于小熊座,以前我们是不是都是靠北斗才找到它的呢?找到仙后座之后,顺“河”西南而下,可以找到熟悉的“十”字形天鹅座,而往东北溯“河”而上可看见“人”字形的英仙座。仍从仙后座往南看,四颗较大的亮星组成一个大正方形,这就是秋季星空的代表座——飞马座。飞马座再往南有宝瓶座和双鱼座,它们虽然没有亮星,却都是黄道星座

“飞马当空,银河斜挂”,这是秋季星空的象征。巡视秋季星空,可从头顶方向的“秋季四边形”(又称为“飞马-仙女大方框”),开始,这个四边形十分近似一个正方形,而且当它在头顶方向时,其四条边恰好各代表一个方向。秋季四边形由飞马座的三颗亮星(α、β、γ)和仙女座的一颗亮星(α)构成,十分醒目。将四边形的东侧边线向北方天空延伸(即由飞马座γ星向仙女座α星延伸),经由仙后座,可找到北极星,沿此基线向南延伸,可找到鲸鱼座的一颗亮星(β)。这条长长的南北线差不多在赤经Oh的位置,记住它,估算星星的位置就很方便。将四边形的西侧边线向南方天空延伸(即由飞马座的β星向α星延伸),在南方低空可找到秋季星空的著名亮星北落师门(南鱼座α星),沿此基线向北延伸,可找到仙王座。从秋季四边形的东北角沿仙女座继续向东北方向延伸,可找到由三列星组成的英仙座。秋季四边形的东南面是双鱼座和很大的鲸鱼座。仙王、仙后、仙女、英仙、飞马和鲸鱼诸星座,构成灿烂的王族星座,这是秋季星空的主要星座。秋季四边形的西南面是宝瓶座和摩羯座。

秋季星空的亮星较少, 但像仙女座河外星系(M31)这样的深空天体却比比皆是。

18 冬季星空

面向南天,猎户座是最辉煌的星座,四颗星组成一个璀璨的矩形,左上方是一颗红色的巨星参宿四,他和小犬座的南河三、大犬座的天狼星,共同组成冬季星空最令人激动的景观——冬季大三角。猎户座的矩形右下角是蓝色的星星参宿七,在这个矩形的中间排列着三颗明亮的小星,这是猎户的腰带,下面的三颗暗星是猎户的佩刀。

大犬座中有全天最为璀璨的星——天狼星。提到天狼星,我们都会想起那著名的词句——西北望,射天狼。在中国,天狼星是一颗象征着战乱侵略的恶星。

几乎在猎户座矩形对角线左下到右上对角线的延伸线上,相当于对角线长度的地方

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是一颗红色的亮星毕宿五,那是金牛座的牛眼,沿着这条线继续前行,可以看到金牛雄壮的脊梁,那就是昴星团,通过望远镜我们可以看到那个星团是七个星聚集而成。让自己面对牛眼,然后向左上方看,有两颗相隔不远的小亮星,那是金牛的牛角。

沿着牛角的两颗星向上看,可以看到一颗金色的大星,那是御夫座的五车二。御夫座是制造四轮战车的火神之子厄里克托尼奥斯,宙斯为了表彰他的功绩而把他升到天界。

冬季大三角向上御夫座向左可以看到两颗明亮的星星北河二和北河三,北河二在上,北河三在下,这两颗星是双子座的标志,在这两颗星的左边是不起眼的巨蟹座,它的标志只能通过北河三和更加靠左的狮子座的亮星轩辕十四来辨认,在这两颗星中间的一组暗星就是巨蟹座。双子座和巨蟹座是黄道十二星座的第三个和第四个。 冬季大三角 冬季六边形 冬季大椭圆

19 重要的星群

星群是天文学中出现在地球的天空上的一种非正式星座型态的恒星集团。 1.春季大三角

春季大三角指春天高挂在天空的三颗亮星,它们排列而成三角形状。三颗亮星分别是狮子座的五帝座一、室女座的角宿一及牧夫座的大角星。另外春季大三角再加上猎犬座的常陈一,排列成一侧视之钻石形状,称为春天大钻石。

利用北斗七星的斗柄,顺着圆弧延伸可找到大角及角宿一,这条曲线叫做“春季大曲线”,再利用此二星为底,便可找出春季大三角。

2.春季大钻石

春季大钻石也称为室女的钻石,是一个星群。它是由猎犬座的常陈一(猎犬座α)、狮子座尾巴的五帝座一(狮子座β)、室女座的角宿一(室女座α)、和牧夫座的大角星(牧夫座α)四颗星组成。它涵盖的空间比大北斗还要大。在大钻石的中间还有一个传统的星座:北冕座,许多邻近的星系,包括室女座星系团也在这个星群的范围内,其中也有许多使用业余天文学家的望远镜就能看见的星系。扣除大钻石中的常陈一,由其余三颗恒星组成的等腰三角形就是一般人所熟知的春季大三角。

3.春季大曲线

在天顶以北,大熊座正在子午圈上,北斗七星当空高悬,几乎靠近天顶,斗柄指向东方,所以在我国古代就有“斗柄东指,天下皆春”的说法.连接斗口的两颗星(β和α),并延长到这两颗星距离五倍远的地方,就会找到较为明亮的北极星

(小熊座α星);沿着斗柄几颗星(δ、ε、δ、ε)连成的曲线延长出去,可以找到大角星,它是牧夫座的最亮(α)星,在东方半空中闪耀着橙色的光辉.把北斗斗柄的曲线从大角星再延长一倍,可找到另一颗亮星角宿一,它就是室女座α星.再继续西南巡去,可找到由四颗小星组成的四边形,这就是乌鸦座.这条始于斗柄、止于室女座的大弧线,就是著名的“春季大曲线”.

4.夏季大三角

夏季大三角指在夏季的东南方高空里由天琴座的织女星、天鹅座的天津四及天鹰座的牛郎星组成的三角形。即使在大城市里,只要避开强烈的灯光干扰,也能看到这个明显的几何图形。

在三角形的西边是银白色的织女星,在她的东边是天津四星,在东南方的那颗是牛郎星。还可以在这个大三角中找到灿烂的银河。银河从三角形里向外延伸,

在每年10月份选择一个晴天又没有月亮的晚上,面向西南方找到“夏季大三角”,然后,慢慢地向东方漫游,就会遇到“秋季四边形”。四个角上的四颗星并不是很亮。

四边形的4颗星分别叫做室宿一、室宿二、壁宿一、壁宿二。在我国古代,人们把这个四边形看作是避风遮雨的住室。每到秋季,人们修补房屋、堵上漏洞,才算吃了“定心丸”,保证过一个温暖的冬天,因此也把这4颗星叫做“定星”。 “飞马当空,银河斜挂”,这是秋季星空的象征。 6.冬季大三角

冬季夜晚星空主要景象。由大犬座的天狼星、小犬座的南河三及猎户座的参宿四所形成的三角形。这三颗星所形成的三角形位于天球的赤道上,所以世界各地都可以看见。7.冬季六边形

冬季六边形或者又称冬季橄榄是由参宿七(猎户座)、毕宿五(金牛座)、五车二(御夫座)、北河三/二(双子座中的最亮星)以及南河三(小犬座)和天狼星所组成的形状,常位于北半球的星空中。在地球上的各地(除新西兰南部岛屿、智利与阿根廷南部以及更高南部纬度地区)这一组星在12月份到3月份在

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天空当中都是非常明显的。在热带与南部半球,又会扩展到南天星空的亮星老人星。 8.冬季大椭圆 在冬季的夜空中,由猎户座的参宿七,连向金牛座的毕宿五和御夫座的五车二,再转向双子座的北河三,接着连至小犬座的南河三和大犬座的天狼星,最后再回到猎户座的参宿四--这七颗星就组成了我们所称的“冬季大椭圆”。注:“冬季大椭圆”又名“冬季大花环” 9.北斗七星 北斗是由天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳、摇光七星组成的。北斗星在不同的季节和夜晚不同的时间,出现于天空不同的方位,所以古人就根据初昏时斗柄所指的方向来决定季节:斗柄指东,天下皆春;斗柄指南,天下皆夏;斗柄指西,天下皆秋;斗柄指北,天下皆冬。 与开阳相距11分处有一颗4等伴星,名“辅”,开阳星和辅星组成视双星, 肉眼即能识辨。开阳本身也是一颗双星。

辅星)。开阳A的星等2.3,距离地球59光年。开阳B的星等4.0,距离地球82光年。10.南斗六星 北斗七星在大熊座,南斗六星在人马座。紫微星即是我们常叫的北极星,也是帝星。北极星在正北方时,即其通过子午线时,北极星一日通过子午线二次。但真正的北

极星是岁差星,移动于恒星之间。所谓岁差星是春分在黄道上每年退行约五十秒之现象,地轴以垂直于黄道之方向为轴,约二万六千年为周期。在天球上,北极插一小圆于黄

极之周围,以日月加力于地球赤道肿胀部分之结果为主,与黄道上分定移动之原因相同,此结果依时代而累,距今四千年前,北极在天龙座δ星(右枢),前二千年在小熊座β星

(即帝星,紫微斗数称为紫微星),今后八千年在天鹅座α星(天津四),一万二千年则在天琴座α星(织女星

),二万六千年后又回复今日之位置,今后公元2102年,北极星最接近于真正之北极,二者之角距离27"37"。古代圣贤,仰观天上星,将大熊座、小熊座诸星,加以太阳/ 太阴之位置的变化,用来推算一个人的造化。 11.猎户腰带

猎户座内连成一线的δ、ε、δ三颗星。“三星高照,新年来到”。 12.狮子座镰刀 在狮子座的头部,从轩辕七(狮子座ε)止于轩辕十四(狮子座α)的恒星构成的曲线,很像镜像中的问号,长期以来都被称为镰刀。 13.拱顶石

武仙座中心的四颗恒星:天纪三(武仙座ε)、天纪二(武仙座δ)、天纪增一(武仙座ε)和女床一(武仙座π)构成著名的拱顶石。

14.指极星

北斗斗魁末端的天枢和天璇两星(大熊座α、β)。把两星的联线沿天璇至天枢方向延长约五倍就可以找到北极星,故称这两颗星为指极星。 15.南门双星

半人马座的南门二与马腹一合称南门双星。南门二向马腹一连线并延长几度就能找

到南十字顶端的十字架一(南十字γ),而从十字架一画一条穿过十字架二(南十字α)的直线就能有效的确认南方,它们是南天极的指极星。

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20 全天21颗亮星

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天狼星是夜空中最亮的恒星,其视星等为-1.47,几乎为第二亮恒星老人星的两倍。天狼星根据拜耳命名法的名称为大犬座α星。天狼星是一个双星系统,其中包括一颗光谱型A1V的白主序星和另一颗光谱型DA2的暗白矮星伴星天狼星B。

天狼星距离我们2.6秒差距(8.6光年)。天狼星A的质量为太阳的两倍,绝对星等为1.42等,比太阳亮25倍。此双星系统约有二亿至三亿年历史,并且一开始是由两颗蓝色的亮星组成。更高质量的天狼星B耗尽了能源,成为一颗红巨星,然后又渐渐削去外层,约在一亿二千万年前坍塌成为今天的白矮星状态。

大角星和天狼星都有显著的移动,而当中天狼星更在之间1800年内向南移动了30分角(约为月球的直径)。

1868年,天狼星成为第一颗被测量出运行速率的恒星。今天测量出来的数据为每

秒7.6公里速。

从1894年起,人们观测到了天狼星系统里一些明显的轨道不规则性,因此大家认为当中还有第三颗很小的伴星,虽然此假设未被确切证实。数据指出,第三颗星围绕天狼星A的公转周期为6年,其质量只得0.06太阳质量。它会比白矮星天狼星B要暗5到10级,因此很难被观测得到。最近的观测数据虽然证实不了它的存在,但是仍然有可能是其太接近天狼星A,以致观测不到。1920年代发现的“第三颗星”似乎只不过是一颗背景天体。

Robert Hanbury Brown和Richard Q. Twiss于1959年在Jodrell Bank天文台使用他们的光学干涉仪首次测量出天狼星A的直径。[34]在2005年,天文学家利用哈勃太空望远镜确认天狼星B的直径几乎相等于地球的直径(12,000公里),不过其质量达到太阳的98%。

早在公元前150年,天文学家托勒密描述天狼星为一颗红色天体,其余5颗恒星:参宿四、心宿二、毕宿五和北河三都同时被记述作桔黄色或红色色调的天体。这个不一致性由拉特兰Lyndon Hall的乡绅、业余天文学家汤姆2巴克(Thomas Barker)发现,他于1760年在伦敦皇家学院的聚会中演讲。由于其他的星体许多都能转变光度,使人们相信这些星体甚至也能转变颜色。约翰2弗里德里希2威廉2赫歇尔在1839年也注意到了这一点,有可能是受他两年前观测过的海山二影响的。[40]Thomas Jefferson Jackson See在1892年重新提起了红色天狼星的问题,他在1892年出版了几篇论文,并在1926年出版了最后结论。他指出,不只是托勒密发现天狼星的红色,连诗人阿拉托斯、演说家西塞罗、将军日尔曼尼库斯都认为天狼星是红色的,尽管这三位都非天文学家。塞内卡也把天狼星描述成暗红色的,还要比火星的颜色更深。虽然如此,并非所有的古代观测者都看到红色的天狼星,如公元1世纪诗人Marcus Manilius把它描写为“天蓝”,4世纪的Avienus也一样。在中国古代,白色是天狼星的标准颜色,早至公元前2世纪晚至公元后7世纪若干记录都记述天狼星呈现着白色的光芒。

用天狼星A或天狼星B恒星演化的可能性来解释颜色争议这个理论已经被天文学家推翻,原因是几千年的演化时间太短,并且从星云的分析并没有看出曾发生过这种演化过程的迹象。与至今还未发现的第三颗星的交互作用也是天文学家提出的可能性之一。其他解释也有:被描述成红色在诗词里有隐喻凶兆的意思,或是升起时强烈的闪烁使人们以为天狼星是红色的。用肉眼来看,天狼星在地平线不远处的时候似乎闪烁著红色、白色和蓝色的光辉。

在适当环境条件之下,天狼星甚至能在有太阳的时候被肉眼看到。当然,天空要非常清,观测地点的海拔必须要高,太阳要低低的挂在地平线上,再加上天狼星要在头顶上,十分难得。

距离天狼星最近的大型恒星是南河三,距离为1.61角差距或5.24光年。1977年

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发射的旅行者2号飞船,在完成了研究四颗类木行星的任务之后,预计将于大约296,000年之后到达8.7光年以外的天狼星。

双星系统

天狼星是一个双星系统,当中的两颗白色恒星互相围绕公转,相距约20天文单位(大概是太阳和天王星之间的距离),公转周期却只有50多年。较亮的一颗星,或称天狼星A,是一颗A1V型主序星,估计表面温度为9,940K。其伴星天狼星B,已经度过了主序星的过程,成为了一颗白矮星。尽管现在天狼星B的光谱比天狼星A暗10,000倍,它却曾经是两颗星体之中质量较大的一颗。这个双星系统的年龄估计为大约2亿3000万年。在其生命前期,人们猜想有两颗蓝白色恒星互相以椭圆围绕公转,周期为9.1年。红外线天文卫星量度到,天狼星系统要比预计的放射更多的红外线辐射。这可能是系统里星尘的表现,并且对于双星系统来说较为罕见。

天狼星A

天狼星A的质量约是太阳的2.1倍。光学干涉仪量度出此星的半径,估计角直径为5.936±0.016mas。它的恒星自转速度为较慢的每秒16公里,因此并没有有效地把星体压扁成圆盘形。织女一和天狼星B的体积相近,以更高速的每秒274公里自转,使其在赤道处向外拱起。

天体模型指出天狼星A形成于一次分子云坍塌的时候,到了1千万年之后,其能源的生成已经完全由核聚变提供。其核心成为了对流层,并利用碳氮氧循环制造能量。人们预测,天狼星A会在其形成之后10亿年(10^9)之内用尽储存在核心的氢。此时它会经历红巨星阶段,然后再温和下来,成为一颗白矮星。

天狼星A的光谱又著很深的金属线,显示出一些重于氦的元素的增强(如铁)。相比于太阳,天狼星A大气层里相对于氢含量的铁含量为,也等于10^0.5,意思是说它大气层中的铁的含量是太阳的316%。不太可能整颗恒星都富有金属元素,而其实这些金属元素都可能是悬浮在位于表面的一层薄对流层上。

天狼星B

天狼星B的质量几乎相等于太阳的质量,并且是已知最大质量的白矮星之一。它差不多有平均的0.5至0.6太阳质量的两倍。然而这么多物质却被压缩成约为地球的大小。其目前的表面温度为25,200 K。但是,由于在内部已经没有能量的生成,剩余的热量会以辐射的形态放射出外太空。

一颗恒星要经过主序星和红巨星阶段才会成为白矮星。天狼星B成为白矮星时的年龄比它现在的年龄小一半多一点,约为1亿2千万年前。还是一颗主序星时它估计有5个太阳质量大。天狼星B是红巨星的时候,可能增加了其伴星天狼星A的金属量。

天狼星B最初由碳及氧元素组成,这两种元素是形成天狼星B的已死亡恒星里的氦核聚变产生的。这些元素被更轻的元素覆盖,并根据质量来分层,因为天狼星B有着高 表面重力。因此,天狼星B的外层大气层几乎为纯氢,宇宙中最轻的元素,光谱中也找不到任何其它元素。

天狼星超级疏散星团

在1909年埃希纳2赫茨普龙是第一位提出天狼星是大熊座移动星群之一的人,他在观测天狼星系统在天空中的移动路径之后得出这个结论。大熊座移动星团是由220颗恒星组成的,并在太空有相同的移动路径。其最初形成时是疏散星团的一部分,从此便逐渐脱离引力的牵引。不过,在2003年和2005年作出的分析却表示天狼星未必属于这一星团。大熊座移动星团估计年龄为4到6亿年,而天狼星的金属量和太阳的相似,因此年龄只有2亿多年,对于这星团来说太年轻。天狼星可能属于一个“天狼星超级疏散星团”,该疏散星团的明亮成员恒星可能包括御夫座β、北冕座α、巨爵座β、波江座β和巨蛇座β等。此星团是太阳附近500光年以内的三个星团之一。其余两个为毕宿星团和昴宿星团,都各有几百颗恒星。

2.老人星

老人星(α Car/船底座α)亦叫南极老人星、寿星,是船底座主星,在中国传统天文系统里是位于井宿的老人星官里唯一肉眼可见的恒星。虽然老人星距离地球超过300光年,不过视星等为?0.72等,是南半球最明亮的恒星,也是全天空中第二亮的恒星,仅次于天狼星。而它实际的绝对星等则为?5.53等。

老人星是一颗不寻常的F型白色超巨星。它位于南半球赤纬?52°42'、赤经06h24.0m的位置。对于大部分的南半球地区,可以同时在高的位置观测到老人星及天狼星,它们在夜空中达到最高点的时间只相隔21分钟。当人们位在南纬38°以南的地区时,老人星将成为一颗拱极星。虽然老人星的亮度仅次于天狼星,不过在1843年的短暂时间中,船底座的海山二亮度也曾经超过老人星。根据依巴谷卫星的研究,老人星距离地球约310光年,这是根据老人星的视差为10.43 ± 0.53角分所推测出来的。与老人星相比,天狼星的亮度只有太阳的22倍,并且相当接近地球,因此视星等可以超过其他的恒星。

因为老人星拥有不寻常的特征,所以测量它的直径是有困难的。老人星的光谱属于F0 Ia型,并且是一颗F型的明亮超巨星,而天文学家对这类恒星所知甚少,只知道它们可能是将演化成红巨星或是从红巨星演化出来的恒星,这也导致天文学家难以猜测老人星原本的亮度及它与红巨星状态的距离有多远。

老人星的表面温度是7350±30K,直径估计为0.6天文单位(根据角距离为0.006角秒所作的估计),因此老人星大约是太阳的65倍大。如果将它放置在太阳系的中心,老人星将会占据水星轨道内侧空间的75%,如果有一颗可以适合生物生存的行星存在,它与老人星之间的距离会是太阳与冥王星距离的3倍。

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老人星是天蝎-半人马星协(Scorpius-Centaurus Association)中的一部份,这是一群从同一个源头演化出来的恒星。

3.南门二

南门二(α Cen / 半人马座α)位于天空南方的半人马座,是一个三合星系统,其中一颗恒星是全天空第4明亮的恒星。不过因为其中两颗恒星距离过近,肉眼无法分辨出来,所以它们的综合视星等为-0.1等(超过第3亮的大角星),绝对星等为4.4等。

南门二是距离太阳最近的恒星系,只有4.24光年(约277,600天文单位)。比邻星(Proxima Centauri)通常被认为是这个恒星系的成员,距离太阳只有4.22光年。

南门二中最大的成员是半人马座α星A。它是一颗G2V型的主序星,发出黄白色的光芒,在亮度与体积上都稍微超过太阳。南门二中第二大的成员则是半人马座α星B。它是一颗K1V型的主序星,发出橘黄色的光芒,亮度与直径都略逊于太阳。这两颗恒星互相绕转的轨道偏心率为0.52,彼此相距最近为11.2天文单位(大约是太阳与土星之间的距离),最远则达到35.6天文单位(大约是太阳与冥王星之间的距离),周期则将近80年。它们的质量总和刚好超过太阳的2倍,年龄大约是50至60亿年之间。

比邻星

比邻星为一颗红矮星,距离半人马座α星A与半人马座α星B大约是13,000天文单位(约0.21光年或南门二与太阳之间距离的1/20)。比邻星可能以一个50万年或更久的圆形轨道来公转,也可能是以双曲线的轨道来运转,这有可能导致比邻星将在几百万年后离开这个恒星系。因此比邻星有时被称为半人马座α星C。比邻星与半人马座α星A及半人马座α星B之间的关系看起来并不全然是意外所造成的,因为它们在宇宙中大约以相同的轨道来运行,就像是一个恒星系统一样。

从地球上的角度来看,比邻星与半人马座α星A及半人马座α星B之间相隔了2度(大约是满月时角距离的4倍),而半人马座α星A及半人马座α星B之间则彼此相距40"。距离南门二最近的是太阳与巴纳德星(6.47光年),巴纳德星也是距离太阳第2近的恒星(5.96光年)。

可能的存在行星

行星组成模式显示类地行星可以在接近半人马座α星A与半人马座α星B的位置来形成,但是类似木星与土星的类木行星则因为双星的重力影响而无法形成。假定恒星类型、年龄与轨道稳定度相同的话,南门二被认为最有可能拥有一个适合外星生命存在的行星。然而有一些天文学家认为如果南门二拥有任何类地行星的话,因为缺乏类木行星的存在,它们也可能会是干燥的。目前认为木星与土星这样的类木行星对于彗星进入内太阳系有决定性的影响,因此也提供内部的行星水的来源。然而如果半人马座α星B对于半人马座α星A扮演的角色类似类木行星与太阳之间的关系的话,这可能不是个问 题。这两颗恒星的恒星光谱适合潜在的行星来孕育生命。

南门二的视野

从南门二的附近来观测宇宙,将会看到许多地球上的观测者所看到的天体,大部份的星座几乎也没有变化,例如猎户座与大熊座等。但是半人马座最明亮的一颗星将会消失,而太阳则会成为仙后座中一颗视星等为0.5等的恒星。大体来说,仙后座的外形将会从\/\/变成/\/\/,太阳将会位在阁道二的尾端。

附近的明亮恒星,例如天狼星与南河三会出现在一个差异很大的位置上。天狼星会成为猎户座的一部份,出现在距离参宿四2度的位置上,而且稍微比地球上观测到的还要黯淡(-1.2等)。而大角星,北落师门与织女星虽然与太阳和南门二均相距甚远,都会发生微小的移动。比邻星将会成为一颗不显眼的4.5等星,考虑到它距离半人马座α星A及半人马座α星B只有4分之一光年,这显示出比邻星是如此的黯淡。它在背景的星空中缓慢却持续的移动,在数十年的时间范围内能够被人们所查觉。

如果有一颗行星环绕半人马座α星A或半人马座α星B,在这颗行星上,它们将会是非常明亮的双星。举例来说,如果距离半人马座α星A1.25天文单位的位置有一颗类似地球的行星的话(公转周期为1.34年),半人马座α星A的亮度对于行星而言与太阳相似,而半人马座α星B则将会变暗5.7等至8.6等,但仍然会达到?21.0等至?18.2等,虽然比半人马座α星A黯淡190至2700倍,但仍然比满月明亮170至2300倍。相反的,如果距离半人马座α星B0.71天文单位的位置有一颗类似地球的行星的话(公转周期为0.63年),半人马座α星B的亮度对于行星而言与太阳相似,而半人马座α星A则将会变暗4.6等至7.3等,但仍然会达到?22.1等至?19.4等,虽然比半人马座α星B黯淡70至840倍,但仍然比满月明亮520至6300倍。对于环绕其中一颗恒星的行星而言,第二颗太阳不至于对于气候或光合作用(约等于土星与太阳之间的距离)产生不良的影响。不过这意味着,大约有半年,夜空不是漆黑一片,而是深蓝色的,人们可以四处行走甚至可以不用人工照明来阅读。

已知拥有行星的双星系统例如少卫增八,而且太阳系的巨型星周围都拥有卫星系统的存在,显示在这两颗恒星周围并不是不可能拥有类似地球的行星。许多行星猎人小组无法凭著视向速度在这个系统来发现任何巨型行星或棕矮星,如果它们存在的话将会撕裂任何位在或靠近适居区的类地行星。

4.大角星

大角星(α Boo/牧夫座α)英文名Arcturus,是牧夫座中最明亮的恒星。以肉眼观看大角星,它是橘黄色的,视星等-0.04,是全天空第3亮的恒星,仅次于-1.46等的天狼星与-0.86等的老人星。大角星和南门二都位在本星际云(Local Interstellar

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Cloud)中。

大角星虽然位于北半球,但距离天球赤道的纬度少于20度,因此在南北两个半球都能看见。大角星大约在4月30日的子夜中天,因此在北半球的春天,南半球的秋天可以看见这颗恒星。北半球的观察者可以沿着北斗星弧状的柄来找到大角星。顺着这个弧线继续延伸,也可以观测到角宿一。大角星与室女座角宿一、狮子座五帝座一共同组成春季大三角,如果再加上猎犬座的常陈一就成为春季大钻石。

大角星是属于K1.5 IIIpe型的红巨星,“pe”代表的是“特殊的发射线”,显示大角星发出的光谱是不寻常且充满谱线的。这对红巨星而言并非太过罕见,但是大角星是特别明显的一个范例。大角星的亮度至少是太阳的110倍,不过这低估了它实际发出的强度,例如大角星在红外线波段所发射的“光”,所以大角星全部发射出的能量大约达到太阳的180倍。因为大角星的表面温度较太阳来的低,拥有较低的光视效能(luminous efficacy),所以在可见光波段发射出的能量也较低。

大角星以高速的自行运动而著名,除了南门二以外,它的自行速度比太阳附近的任何1等星都要快速。大角星目前几乎处于最靠近太阳的位置上,并正以高速移动中,它与太阳系的相对速度为122km/s。大角星被认为是一颗古老的星系盘恒星,并与其他52颗这种类型的恒星移动中。大角星的质量难以确定,不过可能与太阳大约相等,而且不会超过太阳的1.5。大角星被认为很可能比太阳还要古老,太阳将会经历的红巨星阶段非常可能就是这颗恒星目前的情况。

根据依巴谷卫星的测量,大角星距离地球36.7光年(11.3秒差距),是一个相对较近的天体。依巴谷卫星的观测也显示大角星可能是一个双星系统,伴星约比主星黯淡20倍左右,它的轨道可能位于现在观测技术可以达到的极限,所以目前无法发现该天体。然而目前这个观点已经过时,最新的研究显示大角星是一颗单星。

星震

天文学家认为大角星表面会稍为震荡,这是一个红巨星常有的特征。天文学家在大角星上有一个特别的发现:它将会变得更红(往恒星光谱M型来演化),变化也将更激烈。极端的例子类似米拉,该天体拥有几百天的巨大变化幅度,而大角星并不是非常的红,而且拥有短暂的变化周期及微小的变化范围,位于稳定性和变化性中间。

5.织女星

织女 (α Lyr,α Lyrae,天琴座α) 是天琴座中最亮的恒星,在夜空中排名第五,在北半球是继大角星之后的第二亮星,距离地球只有25.3光年。

织女星大约在西元前12,000年曾是北半球的极星,并且在西元13,727年,当它的赤纬是+86°14'时,会再度成为北极星。织女星是除了太阳之外,第一颗被拍摄的恒星,也是第一颗拥有光谱记录的恒星。它也是第一批经由视差测量估计出距离的恒星之一。 织女星也曾是测量光度亮度标尺的校准基线,是UBV测光系统用来定义平均值的恒星之一。在北半球的夏天,织女星多半可在天顶附近的位置见到,且视星等接近0等,因此仍有一些专业与业余的天文学家会以织女星作为光度测定的标准。

织女星的年龄只有太阳的十分之一,但是因为它的质量是太阳的2.1倍,因此预期它的寿命也只有太阳的十分之一;这两颗恒星目前都在接近寿命的中点上。织女星的光谱分类为A0V,其温度比天狼星的A1V高一点。它仍于于主序星阶段,并透过把核心内的氢聚变成氦来发光发热。织女星拥有的原子序数比氦重的元素丰度异常的低,织女星在光度上存在着轻微的周期性变化,因此也被怀疑是变星。它的自转快速,在赤道的速度是274km/s ,由于离心力的影响,导致赤道向外突起,结果是光球温度横越表面的变化,在极点达到最大值。从地球是朝向织女星的一个极点方向上进行观察。经测定织女星每12.5小时自转一周,整颗恒星呈扁平状,赤道直径比两极大了23%。

从地球上看到的恒星亮度是使用标准化的对数刻度,即视星等来表示,它随着恒星亮度的增加而减小。肉眼能见的最暗恒星为6等星,而最亮的恒星天狼星星等为-1.47等。为了标准化这个对数刻度,天文学家选择织女星来作为所有波长的0星等。因此多年以来,织女星被用作是绝对光度测定的亮度刻度。然而这并没有延用下来,现在视星等的零点普遍使用特定数值的光流量来表示。这种方法对于天文学家来说更加简便,因为织女星并不能永远作为度量的标准。

UBV测光系统测量通过紫外、蓝和黄色滤光片的恒星星等,分别用U,B,V表示。织女星是1950年提出的用来设置UBV测光系统的初始平均值的六颗恒星之一。这六颗恒星的平均星等被定义为: U - B = B - V = 0. 实际上,这些恒星在黄、蓝和紫外部分的电磁光谱的星等是一样的。因此,织女星在可视的范围内有较接近的电磁波谱—波长范围为350-850纳米,人眼能够看见这其中的大部分;因此光流量密度大致相等:2000-4000Jy,然而,织女星的光流量密度在红外波段则大幅降低,每5 平方毫米大约为100Jy。

1983年,织女星成为第一个被发现有尘埃盘的恒星。红外线天文卫星(IRAS)发现织女星发出红外超辐射,这可能是尘埃盘被恒星加热而辐射出来的能量。

天琴座流星雨是很明显的流星雨,每年在4月21~22日左右达到极大期。天琴座流星雨的辐射点就在织女星附近,是由佘契尔彗星所引起的。

织女星核心产生的能量来自于碳氮氧循环(CNO循环),这是一种通过以碳、氮、氧原子核为中介,把质子聚合为氦的核聚变过程。该过程需要约1500万度的高温,这比太阳中心的温度还要高,但比太阳的质子-质子链反应的效率更高。CNO循环对温度高度敏感,紧邻的对流层将核心区聚变反应产生的“灰”均匀散布,接着是辐射层,最外层是大气层。这与太阳形成鲜明的对照:太阳的辐射层在中心,其外覆盖的是对流层。

织女星的能量通量已经对照“标准光源”精确地进行了测量。在波长为5480 ?的

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波段,光通量为3,650Jy,误差范围2%。织女星的可见光谱中,氢的吸收光谱线占主导地位,特别是在电子主量子数n=2的巴耳末系。其他元素的谱线相对来说较微弱,其中较强的是电离的镁、铁、钙线。织女星的X射线辐射很微弱,这表明织女星的日冕肯定很微弱甚至不存在。

南比戈尔天文台(Observatoire du Pic du Midi de Bigorre)的一个天文学家小组使用磁分光偏振法探测到织女星的表面存在磁场。这是在光谱型为A型的恒星、而不是Ap和Bp星这类化学丰度特殊星上第一次探测到磁场。视线方向的平均磁通量为?0.6±0.3 高斯 (单位).这与太阳表面的平均磁场强度相当。

织女星的半径曾通过干涉仪进行高精度的测量,结果显示它的半径估计为太阳半径的 2.73±0.01倍。这比天狼星的半径大60%,但恒星模型显示它只应该大约12%。这个矛盾可以解释为我们观测到的是高速旋转的织女星的转轴方向。高分辨率天文中心(CHARA)干涉仪在2005年至2006年的观测证实了这个推测。

织女星的自转轴与我们的视线夹角不大于5°。其赤道附近的恒星自转速率约为 274km/s (相当于自转周期为12.5小时),已达到因离心力效应而解体的速率上限的 93%。极速自转导致织女星明显变扁,赤道半径比极半径大 23%。(织女星的极半径为 2.26±0.02 太阳半径, 赤道半径为 2.78±0.02 太阳半径。) 从地球上看,视线几乎正对着极区,因此它看上去特别大。

两极的重力加速度大于赤道地区,根据“冯.Zeipel定理”,两极的光度也较高。这可以从恒星表面有效温度的变化上看到:极区温度高达 1万K, 而赤道区域约为 7,600K.结果是:赤道面的亮度仅为极区的一半。因此,这导致了强烈的重力变暗(gravity darkening)效应:相对于普通的基本球对称恒星而言,从极区看去,织女星会比预期的暗。温度梯度还意味着赤道周围可能存在“对流区”,而其余的大气层基本都处于辐射平衡中。

假如织女星是颗普通的球对称、缓慢自转的恒星,那么按当前测定的距离而言,它的绝对光度将是57个太阳,远远大于同等质量普通主序星的绝对光度。高速旋转的发现解决了这个矛盾——织女星的绝对光度约为37个太阳。

天文学家把原子量比氦更大的元素称为“金属”。织女星光球层的金属度只有太阳大气层金属丰度的32%。(跟织女星一样,天狼星的金属丰度也只有太阳的三分之一。) 太阳比氦更重的元素丰度(即金属丰度)约为ZSol = 0.0172 ± 0.002.[50] 从丰度上来说,织女星只有0.54%的组成元素比氦更重。

异常低的金属含量使得织女星成为一颗牧夫座λ型恒星。然而光谱型A0-F0的恒星为何存在如此罕见的化学组成仍旧是个未知数。其中一种可能是扩散或质量损失的结果,虽然恒星模型显示这一般只发生在恒星的氢燃烧阶段末期。另一种可能是该恒星诞生于异常低金属含量的气体尘埃等星际物质中。 观测到的织女星的He/H比例为0.030 ± 0.005,这比太阳低约40%。这可能是由于其近表面的氦对流层消失引起的。能量传递被辐射层所取代可能引起与扩散大不相同的异常。

对织女星的精确的测量表明其红移值为?13.9 ± 0.9 km/s[55]。负号表示其相对运动朝向地球。在约210,000年后,织女星将最终变为地球夜空中的最亮星;在290,000年后将达到其峰值星等为-0.81,在270,000年后变成天空中的最亮星。

恒星的自行会引起恒星相对于更远的背景星的位置变化。对织女星的精确测量表明其自行为:赤经方向202.03 ± 0.63 毫弧秒/年,赤纬方向287.47 ± 0.54 弧秒/年。织女星的合成自行为327.78 弧秒/年,这使得它在11,000 年内移动一度。

发现织女星有红外超,超过单独一颗恒星应有而过剩的红外线通量,是来自红外线天文卫星 (IRAS) 早期的结果之一。这些过多的红外线在25、60、100μm波长的测量中,都来自以恒星为中心的10弧秒 (10″) 角半径范围内。依据测量到的织女星距离,这相当于80天文单位 (AU) 的距离;1AU是地球环绕太阳公转的平均轨道半径。有人认为这些辐射来自来自尺寸在毫米的大小,环绕恒星的颗粒,因为比这更小的颗粒最终都会因为坡印廷-罗伯逊拖曳的辐射压力而被从恒星系统中移除掉。后者是辐射压力创造的影响力造成的结果,使轨道中以螺旋向内运动的尘埃粒子被推挤出去。这种效果对越靠近恒星的微小颗粒越为显著。

后续以193μm织女星测量些假设的颗粒,显示出比预期为低的通量,这表明了这些颗粒的大小必须在100μm或还要更小的数量级上。要维持一定数量的尘埃在环绕织女星的轨道上,就必须不断的补充其需求。被建提议维持尘埃数量的机制是在盘面中不断的有合并和坍缩以形成行星的程序在进行。按实际比例的模型显式从极轴的方向观察,尘埃分布在半径120AU圆盘面上。另一方面,圆盘中心有一个半径不小于80AU的洞。

继发现织女星周围的红外超之后,也发现其它恒星因为尘埃的排放所产生的也显示类似的异常现象。迄2002年,大约已经发现400颗这样的恒星,并且被归类为"类织女星"或"织女星超"的恒星。相信这些可能会提供太阳系起源的线索。

在2005年,史匹哲太空望远镜获得了环绕织女星尘埃的高解析影像,它显示尘埃盘在波长24μm延展至43″ (330AU) ,在70μm 是70″(543AU),和在160μm是105″(815AU)。这些更广泛分布的尘埃盘是由大小在1–50μm的尘埃粒子构成的圆形和自由的团块,估计这些尘粒的总质量是3 310-3地球质量。须要有相对于太阳系古柏带的小行星互相碰撞,才能产生这些尘粒。因此,这些尘埃比较像环绕织女星的岩屑盘,而不是早先所认为的原行星盘。

艺术家想像矮行星大小的天体在近期的碰撞,可能造成环绕着织女星这颗恒星周围的尘埃环。

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估计岩屑盘的内径是11″±2″,或70–102AU。尘埃盘是织女星较大的岩屑碰撞产生的碎片被辐射压推向外围产生的。但是,以织女星的生命估计,要维持观察到的尘埃盘,须要有巨大的起始质量 - 估计是数百倍木星质量。因此,更有可能产生相对来说是中等大小 (或更大) 的彗星或小行星,然后这些元件再与较小的元件或其它物体碰撞,结果产生更小的碎片。相较于恒星的年龄,这个尘埃盘是比较年轻的,除非有其它的碰撞事件继续提供更多的尘粒,它终将会消散掉。

在2001年,帕洛玛测试干涉仪的首度观测和稍后威尔逊山天文台的 CHARA array在2006年的观测,都显示织女星有内尘埃带的证据。在恒星的8AU范围之内,这个外星黄道尘可能是系统内动力扰动的证据。这可能造成彗星或小行星猛烈的轰击,并且可能是行星系统存在的证据。

来自詹姆斯克拉克麦斯威尔望远镜在1997年的观测显示在织女星的中心区有朝向东北延展9″ (70AU) 的明亮区域。这被假设为尘埃盘若不是受到行星的摄动,就是有被尘埃包覆的天体在轨道上运转。然而,凯克望远镜的影像排除了有亮度在16等以上,超过12倍木星质量的天体存在。在夏威夷 联合天文中心和加州大学的天文学家认为这个影像可能是行星系仍然在形成的证据。

在2005年,使用昴星团望远镜的日冕仪,天文学家得以进一步的认定这颗环绕织女星的行星质量介于木星的5-10倍[70]。虽然还不能直接看见这颗环绕着织女星的行星,但也不能排除行星系统的存在。因此,可能有更接近恒星,轨道比较小的类地行星。环绕织女星的行星轨道倾角可能倾向于和这颗恒星的赤道平面密切相关。而从环绕着织女星的假设行星观点来观察,太阳只是在天鸽座的一颗4.3等的暗星。

6.五车二

五车二 ( α Aur/御夫座α)是御夫座内最亮的一颗恒星,是个恒星系统,由4颗恒星组成两对联星。第一对包括两颗亮星,大的一颗恒星光谱是G-型巨星,两颗恒星半径大约都是太阳的10倍,在靠得很近的轨道上互绕着。这两颗星被认为是冷却并在膨胀中的红巨星。第二对与第一对相距大约11,000天文单位 (0.17光年),由两颗较小且较暗的恒星组成,被认为是两颗红矮星。五车二的系统相对来说非常靠近地球,距离只有42.2光年(12.9秒差距)。这个系统属于毕宿移动星群,是与毕宿星团有着相同移动方向的一些恒星组成的。

五车二由两颗G光谱型的巨星组成。主星表面温度约4900K,半径约为12个太阳半径,质量约为2.7个太阳质量,全波段的光度约为太阳的79倍。伴星温度约为5700K,半径约为9个太阳半径,质量约为2.6个太阳质量,全波段的光度约为太阳的78倍。如果考察全部波段辐射,该恒星系统的主星更加明亮;但在可见光波段观测时,主星却更加暗淡:主星的视星等约为0.91,而伴星视星等为0.76。 该联星对并非食双星,也就是说,从地球上看,二者从不互相遮挡。它们的绕行轨道直径约1亿千米,绕行周期约为104天。它们在主序星阶段可能类似于织女星,为A光谱型;现在它们正在膨胀变冷,成为越来越亮的红巨星,这一阶段大概要花费数百万年时间。人们猜想,二者中质量更大的恒星在其核心已经开始进行氦聚变,产生碳和氧;但这个过程在质量较小者身上还没有进行。

五车二是一个X射线源,这被认为主要源于更大质量恒星的日冕层。

7.参宿七

参宿七(β Ori/猎户座β),英文名Rigel,位于猎户座,虽然名为β星,但比α星参宿四还要亮,视星等0.18,是夜空中第七亮的恒星。参宿七距离地球约为700至900光年,其光谱类型属于B8,推断它为一颗蓝超巨星,光度为太阳的85,000倍。

光学和紫外观测表明,参宿七不仅连续地吹出很强的星风,还以间断的方式抛出物质,形成一个膨胀的气壳。它最亮时成为猎户座的第一亮星,光度变化规律有待研究。虽然名为β星,但比α星参宿四还要亮,(Google Earth中参宿七为猎户座α星,而参宿四为β星)视星等0.18,是夜空中第七亮的恒星。

8.南河三

南河三 (α CMi/小犬座α/小犬座 10)是小犬座内最亮的恒星,在亮星表中排名在前十名之内。

南河三也是冬季大三角的顶点之一,另外两颗是大犬座的天狼星与猎户座的参宿四。

南河三也是邻近太阳系和地球的恒星,在近距离恒星表中,列出的距离是11.41光年(3.5秒差距)(距离排名第13)。 与天狼星相同,他也是双星—主星(南河三A)也有一颗黯淡的白矮星作为伴星(南河三B),与另一颗鲁坦星(距离排名第22)的距离仅有1.11光年(0.34秒差距)。

南河三A

南河三A 是一颗黄白色的恒星,光度比太阳亮7.5倍,光谱为F5IV-V型。事实上,因为在该型光谱中他也比其他同类的恒星亮,所以有人认为他应该是次巨星,也就是说他刚刚结束氢融合成氦的核聚变反应,并开始膨胀。所以,他不仅仅是要开始“红化”,并且会胀大到目前直径的80-150倍,成为红色或橘色的恒星。这个过程可能会耗费一千万至一亿年的岁月,当太阳濒临死亡时也会经过相似的历程。

南河三B

南河三B是颗黯淡的白矮星,与南河三A的距离大约是16天文单位,差不多是天王星到太阳的距离。

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9.参宿四

参宿四,在拜耳命名法是著名的猎户座α (α Orionis或α Ori),是全天第八亮星,也是猎户座第二亮星,只比邻近的参宿七 (猎户座β) 暗淡一点。它是有着明显红色的半规则变星,视星等在0.2至1.2等之间变化著,是变光幅度最大的一等星。这颗恒星标示著冬季大三角的顶点和冬季六边形的中心。

在分类上参宿四是一颗红超巨星,目前认为参宿四的距离大约是640光年,平均的绝对星等是-6.05。

在1920年,参宿四是第一颗被测出角直径的恒星 (除太阳之外)。从此以后,研究人员不断使用不同的技术参数和望远镜测量这颗巨星的大小,而且经常产生冲突的结果。目前估计这颗恒星的事直径在0.043~0.056角秒,作为一个移动的目标,参宿四似乎周期性的改变它的形状。由于周边昏暗、光度变化、和角直径随着波长改变,这颗恒星仍然充满了令人费解的谜。参宿四有一些复杂的、不对称的包层,引起巨大的质量流失,涉及从表面向外排出的庞大冠羽状气体,使事情变得更为复杂。甚至有证据指出在它的气体包层内有伴星环绕着,可能有助于这颗恒星古怪的行为。

天文学家认为参宿四的年龄只有1,000万年,但是因为质量大而演化的很快。他被认为是来自猎户座OB1星协的奔逃星,还包含在猎户腰带的参宿一、参宿二、和参宿三等0和B型晚期恒星的集团。以现行恒星演化的晚期阶段,预料参宿四在未来的数百万年将爆炸成为II型超新星。

美国变星观测者协会 (AAVSO) 的记录显示最大的视星等 (亮度) 在1933年和1942年是0.2等,最暗的视星等出现在1927年和1941年,是1.2等。这样的光度变化常被人错误的用来解释拜耳为何在1603年出版的Uranometria中将参宿四命名为猎户座α,而更亮的对手参宿七却只是猎户座β。

在2009年6月29日,诺贝尔得主查理斯2汤发表了这颗恒星自1993年在速率的增加上已经萎缩了15%。他提出的证据来自加州大学柏克莱分校位于威尔逊山天文台山顶的ISI已经持续15年观测到恒星的收缩。尽管参宿四的大小明显的减少,汤和他的同事Edward Wishnow指出,在美国变星观测者协会长期定期监测下,参宿四可见的光度,或星等在这段期间并没有明显的变暗。半径减少与相对恒定通量耦合的此一发现,成为恒星结构理论的一些根本问题。

几十年来天文学家已经了解红巨星创造的不透明外壳主导了质量重返银河,但是这种恒星质量流失的实际机制仍然是一个谜。在2009年7月,欧洲南方天文台释出由甚大望远镜干涉仪 (VLTI) 获得的影像,显示巨大的羽流气体喷射到周围的距离几乎远达到30天文单位,这种物质抛射只是发生在周围大气诸多动态中的一种。天文学家发现在参宿四周围至少有6种不同的壳层活动。当本世纪开始时,解决恒星演化阶段的质量 损失之谜,或许可以揭示这些超巨星突然爆炸的因素。

在SIMBAD的列表中,参宿四的视星等是0.42,使它的平均亮度是天球上的第9亮星,正好就在水委一的前面。但因为参宿四是一颗变星,它的光度变化范围在0.2至1.2之间,因此有的时候他的光度会超越南河三,成为全天第八亮星。参宿七也是一样,它通常的视星等是0.12,但报告指出光度有0.03至0.3星等的波动,这也可能使参宿四偶尔会比参宿七明亮而成为全天第七亮星。当它最暗时,会比第19亮的天津四还要暗,并与十字架三竞争第20名的位置。

参宿四的色指数 (B–V) 是1.85—在图形上指出这是个极度"红色"的天体。这颗恒星的辐射能只有13%的是经由可见光发射出来,而大部分的辐射都在红外线的波段。如果眼睛可以感觉到所有辐射的波长,参宿四可能会成为全天空最亮的恒星。

作为胀缩变化恒星"SRC"的次分类,研究人员提供了不同的假设试图解释参宿四反复无常的舞蹈-这导致绝对星等在-5.27至-6.27之间的振荡现象。以我们目前了解的恒星结构认为是这颗超巨星的外层逐渐的膨胀和收缩,造成表面积 (光球) 交替的增加和减少,和温度的上升和降低-因此导致测量到这颗恒星的亮度有节奏的在最暗的1.2等,如同1927年早期见到的,和最亮的0.2等,如同1933和1942年,之间变化著。像参宿四这种红巨星,因为大气层本来就不稳定因此会通过脉动的方法。当恒星收缩,它吸收越来越多通过的能量,造成大气层被加热和膨胀。反过来,当恒星膨胀时,它的大气层变得稀薄,允许较多的能量逃逸出去并使温度下降,因此启动一个新的收缩阶段。在计算恒星的脉动和模型都很困难的情况下,看来有几个交错的周期。在上个世纪的1930年代,Stebbins和Sanford的研究论文指出有一个由150至300天的短周期变化调制成的大约5.7年的规则循环变化周期。

事实上,超巨星始终显示不规则的光度、极化和光谱的变化,这指出在恒星的表面和扩展的大气层有着复杂的活动。对照于受到监测的大多数巨星都是有着合理的规则周期的长周期变星,红巨星通常都是半规则或不规则的,有着脉动特性的变星。在1975年,Martin Schwarzschild发表了一篇具有里程碑意义的论文,将光度起伏不定的变化归咎于米粒斑的模式-一些巨大的对流细胞覆盖在恒星的表面。在太阳,这些对流细胞,或是称为太阳米粒,代表热传导的一种重要模式-因为那些对流元素主宰著太阳光球的亮度变化。太阳的米粒组织典型的直径大约是2,000公里的大小 (大约相当于印度的表面积),深度大约700公里。在太阳表面大约有200万个这样的米粒斑覆盖著6兆公里2的光球面积,如此巨大的数量产生相对恒定的通量。在这些米粒斑之下,连结著5000至10,000个平均直径30,000公里,深度达到10,000公里的超米粒斑。对照之下,Schwardschild认为像参宿四这样的恒星可能只有一打左右像怪兽的米粒斑,直径达到1亿8千万公里或更大而足以支配恒星的表面,与深度6千万公里,这是因为红巨星的包层温度和密度都很低,导致对流的效率极低。因此,如果在任何时间都只能看见三分

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之一的对流细胞,它们所观测到的光度随着时间的变化就可能反映出恒星整体的光度变化。

天文学家面对的第三个挑战是测量恒星的角直径。在1920年12月13日,参宿四成为第一颗在太阳系之外曾经被测量出直径的天体。虽然干涉仪仍处在发展的初期,经由实验已经成功的证明参宿四有一个0.047"的均匀盘面。天文学家对周边昏暗的见解视值得注意的,除了10%的测量误差,小组得出的结论是由于沿着恒星边缘部分的光度强烈的减弱,盘面可能还要大17%,因此角直径大约是0.055"。从那时已来,已有其他的研究在进行,得到的范围从0.042至0.069角秒。结合历史上估计的距哩,从180至815光年,与这些资料,得到恒星盘面的直径无论何处都在2.4至17.8天文单位,因此相对来说半径是1.2至8.9天文单位。使用如同太阳系的标准,火星的轨道大约是1.5AU,在小行星带的谷神星是2.7AU,木星是5.5AU。因此,取决于参宿四与地球的实际距离,光球层可以扩展至超出木星轨道的距哩,但不能确定是否会远达土星的9.5AU。

有几个原因使精确的直径很难定义:

1.光球收缩和膨胀的节奏,如理论所建议的,意味着直径不是永远不变; 2.由于周边昏暗造成从中心向外延伸的越远光的颜色改变和辐射衰减越多,而没有明确定义的"边界";

3.参宿四被从恒星逐出的物质组成的星周包层环绕着-这些物质吸收和辐射光线-造成光球层的边界很难定义;

4.在电磁频谱内以不同的波长测量,每个波长透露一些不同的东西。研究显示可见光的波长有较大的角直径,在近红外线减至最小,不料在中红外线再次增加。报告的直径差异可已多达30-35%,但因为不同的波长测量不同的东西,将一种结论与另一种比较是有问题的;

5.大气层的闪烁使得地面上的望远镜因为大气湍流的影响降低了解像力的极限角度值。

天文学家预计参宿四最终会以II型超新星爆发来结束它的生命,剩余一颗中子星,或是其质量只足够变成一颗白矮星。但各方对它还有多长寿命并没有一致的意见:有些人认为它的直径不停变化代表着参宿四正在融合它的碳原子,而会在数千年之内变成超新星;不同意这观点的人则认为它可以生存更久。

10.水委一

水委一(英语:Achernar)也称为波江座α星,是波江座最明亮的恒星,也是全天空第九亮的恒星,距离地球约139光年,位于波江座的南端。在全天空最明亮的九颗恒星中(天狼、老人、大角、南门二、织女、五车二、参宿七、南河三与水委一),水委一是最炙热,颜色也是最蓝的一颗。 水委一是一颗明亮的蓝色恒星,质量约为6到8倍太阳质量,被天文学家分类为主序星,恒星光谱属于B6型,亮度为太阳的3,150倍,绝对星等为-2.78等。水委一的位置偏南,所以对于北半球许多人口稠密的地区而言,水委一永远位于地平线之下(北纬33度以北的地区无法观测,大约与美国达拉斯或日本鹿儿岛的位置相当)。因此南半球比北半球更适合观测水委一,尤其是在11月份。水委一在南纬33度以南的地区成为拱极星。因为岁差现象,水委一在西元前3000年时曾经是南极星。

水委一在高速自转下呈现扁球体。

直到2000年3月为止,北落师门与水委一是天球中角距离最远的两颗一等星。而天蝎座的心宿二则是最孤独的一等星,但是心宿二附近有许多明亮的二等星,相较之下北落师门与水委一附近的夜空则较为黯淡。

天文学家使用欧洲南方天文台的甚大望远镜观测水委一后,发现水委一拥有一颗伴星。这颗伴星为一颗A型星,恒星光谱介于A0V与A3V之间,质量可能是太阳的两倍。水委一与伴星之间距离约为12.3天文单位,公转周期至少是14至15年。

直到2003年时,水委一是银河中天文学家已知最扁的球状天体。因为水委一的自转非常快速,秒速约为250公里,所以形状为扁球体,赤道直径(太阳的11.4倍)比两极直径(太阳的7.3倍)要长56%。从地球的角度来看,水委一的自转轴倾斜65度。因为水委一的形状如此特殊,所以可能会对伴星的公转轨道产生影响,变成更加类似椭圆形,这种情况类似狮子座的轩辕十四。

因为水委一的形状呈扁球体,所以表面温度随着纬度而产生剧烈变化,极区的温度可能超过20,000度,而赤道地区则可能不到10,000度,平均温度为15,000度。天文学家经由干涉仪测量到水委一的自转扭曲,发现水委一抛射出的物质在恒星周围形成气体环,所以水委一确实是一颗Be星。

11.马腹一

马腹一(β Cen /半人马座β)是半人马座第二亮星,在全天亮星排名第11,英文名称为Hadar或Agena。它是一颗蓝白色的巨星,距离太阳系大约525光年远。半人马座内有两颗亮星,α星我国古代称为南门二,视星等为-0.27m,是全天第三亮星; β星古称马腹一,视星等0.61m,为全天第十亮星。这两颗星离得很近,我国古代合称它们为“南门双星”,14世纪郑和下西洋时,曾用它们来导航。

在1935年,J.G. Voute确认马腹一是一颗双星,编号为VOU 31。伴星与主星的距离是1.3",但是迄今只有少许的变动,因此推断有很长的周期。主星本身也是分光双星,至少有一颗轨道周期352天的伴星,并且可能还有其他的伴星。

12.牛郎星

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河鼓二,即著名的“牛郎星”,“天鹰座α”(Altair),又叫“牵牛星”或“大将军”,在日文中称作“彦星”。河鼓二距离太阳系16.7光年,是恒星光谱A型中的主序星。它的质量是太阳的1.7倍,直径为太阳的1.8倍,亮度是太阳的10.6倍。表面温度约7000摄氏度。

该星与著名的天狼星存在很多相似之处:都是非常年轻的恒星(形成时间可能仅有数亿年),其内核都是由氢的核聚变反应产生的氦构成。这样的恒星,在其寿命达到35亿年左右时,由于氢原料的耗尽而向内收缩,形成红巨星,最终演化成白矮星。河鼓二星的自转速度非常高(每秒286公里,自转一周需8.9小时),因此在外形上呈现椭球形。其赤道直径是两极直径的1.14倍。

1978年之后,科学家观测到河鼓二是有3颗伴星的四重联星。其三颗伴星分别被命名为WDS 19508+0852B,WDS 19508+0852C,WDS 19508+0852D。但是后来发现此三者很可能是在河鼓二附近出现的不相关恒星,因此尚且有争议。该三个恒星可能是红矮星,也可能是褐矮星。2007年,NASA再次宣布:该三个恒星只是河鼓二(牛郎星)的光学伴星。目前河鼓二已经被认定为单星,不存在伴星系统。另外此三个假的河鼓二伴星视星等全部为9等以下,可以推测它们和太阳距离比较遥远。

13.十字架二

最南边的一颗亮星,比半人马座的南门二(半人马座α)更为偏南。 十字架二是一个距离太阳系320光年远的三合星系统,但以目视观测只能分辨出两颗星。α1和α2之间相距只有4弧秒。 α1的光度是1.40等,α2是2.09等,两颗星都是高温的B型星(接近O型星),表面温度分别是28,000和26,000K,个别的亮度分别是太阳的25,000和16,000倍。α1和 α2的轨道周期非常长,使得这两颗星看起来几乎是静止不动。由两颗星最小的距离只有430天文单位估计,轨道周期有1,500年之久,而且可能还会更长。

α1本身还是一颗光谱双星,两者的质量分别是太阳的14倍和10倍,以76天的周期在相距1天文单位的距离上互绕。α2和更亮的伴星α1的质量建议这些恒星有一天将会成为超新星。α1比较暗的那一颗伴星,将会成为大质量的白矮星继续他的余生。

有一颗距离十字架二三合星系统90弧秒的B型次巨星,可能会对十字架二产生重力上的影响。然而,如果他确实在十字架二的附近,相较于他的光谱类型,光度就显得太暗了。所以他可能只是一颗光学双星,与太阳系的距离可能是十字架二的两倍,也就是与十字架二的距离像太阳系一样远。

14.毕宿五

毕宿五为毕宿第五星,是金牛座的主星,距离地球68光年。其光谱与光度分类属 于K5 III型,呈橙色,在地球上的视星等为0.86,是夜空中的亮星之一。

毕宿五的直径约为5300万公里,是太阳直径的38倍。由于其内里的氢已经耗尽,毕宿五已由主序星演变为红巨星,靠燃烧氦来继续发光发热。

毕宿五有一个伴星,是一个视星等达11等的白矮星,肉眼不能看见,只能够用望远镜来观测。

1997年,人们透过观测,认为毕宿五可能有一个行星(也可能是棕矮星)存在,其质量约为木星的十一倍,距离毕宿五只有1.3天文单位。

美国国家航空航天局的无人太空船先锋10号,离开太阳系后朝着金牛座方向前进,如无意外,这艘太空船将在200万年后接近毕宿五。

15.心宿二

心宿二(α Sco / 天蝎座α)是天蝎座的主星,英文名Antares,中国古代又称大火,是东方苍龙七宿中心宿的第二星,用来确定季节。“七月流火”即是大火星西行,天气将寒之意。它是一个红超巨星,表面温度3600开,半径为太阳的700倍,表面积是太阳的36万倍,质量却有太阳的15.5倍。

光变明显的半规则变星,亮度变化于0.9到1.8等之间,变光周期48年,并与一个蓝色主序星组成一个目视双星系统。心宿二还是射电源。

古代波斯将心宿二,毕宿五,轩辕十四,北落师门合称四大王星。

16.角宿一

角宿一为角宿第一星,即室女座α星(英语:Spica),是全天第十六颗亮星。北半球春季的夜晚,在东南方向的天空中可以看到这颗明亮的1等星。要找到角宿一,只需沿着位于大熊座的北斗七星的斗柄和牧夫座的大角连成的曲线方向向下就可以看到。

角宿一距地球有260光年之遥,实际亮度为太阳的2100倍。实际上,角宿一是一个距离很近的,互相围绕公转的双星系统,系统内两颗恒星距离只有0.12天文单位,公转轨道周期只有4.0145天。两颗恒星的光谱皆属温度很高的B型(亚型为B1和B4),分别是具中等强度氢谱线的蓝巨星和蓝主序星,同时它们都是仙王座β型变星。角宿一也是全天最亮的旋转椭球变星。

角宿一是温度最高的一等星之一,高温使其同时辐射强度相当高的紫外线,这使得角宿一实际比其外观上光度更高。

秋季时太阳会经过室女座,这使得角宿一成为秋季作物收获的象征星,英文名Spica来源于拉丁语中spīca virginis,意为“室女的麦穗”

17.北河三

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北河三(β Gem / 双子座β)是一颗位于双子座的恒星,也是夜空中的亮星之一,英文名Pollux。虽然在拜耳命名法中,北河三被命名为“β”星,但在视星等上,它却比“α”星(北河二)光亮。北河三视星等1.14等,绝对星等0.98等,距离35光年。是颗K0IIIb型红巨星。光度为太阳的32倍。

北河二及北河三虽被形容为星座的“双子”,但它们的特性大不相同,前者在体积及温度上,均要比后者高得多。

18.北落师门

北落师门(英语:Fomalhaut/α PsA / 南鱼座α)是南鱼座的主星,距离地球约25.1光年。在地球上的视星等为1.16,是除太阳外,在地球上能看到的第17位亮星。

北落师门的光谱分类为A3V,直径约为太阳直径的1.7倍,质量约为2.3倍,亮度15倍。它只有约2到3亿年的年龄,是非常年轻的恒星。

在北落师门周围,距离北落师门133至158天文单位的地方,围绕着一圈圆盘状尘埃云。1998年,人们通过观测和推测,认为尘埃云中很可能已经产生了行星。

北落师门 b

北落师门已知有一颗行星,北落师门 b(Fomalhaut b)。2008年5月,加州大学伯克利分校的天文学家Paul Kalas从哈柏太空望远镜在2006至2008年间拍摄的照片中成功找出此行星的位置。该行星的影像于2008年11月13日公布。

北落师门 b的大小约与木星相彷,质量约在木星质量的0.054倍到三倍之间,约海王星的质量到三个木星的质量之间。北落师门 b距离北落师门约170亿公里,公转周期约872年。

19.天津四

天津四(英语:Deneb[1])即天鹅座α星(α Cygni),在女宿天津中排名第4,是天鹅座最明亮的一颗恒星,亮度在全天空排名第十九位。天津四是一颗蓝白色超巨星,它的视星等为1.25等,也是已知最明亮的恒星之一。天津四与位于天鹰座的河鼓二(牛郎星),及天琴座的织女星,组成著名的“夏季大三角”。

天津四的绝对星等大约是-7等,是目前已知最明亮的恒星之一,它的亮度估计约为太阳的60,000倍。

根据2008年的研究显示天津四距离地球最有可能的数值是1,550光年,将视差测量结果造成的不确性大幅降低(原本可能的范围介于1,340与1,840光年之间[3])。它也是目前已知距离地球最远的1等星。

根据天津四的温度、亮度与角直径(大约小于0.002秒)直接测量的结果,显示天 津四的直径约为太阳的200至300倍,它也是目前已知最巨大的白色恒星之一。如果把天津四放到太阳系内的话,它的体积将会延伸到地球轨道附近。

天津四的表面温度为8,400K,光谱类型为A2Ia。天津四是一颗变星,同时也是天鹅座α型变星(Alpha Cygni variables)的代表恒星,表面非径向胀缩造成天津四的亮度及光谱产生轻微的变化。

天津四的质量大约为20倍太阳质量。作为一颗蓝白超巨星,巨大的质量与炙热的温度意谓著天津四拥有一个短暂的生命周期,现在它的核心已经停止进行氦融合,天津四在几百万年后将很有可能会变成一颗超新星。天津四在主序星阶段很有可能是一颗O型星,现在很有可能会近一步扩张成类似仙王座μ星的红超巨星。在天津四开始膨胀后,它的光谱将会依序成为F、G、K及M型。

天津四的恒星风每年损失的能量为千万分之八个太阳质量,损失质量的速率大约为太阳的100,000倍

20.十字架三

十字架三(β Cru / 南十字座β)是南十字座内第二亮的恒星,英文名Becrux或Mimosa。由于十字架三位于赤纬-60度的天空,所以只有在北回归线以南的地方才可以看到它。

十字架三距离地球约有353光年,它实际上是一对分光双星,因为距离太近所以无法用望远镜分辨出来,彼此之间距离为8天文单位(AU)。

21.轩辕十四 轩辕十四(α Leo/狮子座α)为星官轩辕的第十四星,是狮子座最明亮的恒星(主星),英文名Regulus,也是全天空二十颗最明亮的恒星之一。

轩辕十四是一颗白色主序星,距离地球约77.5光年。轩辕十四被认为是最黯淡的1等星,因为排在它之后的弧矢七的视星等为+1.5等,被天文学界视为是一颗2等星。在全天空最明亮的恒星中,轩辕十四的位置最接近黄道,故经常被月球所遮掩。水星与金星也可能遮掩它,但这现象非常罕见。轩辕十四上一次被行星遮掩是发生在1959年6月9日(金星掩轩辕十四),而下一次将发生在2044年10月1日(金星掩轩辕十四)。其他的行星则因为相对位置的缘故,在2000年内将不会与轩辕十四发生掩星现象。而太阳则在每年8月23日最接近轩辕十四。对地球上大部份的观测者而言,轩辕十四偕日升发生在9月的第一个星期。金星每8年会通过轩辕十四的偕日升附近,最近一次是在2006年。

轩辕十四的质量约太阳的3.5倍,是一颗年龄只有数亿年的年轻恒星。它的自转非常的快速,只需15.9小时就可以自转一周,这也造成轩辕十四呈现一个扁率非常高的

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形状。这也导致重力减光(gravity darkening)效应:轩辕十四极区的温度比赤道地区还要高,亮度(表面地区每单位亮度)也是赤道地区的5倍。只要轩辕十四的自转速度再快16%,将会造成离心力大于向内的向心力,使得整颗恒星被撕裂。

轩辕十四有一对比较小且昏暗的伴星,共同组成一个多重星系统。这对伴星彼此相距约100天文单位,并以2,000年的周期相互环绕。伴星距离较大的轩辕十四A为4,200天文单位,而且以超过130,000年的周期来绕着这颗主星来公转。

21 航海九星

航海九星是指中国古代的航海家依据长期的航海经验,确定的9颗恒星,它们近似均匀地依赤经分布,而且赤纬都不超过南北30°。。通过观测这些恒星,来判断方向。 航海九星是:轩辕十四,毕宿五 , 北河三 , 北落师门 ,娄宿三 , 角宿一 , 心宿二 , 河鼓二 , 室宿一。

1.娄宿三 白羊座α

视星等(V):1.98 - 2.04 光谱分类:K2IIICa-1 U?B色指数:+1.12 B?V色指数:+1.15 V?R色指数:0.7 R?I 色指数:+0.62

径向速度(Rv):?14.2 ± 0.9km/s 视差(π):49.48 ± 0.99 mas 距离:66±11y(20.2 ± 0.4 pc) 绝对星等(MV):0.48 质量:2M☉ 半径:15R☉ 亮度:90[L☉ 温度:4,590 K

自转速度:< 17km/s

其他命名:Hemal, Hamul, Hamal, Ras Hammel, El Nath, Arietis, α Ari, Alpha Arietis, Alpha Ari, 13 Arietis, 13 Ari, BD+22 306, FK5 74, GC 2538, GJ 84.3, GJ 9072, HD 12929, HIP 9884, HR 617, LTT 10711, NLTT 7032, PPM 91373, SAO 75151.

视亮度为2.00星等,是夜空中第47亮星。据称其亮度会少量波动约0.06星等。

在公元前2000到公元前100年间,太阳在地球的天空中的视路径通过在白羊座的春分点——标志着春天到来的时间,这就是现代大部分报纸的占星专栏从白羊座开始的原因。由于二分点的进动,现在的春分点已经移动到双鱼座。但在初识夜空的人们心中,娄宿三还是一个极其重要的亮星。

2.室宿一 飞马座α

视星等(V):2.49 光谱分类:B9 III U?B 色指数:-0.05 B?V 色指数:-0.04 径向速度(Rv):-4 km/s

自行(μ):赤经:61.1 mas/yr,赤纬:-42.56 mas/yr 视差(π):23.36±0.76 mas 距离:140±5 ly(43 ± 1 pc) 绝对星等(MV):-0.70 质量:4 M☉ 半径:2.8 R☉ 亮度:160 L☉ 温度:11,000 K 自转:1.5 days

其他命名:Markab, Marchab, 54 Pegasi, HR 8781, BD +14°4926, HD 218045, SAO 108378, FK5 871, HIP 113963.

室宿一(α Peg、飞马座α)是飞马座的第3亮星,也是组成飞马座四边形的四颗恒星中的一员。英文名Markab (或 Marchab)。室宿一是一颗相对中等的恒星,处于接近其进化历程的末端的主序星阶段。室宿一即将进入氦燃烧阶段而逐渐膨胀为一颗红巨星。它在其生命最终阶段将和太阳一样成为白矮星。

轩辕十四 毕宿五 心宿二 北落师门 河鼓二 北河三

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角宿一

22 天文望远镜

1.分类

折射式天文望远镜 反射式天文望远镜 折反射式天文望远镜 2.体系结构 ①棱镜系统

望远镜的棱镜系统通常用于把倒立的像转成正立的像。单镜头反射照相机的棱镜系统可以把光路分开用于对焦、取景、测距。并在取景时成正立的像。 通常,棱镜转像的原理,是利用光学中的“全反射现象”这种反射不会造成光线能量的损失。一个复杂的棱镜系统的光学原理,实际上等于多个平面反射镜起到的作用。

②物镜 ③目镜

现在用于研究的望远镜已不再使用目镜,取而代之的是装置在焦点上的高品质CCD传感器,而影像就可以直接在电脑的显示器上观察。有些业余天文学家也在个人的望远镜上安装了相似的设备,但普遍的仍然是直接使用目镜来观察影像。

除了伽利略式望远镜的目镜采用凹透镜以外,大多数望远镜的目镜都可以等效为凸透镜。一个好的目镜应该尽可能消除色差、像差、提供优良的像质,提供较大的表观视场,较长的适眼距以方便人们使用,提供较好的目镜罩以减少杂光干扰。

④赤道仪 ⑤经纬仪 3.规格参数 ①物镜口径

对于折射式望远镜,物镜口径一般是望远镜前端的凸透镜(或透镜组)的有效通光口径。

对于反射式望远镜,物镜口径一般是望远镜镜筒后部的反射镜的有效通光口径。 对于折反射式望远镜,物镜口径一般用望远镜前端的改正镜和后部的反射镜的口径共同表示。

物镜口径是衡量望远镜(特别是天文望远镜)性能指标的最重要的参数,它的大小直接决定了望远镜的聚光本领。

物镜口径与望远镜的分辨本领有直接的关系。天文望远镜中刚刚能够区分开两个星 点的角距离叫做分辨角,用希腊字母δ表示,采用弧度做单位。分辨角越小,表示越能

分辨出靠得近的天体。分辨角与物镜口径的关系(瑞利关系)是:

δ=1.22λ/D

其中λ是入射光的波长,D是望远镜的物镜口径。

上式仅仅是望远镜理论上能够达到的分辨角的极限。实际上由于大气湍流、望远镜镜片本身的形状偏差等原因望远镜很少能够到达此理论值。

从上式中可以看出,物镜口径越大,分辨角越小,望远镜的分辨本领越高,分辨出天体细节的能力越强。此外,望远镜的口径越大,收集到的光越多,从而能够看到越为暗弱的天体。基于以上原因,现代的大型望远镜都以追求大的物镜口径为主要目标。

如果把几台望远镜接受的光合并起来,其效果往往可以远远胜过一台单一的望远镜,这时候通常采用“等效口径”衡量望远镜的实际效果。例如,由4台8米口径望远镜组成的甚大望远镜(VLT)相当于一台等效口径为16米的望远镜。

②放大倍数

光学望远镜的放大倍数是指被观测物体的张角,在经过望远镜的光学系统后被扩大多少倍。比如1000米外一个1米大小的物体,肉眼直接观测时,其张角约为0.001弧度;用放大倍数为10倍的望远镜观察该物体,其张角为0.01弧度,相当于肉眼从100米外观察该物体。

放大倍数的计算公式如下:

M=F/f

其中M表示放大倍数,F表示物镜的焦距,f表示目镜的焦距。

望远镜的放大倍数通常刻在镜身上,用倍数3物镜口径来表达。比如8330,表示该望远镜放大倍数为8倍,物镜口径为30毫米。

③出瞳直径

光线经过目镜汇聚后,在目镜后形成的亮斑的直径。

对于肉眼使用的光学器材,光线必须经过瞳孔后进入视网膜成像,人类的瞳孔在白天大约为3毫米,夜晚最大可达7毫米左右。在用光学器材观察的时候,目镜汇聚光线形成的亮斑将投射到瞳孔上,因此,越大的出瞳直径,给人感觉成像的亮度也越大。但大于瞳孔直径的出瞳直径是没有意义的。

出瞳直径的计算公式为:

p=D/M

其中p代表出瞳直径,D代表物镜口径,M代表放大倍数。 ④出瞳距离

目视离隙是望远镜、显微镜或双筒望远镜等仪器,在使用者能清楚的看见影像时,

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所能允许的眼睛与目镜间的最大距离,在这段距离内出射瞳的直径与人眼的瞳孔值径相近。光学设计不良的系统,不是会强迫使用者的眼睛必须贴近目镜以避免影像周边的晕像产生,就是在可以舒适观察的位置上,出射瞳的直径大于瞳孔的直径,造成光线的浪费和影像变得黯淡。

一般而言,目视离隙和目镜的焦距有关,焦距越短目视离隙也就越短。

对于戴眼镜的人和射击者,目视离隙就显得特别重要。带着眼镜的人,需要比较长的目视离隙,才能透过目镜依然能看见完整的视野。 通常15mm以上比较合适。

射击者需要较长的目视离隙则是安全上的考量。光学的目视离隙太短,射击时的后座力会造成眼睛和目镜的距离缩短而造成接触的危险。

⑤视场角度 ⑥像场角度

23 太阴历

定义:主要按月亮的月相周期来安排的历法。

以月球绕行地球一周(以太阳为参照物,实际月球运行超过一周)为一月,即以朔望月作为确定历月的基础,一年为十二个历月的一种历法。它的一年有12个朔望月,约354 或 355日 。

月球运行的轨道,名曰白道,白道与黄道同为天体上之两大圆,以五度九分而斜交,月球绕地球一周,出没于黄道者两次,历二十七日七小时四十三分十一秒半,为月球公转一周所需的时间,谓之“恒星月”。唯当月球绕地球之时,地球因公转而位置亦有变动,计前进二十七度余,而月球每日行十三度十五分,故月球自合朔,全绕地球一周,复至合朔,实需二十九日十二时四十四分二秒八,谓之“朔望月”,习俗所谓一个月,即指朔望月而言。

因朔望月较之回归年易于观测,远古的历法几乎都是阴历。因为地球绕太阳一周为三百六十五天,而十二个阴历月只有约三百五十四天,所以古人以增置闰月来解决这一问题。我国的历法自古就是一种阴阳历。因为每月初一为新月,十五为圆月,易于辨识,使用方便,所以通常称这种历法为阴历。直到今天,由于历法中有节气变化,跟农业种植活动密切相关,所以“阴历”在国人尤其是农民的生活中起着举足轻重的作用。

伊斯兰教国家和地区采用的历法,又称回历。它纯粹以朔望月为历法的基本单位,奇数的月为30日,偶数的月为29日,平均每个历月为29.5日。积12个月为一年,共354日,12个朔望月实际上约有354.3671日。为使月初和新年都在蛾眉月出现的那天开始,回历采用置闰的办法,每30年为一周,共加11个闰日。在30年循环周期中,第2、5、7、10、13、16、18、21、24、26、29各年为闰年。闰年在12月底增加一日,共355日。回历年比公历年约少11日,因之岁首逐年提早,约33年循环一周(即比公 历多出一年)。回历的起始历,元定在穆罕默德从麦加迁到麦地那的一天,即儒略历公元622年7月16日(星期六)。

两河流域的人们,通过观察月亮阴晴圆缺的变化,编制了太阴历。他们规定七天一星期,每天各有一位星神值班,从星期天到星期六分别是:太阳神、月神、火星神、水星神、木星神、金星神、土星神。我们现在使用的七天一星期的制度就是由此演变过来的。

24 太阳历

太阳历又称为阳历,是以地球绕太阳公转的运动周期为基础而制定的历法。 太阳历的历年近似等于回归年,一年12个月,这个“月”,实际上与朔望月无关。阳历的月份、日期都与太阳在黄道上的位置较好地符合,根据阳历的日期,在一年中可以明显看出四季寒暖变化的情况;但在每个月份中,看不出月亮的朔、望、两弦。 如今世界通行的公历就是一种阳历,平年365天,闰年366天,每四年一闰,每满百年少闰一次,到第四百年再闰,即每四百年中有97个闰年。公历的历年平均长度与回归年只有26秒之差,要累积3300年才差一日。

25 阴阳历

定义:兼顾月相周期和太阳周年运动所安排的历法。一年有12个朔望月,过若干年安置一个闰月,使年的平均值大约与回归年相当。

阴阳历以月亮绕地球一周为1个月,但设置闰月,使得一年的平均天数与回归年的天数相符,因此这种历法与月相相符,也与地球绕太阳周期运动相符合。夏历就是阴阳历的一种,具体的历法还包括纪年(纪元)的方法。日本、朝鲜、及中东以色列的传统历法也是阴阳历,其他民族如藏族、傣族也是使用阴阳历。

阴阳历历月的平均长度接近朔望月,历年的平均长度接近回归年,是一种“阴月阳年”式的历法。它既能使每个年份基本符合季节变化,又使每一月份的日期与月相对应。它的缺点是历年长度相差过大,制历复杂,不于记忆。我国的农历就是一种典型的阴阳历。

二十四节气

节气就实质而言是属于阳历范畴,从天文学意义来讲,二十四节气是根据地球绕太阳运行的轨道(黄道)360度,以春分点为0点,分为二十四等分点,两等分点相隔15度,每个等分点设有专名,含有气候变化、物候特点、农作物生长情况等意义。二十四节气即立春、雨水、惊蛰、春分、清明、谷雨、立夏、小满、芒种、夏至、小暑、大暑、立秋、处暑、白露、秋分、寒露、霜降、立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒。以上依次顺属,逢单的均为“节气”,通常简称为“节”,逢双的则为“中气”,简称为

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“气”,合称为“节气”。现在一般统称为二十四节气。

节气歌

我国有一首“二十四节气”歌诀,广为流传,尽人皆知。内容如下: 春雨惊春清谷天, 夏满芒夏暑相连, 秋处露秋寒霜降, 冬雪雪冬小大寒。

26 农历

农历,又称农民历、夏历、阴历、旧历,是中国传统历法之一。农历属于一种阴阳历,平均历月等于一个朔望月,但设置闰月以使平均历年为一个回归年,设置二十四节气以反映季节(太阳直射点的周年运动)的变化特征,所以又有阳历的成分。至今几乎全世界所有华人及朝鲜、韩国和越南及早期的日本等国家,仍使用农历来推算传统节日如春节、中秋节、端午节等节日。

地球以椭圆形的轨道绕日公转。地球的赤道面与它的公转轨道面成23度26分的夹

农历置闰方法,简言之:定冬至,第一无中气月。

农历一个月为朔望月,农历一年通常有12朔望月(= 354.36708日),比1回归年短了10.87512日;农历闰年则有13朔望月(= 383.89767日),比1回归年长了18.65547

日。19个回归年的长度为6939.6018日,而19x12+7=235个朔望月(十九年置七闰)

的长度为6939.68865日。可见十九年置七闰的规则是为了协调阴历年与回归年日数的差。

因为1农历平年比1回归年少约11日,所以在公历中翌年的农历正月初一比每年的早11天;若遇到农历闰年,则推迟约19天。

农历基本上以19年为一周期对应于公历同一时间。如公历的2001年5月27日、1982年5月27日和1963年5月27日这个日子,都是闰四月初五。中间也有例外的例子,比如说公历的1917年4月4日是闰二月十三、1936年4月4日是三月十三、还有1955年4月4日是三月十二。不过日子相差也只是一天(多见)或两天(少见)或三天(罕见)。

闰月月份

-722年~-221年(500),出现185个十三月。 -220年~-104年(117),出现44个后九月。

-103年~1644年,农历使用平太阳,各月之后出现闰月的几率大致相等。闰正月、闰十二月常出现。

1645年之后使用真太阳,各月之后出现闰月的几率变为不相等。闰五月最多见;闰四月、闰六月、闰七月、闰三月多见;闰八月、闰二月常见;闰十月、闰九月少见;闰正月、闰十一月罕见;闰十二月到现在未见。

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27 公历

现行公历即格里历,又译额我略历、格列高利历、格里高利历,是由意大利医生兼哲学家里利乌斯(Aloysius Lilius)改革儒略历制定的历法,由教皇格列高利十三世在1582年颁行。公历是阳历的一种,于1912年开始在中国正式采用,取代传统使用的中国历法农历,而中国传统历法是一种阴阳历,因而公历在中文中又称阳历、西历、新历。格里历与儒略历一样,格里历也是每四年在2月底置一闰日,但格里历特别规定,除非能被400整除,所有的世纪年(能被100整除)都不设闰日;如此,每四百年,格里历仅有97个闰年,比儒略历减少3个闰年。格里历的历年平均长度为365.2425日,接近平均回归年的365.24219日,即约每3300年误差一日,也更接近春分点回归年的365.24237日,即约每8000年误差一日;而儒略历的历年为365.25日,约每128年就误差一日。到1582年时,儒略历的春分日(3月21日)与地球公转到春分点的实际时间已相差10天。因此,格里历开始实行时,同时规定,原先儒略历1582年10月4日星期四的次日,为格里历1582年10月15日星期五,即有10天被删除,但原有星期的周期保持不变。格里历的纪年沿用儒略历,自传统的耶稣诞生年开始,称为“公元”,亦称“西元”。

格里历的闰年

闰年的计算方法:公元纪年的年数可以被四整除,即为闰年;世纪数被100整除为平年,被400整除的才为闰年。纪元是从传说的耶稣诞生那年算起。

格里历每月有月大、月小和月平的说法,月大为31天,月小为30天,月平只有2月,为28天(闰年29天)。

中国在1912年1月1日,中华民国成立时,以公历取代传统的农历,定格里历为

国历,但年份不使用公元纪年,另设民国纪年,以中华民国成立的1912年为首年,即中华民国元年等于1912年、中华民国二年等于1913年等(公元纪年减1911,即等如民国纪年),“中华民国X年”一般简称为“民国X年”、“民X”。但中国不久后进入不同军阀使用不同历法的军阀割据时期。1928年

10月国民党北伐统一中国,中华民国政府命令自1929年1月1日起使用公历。1949年10月1日,中华人民共和国成立,取代中华民国统治中国大陆,继续使用公历,但年份改以公元纪年。而中华民国退守台湾后,仍在其有效统治的台湾地区使用民国纪年,台湾民间亦常使用民国纪年,一直至今。

注:

**3200/1900的倍数是天文科学家研究出来

***增加4000的倍数不闰更准确,但目前只是世纪年还不足4000,因此尚未用到

28 地球概况

地球是太阳系从内到外的第三颗行星,也是太阳系中直径、质量和密度最大的类地行星。

地球是上百万种生物的家园,包括人类。地球是目前人类所知宇宙中唯一存在生命的天体。地球诞生于45.4亿年前,而生命诞生于地球诞生后的10亿年内。从那以后,地球的生物圈改变了大气层和其他环境,使得需要氧气的生物得以诞生,也使得臭氧层形成。臭氧层与地球的磁场一起阻挡了来自宇宙的有害射线,保护了陆地上的生物。地球的物理特性,和它的地质历史和轨道,使得地球上的生命能周期性地持续。地球预计将在15亿年内继续拥有生命,直到太阳不断增加的亮度灭绝地球上的生物圈。

地球的表面被分成几个坚硬的部分,或者叫板块,它们以地质年代为周期在地球表面移动。地球表面大约71%是海洋,剩下的部分被分成洲和岛屿。液态水是所有已知的生命所必须的,但并不在所有其他星球表面存在。地球的内部仍然非常活跃,有一层很厚的地幔,一个液态外核和一个固态铁的内核。

地球会与外层空间的其他天体相互作用,包括太阳和月球。当前,地球绕太阳公转

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一周所需的时间是自转的366.26倍,这段时间被叫做一恒星年,等于365.26太阳日。地球的地轴倾斜23.4°(与轨道平面的垂线倾斜23.4°),从而在星球表面产生了周期为1恒星年的季节变化。地球唯一的天然卫星,诞生于45.3亿年前的月球,造成了地球上的潮汐现象,稳定了地轴的倾角,并且减慢了地球的自转。大约38到41亿年前,后期重轰炸期的小行星撞击极大地改变了表面环境。

地球的矿物和生物等资源维持了全球的人口。地球上的人类分成了大约200个独立的主权国家,它们通过外交、旅游、贸易和战争相互联系。人类文明曾有过很多对于这颗行星的观点,包括神创造人类、天圆地方、地球是宇宙中心等。

地球历史

科学家已经能够重建地球过去有关的资料。太阳系的物质起源于45.672亿±60万年前,而大约在45.4亿年前(误差约1%),地球和太阳系内的其他行星开始在太阳星云-太阳形成后残留下来的气体与尘埃形成的圆盘状-内形成。通过吸积的过程,地球经过1至2千万年的时间,大致上已经完全成形。从最初熔融的状态,地球的外层先冷却凝固成固体的地壳,水也开始在大气层中累积。月亮形成的较晚,大约是45.3亿年前,一颗火星大小,质量约为地球十分之一的天体(通常称为忒伊亚)与地球发生致命性的碰撞。这个天体的部分质量与地球结合,还有一部分飞溅入太空中,并且有足够的物质进入轨道形成了月球。

释放出的气体和火山的活动产生原始的大气层,小行星、较大的原行星、彗星和海王星外天体等携带来的水,使地球的水份增加,冷凝的水产生海洋。新形成的太阳光度只有目前太阳的70%,但是有证据显示早期的海洋依然是液态的,这称为微弱年轻太阳谬论矛盾。温室效应和较高太阳活动的组合,提高了地球表面的温度,阻止了海洋的凝结。

有两个主要的理论提出大陆的成长:稳定的成长到现代和在早期的历史中快速的成长。目前的研究显示第二种学说比较可能,早期的地壳是快速成长的,随后跟着长期稳定的大陆地区。在时间尺度上的最后数亿年间,表面不断的重塑自己,大陆持续的形成和分裂。在表面迁徙的大陆,偶尔会结成成超大陆。大约在7亿5千万年前,已知最早的一个超大陆罗迪尼亚开始分裂,稍后又在6亿至5亿4千万年时合并成潘诺西亚大陆,最后是1亿8千万年前开始分裂的盘古大陆。

生命的进化

现在,地球提供了目前已知唯一能够维持生命进化的环境。通常认为,大约40亿年前,高能的化学分子就能自我复制,过了5亿年,最后共同祖先诞生。光合作用使得太阳的能量能够被生物直接利用。光合作用产生的氧气在大气层聚集,从而在大气层上层形成了臭氧层。相似的小细胞聚集形成更大更复杂的真核细胞(内共生学说)真正由细胞组成的多细胞生物开始逐渐分化。由于臭氧层抵挡了来自宇宙的有害射线,生命布

满了地球表面。

自从20世纪60年代,人们认为在7.5到5.8亿年前的新远古代曾出现冰河期,冰雪覆盖了大半个地球。这个假说被称作“雪球地球”,这个假说的有趣之处在于,它正好出现在寒武纪大爆发(多细胞生物种类开始迅速增多)之前。

大约5.35亿年的前寒武纪大爆发之后,一共发生了五次大灭绝。最后一次大灭绝是6500万年前的白垩纪-第三纪灭绝事件。陨石的撞击可能导致了恐龙和其他大型爬行动物的灭绝,但剩下的小型动物如哺乳动物则活了下来。在过去的6500万年里,哺乳动物开始多样化,几百万年后,一种非洲的猿类动物获得了直立行走的能力。这使它们能够使用工具,也促进了它们的交流,最终使它们的大脑越来越发达。于是它们发展了农业,然后开始出现文明。人类以其他生物从来没有过的速度称霸地球。影响了自然和大量其他生物。

4000万年前,冰河期开始,并在300万年前的更新世增强,极地开始了周期性的冻结和融化。最后一次冰期结束于1万年前。

地球概论特征

地球由内核到地表的构成是有一定规律的。如同其他的类地行星,地球内部从外向内分别为硅质地壳、高度粘滞状地幔、以及一个外层为非粘滞液态内部为固态的地核。地核液体部份导电质的对流使得地球产生了微弱的地磁场。

地球内部温度高达5270开尔文(4996.85摄氏度)。行星内部的热量来自于其形成之初的“吸积”。这之后的热量来自于类似铀钍和钾这类放射性元素的衰变。从地球内部到达地表的热量只有地表接收太阳能量的1/20000。

地球内部的金属质不断的通过火山和大洋裂缝涌出地表。组成地壳大部分的岩石年龄都不超过1亿(13108)年;目前已知的最古老的地壳年龄大约有44亿(4.43109)

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地核

地球的平均密度为5515kg/m3,是太阳系中密度最高的行星。但地球表面物质的密度只有大约3000kg/m3,所以一般认为在地核存在高密度的物质-在地球形成早期,大约45亿(4.53109)年前,地球几乎是由熔化的金属组成的,这就导致了地球中心处发生高密度物质聚集,低密度物质移向地表的过程(参见行星分异作用)。地核大部分是由铁所组成(占80%),其余物质基本上是镍和硅。像铀等高密度元素要不是在地球里头稀少,要不然就是和轻元素相结合存在于地壳中。

地核位于古氏不连续面以内,地核又以雷门不连续面为界分为两部分:半径约1250km的内核,即G层,以及在内核外部一直到距地心约3500km的液态外核,即E、F层。F层是地核与地幔的过渡层。

一般,人们认为地球内核是一个主要由铁和一部分镍组成的固态核心。另一个不同的观点则认为内核可能是由单铁结晶组成。包在内核外层的外核一般认为是由液态铁质混合液态镍和其他轻元素组成的。通常,人们相信外核中的对流加上地球的快速自转-借由发电机理论(参阅科氏力)-是产生地磁场的原因。固态内核因为温度过高以致于不可能产生一个永久磁场(参阅居里温度)。但内核仍然可能保存有液态外核产生的磁场。

最近的观测证据显示内核可能要比地球其他部分自转得快一点,一年约相差2°。 地幔

从地核外围约2900千米深处的古氏不连续面一直延伸到约33千米深处莫氏不连续面的区域被称作-地幔或地幔}-。在地幔底部的压力大约是1.40Matm(140GPa)。那里大部分都是由富含铁和镁的物质所组成。物质的熔点取决于所处之处的压力。随着进入地幔的深度的增加,受到的压应力也逐渐增加。地幔的下部一般被认为是固态的,上部地幔一般则认为是由较具有塑性固态物质所构成。上部地幔里物质的黏滞度在1021至1024Pa2s间,具体数据依据深度而变化,因巨大的压应力造成地幔物质的连续形变,所以上部地幔便具有极缓慢流动的能力。

地球内核是固态、外核是液态、而地幔却是固态且较具有塑性的,其原因在于不同地层物质的熔点,以及随着深度增加的温度和压应力。在地表温度足够低,主要成分镍铁合金和硅酸盐呈固态。地幔上层的硅酸盐基本是固态的,局部有熔化的,但总体说来

由于温度高且压应力较小,黏滞度相对较低。而地幔下层由于巨大的压应力,黏滞度要比上层的大得多。金属质的镍铁外核因为合金熔点低,尽管压应力更为巨大,反而呈现液态。最终,极大的压应力使得内核维持固态。

地壳

地壳指的是从地面至平均深度约33km深处的莫霍界面的地下区域。薄的洋底壳是由高密的镁硅酸铁岩(镁铁矿)构成。硅酸镁铁岩是组成大洋盆地的基础材料。比较厚的陆壳是由密度较小的铝硅酸钾钠岩(长英矿物)所构成。地壳与地幔的交界处呈现不同的物理特性:首先,存在一个使地震波传播速率发生改变层称做莫霍洛维奇分界面的物理界线面,一般认为,产生分界面的原因是因为上部构成的岩石包括了斜长石而下部没有长石存在。第二个不同点就是地壳与地幔间存在化学改变-大洋壳深处部分观察到超碱性积累和无磁场的斜方辉橄岩的差别以及大洋壳挤压陆壳产生的蛇绿岩之间的差别。

生物圈

地球是目前已知的唯一仍然拥有生命存在地方,大约是海平面上下10千米。整个行星的生命形式有时被称为是生物圈的一部分。生物圈覆盖大气圈的下层、全部的水圈及岩石圈的上层。生物圈通常据信始于自35亿(3.53109)年前的进化。生物圈又分为很多不同的生物群系。根据相似的存在范围划分为植物群和动物群。在地面上,生物群落主要是以纬度划分,陆地生物群落在北极圈和南极圈内缺乏相关的植物和动物,大部分活跃的生物群落都在赤道附近。

大气圈

地球拥有一个由78%的氮气、21%的氧气、和1%的氩气混和微量其他包括二氧化碳和水蒸气组成的厚密大气层。大气层是地球表面和太阳之间的缓冲。地球大气的构成并不稳固,其中成份亦被生物圈所影响。如大气中大量的自由二价氧是地球植物通过太阳能量制造出来的。离开这些植物,氧气将通过燃烧快速与物质重新结合。自由(未化合)的氧元素对地球上的生命意义重大。

地球大气是分层的。主要包括对流层、平流层、中间层、热层和逸散层。所有的层在全球各地并不完全一致并且随着季节而有所改变。

地球大气圈的总质量大约是5.131018kg,是地球总质量的0.9ppm。 水圈

地球是太阳系中唯一表面含有液态水的行星。水覆盖了地球表面71%的面积(96.5%是海水,3.5%是淡水)。水在五大洋和七大陆都存在。地球的太阳轨道、火山活动、地心引力、温室效应、地磁场以及富含氧气的大气这些因素相结合使得地球成为一颗水之行星。

地球正好处在足够温暖能存在液态水的轨道边缘。离开适当的温室效应,地球上的

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水将都会冻结为冰。古生物学证据显示如果蓝绿藻(藻青菌)在海洋中出现晚一点,温室效应将不足以维持地球表面液态水的存在,海洋可能在1000万至1亿年间冻结,发生冰川纪事件。

当时在像金星这样的行星上,气态的水阻止了太阳的紫外辐射。大气中的氢被吹过的太阳风离子化,其产生的效果虽然缓慢但结果却不可改变。这也是一个金星上为何没有水的假说:离开了氢原子,氧气将与地表物质化合并留存在土壤矿物中。

在地球大气中,存在一个很薄的“臭氧层”。臭氧在平流层吸收了大气中大部分多余的高能紫外辐射,减低了裂化效应。臭氧只能由大气中大量自由二价氧原子产生,所以臭氧的产生也依赖于生物圈(植物)。地磁场产生的电离层也保护了地球不会受到太阳风的直接袭击。

最后说明的一点是,火山活动也持续的从地球内部释放出水蒸气。地球通过水和碳对地幔和火山中的石灰石消解产生二氧化碳和水蒸气(参见行星筑造学)。据估计,仍存留在地幔中的水的总量是现在海洋中所有水数量的10倍,虽然地幔中的大部分水可能从来不会释放到地表。

地球水界的总质量大约是1.431021kg,计为地球总质量的0.023%。 地球的运动

地球的运动由自转与公转合成。 地球自转

地球沿着贯穿北极至南极的一条轴自西向东旋转一周(1个恒星日)平均需要花时23小时56分2.1秒,自转周期是0.997日。这就是为什么在地球上主要天体(大气中的流星和低轨道卫星除外)一日内向西的视运动是15°/小时(即15'/分钟)-即2分钟一个太阳或月亮的视直径的大小。

在惯性参考坐标系中,地轴运动还包括一个缓慢的岁差运动。这个运动的大周期大约是25800年一个循环,每一次小的章动周期是18.6年。对处于参考坐标系中的地球、太阳与月亮对地球的微小吸引在这些运动的影响下造成地球赤道隆起,并形成类椭圆形的扁球。

地球的自转也是有轻微的扰动的。这称为极运动。极运动是准周期性的,所谓的准周期包括一个一年的晃动周期和一个被称为钱德勒摆动的14个月周期。自转速度也会相应改变。这个现象被称为日长改变。

地球公转

公转周期为365.2564个平太阳日(即1个恒星年)。地球的公转使得太阳相对其他恒星的视运动大约是1°/日-这就相当于每12小时一个太阳或月亮直径的大小。公转造成的视运动效果与自转造成的正好相反。

地球公转轨道速度是30 km/s,即每7分钟经过一个地球直径,每4小时经过一个 地月距离。

地球所在的天体系统

地球唯一的天然卫星是月球。其围绕地球旋转一周需要用时一恒星月(27又1/3日)。因此从地球上看来月球的视运动相对太阳大约是12°/日-即每小时一个月球直径,方向同样与自转效果相反。

如果在地球北极进行观测,则地球的公转、月球运行以及地球自转都将是逆时针的。地球的特洛伊小行星:在二○一○年十月美国国家航空航天局的广角红外巡天探测器(WISE)发现。今年四月加拿大亚伯达省阿萨巴斯卡大学天文学家康纳的团队分析数据并利用设于夏威夷的“加拿大/法国/夏威夷光学天文望远镜”(CFHT)观测2010 TKT ,发现其公转路径稳定,证实就是地球的特洛伊小行星。

地球的轨道和轴位面并非是一致的:地轴倾斜与地日平面交角是23.5度,这产生了四季变化;地月平面与地日平面交角大约为5度,如果没有这个交角,则每月都会发生日蚀。

地球的Hill大气层(大气影响范围)的半径大约为1.5 G米,这个范围足以覆盖月球的轨道了。

地理学特征 气候

因为地球气候从亘古到现在都有发生巨大变化并且这种变化将继续演进,很难把地球气候概括。地球上与天气和气候有关的自然灾害包括龙卷风、台风、洪水、干旱等。两极地气候被两个温度相差并非很大的区域分隔开来:赤道附近宽广的热带气候和稍高纬度上的亚热带气候,降水模式在不同地区也差异巨大,降水量从一年几米到一年少于一毫米的地区都有。

地貌

地球总面积约为5.10072亿km2,其中约29.2%(1.4894亿km2)是陆地,其余70.8%(3.61132亿km2)是水。陆地主要在北半球,有四个大陆:欧亚大陆、非洲大陆、美洲大陆、澳洲大陆和南极大陆,另个还有很多岛屿。大洋则包括太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋四个大洋及其附属海域。海岸线共356000千米。

极端海拔

陆地上最低点:死海?418米

全球最低点:太平洋上的马里亚纳海沟?11,034米 全球最高点:珠穆朗玛峰(圣母峰)8,844.43米 自然灾害

大部分地区以及其间生物都遭受过类似热带气旋、飓风、或台风这样的极端天气。也有很多地区发生过地震、山崩、海啸、火山爆发、龙卷风、灰岩坑(地层下陷)、洪

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水、干旱以及其他气候异常和灾难。

自然资源

地壳中包含大量化石燃料沉积:煤、石油、天然气、甲烷气水包合物。这些沉积物被人类使用用来制造能源和作为其他化学物的给料。

在腐蚀和行星筑造作用下,含铁矿石组成了地壳。这些金属矿石包含了多种金属质和有用的化学元素。

地球生物圈能够产生大量有用的生物产出,包括(但不限于)食物、木材、药物、氧气。生物圈还能回收大量有机垃圾、地面生态系统是依赖于上层土和新鲜水的,而海洋生态系统依赖于陆地上冲刷后融解的的营养物。

人类开发地球的自然资源是很普遍的。

这些资源中的一些,比如化石燃料,是很难短时间内再重新产生的。这称作不可再生资源。人类文明对不可再生资源的掠取已经成为现代环保主义运动的重要论争之一。

29 恒星日、太阳日、太阴日、太阳时

1.恒星日

通常认为,恒星日(Sidereal Day)是地球上某点对某个恒星连续两次经过其上中天的时间间隔。是地球自转的恒星周期,是指在天文学上以恒星为标准量度地球自转的周期,因为恒星通常被假设是不动的,从这个意义来说,是地球真正的自转周期。

在天文学上,定义恒星日的不是具体的恒星,而是黄道对于天赤道的升交点,即白羊宫第一点,就是北半球的春分点。但是春分点在不断的西移(岁差),所以天文学上的恒星日与地球的自转周期还是有区别的。

因为地球自转不断变慢,所以恒星日将越来越长。

1恒星日=23小时56分4.09894秒,短于人们日常使用的太阳日。

太阳日是依据太阳运动,所定义的时间,可以分为视太阳日和平太阳日。 一太阳日传统称为一“天”或一“昼夜”。 2.太阴日

以月球为参考点所度量的地球自转周期。月球中心连续两次通过地球上同一子午线所需要的时间。平均是24小时50分,比平太阳日长50.47分。这是由于月球公转方向和地球自转方向相同,月球每日在白道上平均运行13°11′,因此当地球自转一周后,月球已经沿轨道向前运行了13°11′,而地球需要再转过13°11′(地球绕过这个角度所需的时间约是50分),月球中心才能两次经过这一子午线。所以,以一定的地点来说,月球中心通过当地子午线的时刻,总比前一天延迟50分钟。

3.视太阳日

视太阳日是依据视太阳定义的,也就是真实的太阳两次经过该地的子午线的时间间隔,可以使用日晷来测量。

由于以下两个原因,视太阳日在一年当中的长度会每天不停地改变。

首先,地球的轨道是一个椭圆而不是正圆,所以当地球接近太阳时速度会加快,到达近日点时的运动速度最快;远离时又会减慢,到达远日点时的速度最慢(参考开普勒行星运动定律)。

其次,因为地球自转轴的倾斜角度,使得太阳在黄道上运行的大圆对地球的天球赤道是倾斜的,当太阳在两个分点时,穿越赤道时会有一个角度的,所以投影在赤道上的运行速度小于平均速度;当太阳在至点时,他的运动方向是平行于赤道的,所以投影的运行速度高于平均的速度(参考回归年)。因此,视太阳日在3月(26-27日)和9月(12-13日)是比在6月(18-19日)或12月(20-21日)短的。这些日期的长短变化是在分点、至点、远日点、和近日点之间逐渐变化的。

4.平太阳日

平太阳日是以平太阳为参考点,以平太阳连续两次经过上中天,转360°59',需时24小时。更明确的说,平太阳日是经由观察太阳相对于恒星的周日运动,所获得的平均太阳时,经由人为的调整而显示在时钟上的时间。

平太阳日的长度是固定的24小时,在一年之中不会因为昼夜长短的变化而改变。视太阳日的长度会与平太阳日(86,400秒)不同,相邻的每一天最多可以短22秒或长29秒。因为这种延长或缩短会持续进行一段时间,所以最多会比平太阳日提早17分钟或延迟14分钟。因为这些期间是周期性的,平太阳时和视太阳时的差值就是均时差。

在历史上有许多方法被用来模拟(显示)平太阳时,最早是使用漏壶或水钟,差不多从纪元前四千年到纪元前二千年中期。在纪元前一千年中叶之前,水钟只能依据视太阳日来调整,因此除了能在夜晚继续使用外,他的准确度并不会比依靠太阳投影的日晷好。

5.太阳时

太阳时是指以太阳日为标准来计算的时间。可以分为真太阳时和平太阳时。

以真太阳日为标准来计算的叫真太阳时,日晷所表示的时间就是真太阳时。以平太阳日为标准来计算的叫平太阳时,钟表所表示的时间就是平太阳时。 实际上我们日常用的计时是平太阳时,平太阳时假设地球绕太阳是标准的圆形,一年中每天都是均匀的。北京时间是平太阳时,每天都是24小时。而如果考虑地球绕日运行的轨道是椭圆的,则地球相对于太阳的自转并不是均匀的,每天并不都是24小时,有时候少有时候多。考虑到该因素得到的是真太阳时。

真太阳时要求每天的中午12点,太阳处在头顶最高。传统上确定时辰,需

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使用真太阳时,所以要把平太阳时调整为真太阳时。

30 地球的运动

地球绕地轴自西向东地自转,平均角速度为每小时转动15度。在地球赤道上,自转的线速度大约是每秒465米。天空中各种天体东升西落的现象都是地球自转的反映。人们最早利用地球自转作为计量时间的基准。自20世纪以来由于天文观测技术的发展,人们发现地球自转是不均的。1967年国际上开始建立比地球自转更为精确和稳定的原子时。由于原子时的建立和采用,地球自转中的各种变化相继被发现。现在天文学家已经知道地球自转速度存在长期减慢、不规则变化和周期性变化。

1.地球自转

地球自转的方向是自西向东;自转一周的时间为24小时,依旧是一天。通过对月球、太阳和行星的观测资料和对古代月食、日食资料的分析,以及通过对古珊瑚化石的研究,可以得到地质时期地球自转的情况。在6亿多年前,地球上一年大约有424天,表明那时地球自转速率比现在快得多。在4亿年前,一年有约400天,2.8亿年前为390天。研究表明,每经过一百年,地球自转长期减慢近2毫秒(1毫秒=千分之一秒),它主要是由潮汐摩擦引起的。此外,由于潮汐摩擦,使地球自转角动量变小,从而引起月球以每年3~4厘米的速度远离地球,使月球绕地球公转的周期变长。除潮汐摩擦原因外,地球半径的可能变化、地球内部地核和地幔的耦合、地球表面物质分布的改变等也会引起地球自转长期变化。恒星日为23时56分4秒;太阳日为24小时。

2.不规则变化"年际变化"

地球自转速度除上述长期减慢外,还存在着时快时慢的不规则变化,这种不规则变化同样可以在天文观测资料的分析中得到证实,其中从周期为近十年乃至数十年不等的所谓"十年尺度"的变化和周期为2~7年的所谓"年际变化",得到了较多的研究。十年尺度变化的幅度可以达到约±3毫秒,引起这种变化的真正机制目前尚不清楚,其中最有可能的原因是核幔间的耦合作用。年际变化的幅度为0.2~0.3毫秒,相当于十年尺度变化幅度的十分之一。这种年际变化与厄尔尼诺事件期间的赤道东太平洋海水温度的异常变化具有相当的一致性,这可能与全球性大气环流有关。然而引起这种一致性的真正原因目前正处于进一步的探索阶段。此外,地球自转的不规则变化还包括几天到数月周期的变化,这种变化的幅度约为±1毫秒。

3.地球自转的周期性变化

地球自转的周期性变化主要包括周年周期的变化,月周期、半月周期变化以及近周日和半周日周期的变化。周年周期变化,也称为季节性变化,是二十

世纪三十年代发现的,它表现为春天地球自转变慢,秋天地球自转加快,其中还带有半年周期的变化。周年变化的振幅为20~25毫秒,主要由风的季节性变化引起。半年变化的振幅为8~9毫秒,主要由太阳潮汐作用引起的。此外,月周期和半月周期变化的振幅约为±1毫秒,是由月亮潮汐力引起的。地球自转具有周日和半周日变化是在最近的十年中才被发现并得到证实的,振幅只有约0.1毫秒,主要是由月亮的周日、半周日潮汐作用引起的。

4.地球公转

地球公转的轨道是椭圆的,公转轨道半长径为149597870公里,轨道的偏心率为0.0167,公转的平均轨道速度为每秒29.79公里;公转的轨道面(黄道面)与地球赤道面的交角为23°27',称为黄赤交角。地球自转产生了地球上的昼夜变化,地球公转及黄赤交角的存在造成了四季的交替。

从地球上看,太阳沿黄道逆时针运动,黄道和赤道在天球上存在相距180°的两个交点,其中太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一点,称为春分点,与春分点相隔180°的另一点,称为秋分点,太阳分别在每年的春分(3月21日前后)和秋分(9月23日前后)通过春分点和秋分点。对居住的北半球的人来说,当太阳分别经过春分点和秋分点时,就意味着已是春季或是秋季时节。太阳通过春分点到达最北的那一点称为夏至点,与之相差180°的另一点称为冬至点,太阳分别于每年的6月22日前后和12月22日前后通过夏至点和冬至点。同样,对居住在北半球的人,当太阳在夏至点和冬至点附近,从天文学意义上,已进入夏季和冬季时节。上述情况,对于居住在南半球的人,则正好相反。

5.地极移动(极移)

地极移动,简称为极移,是地球自转轴在地球本体内的运动。1765年,欧拉最先从力学上预言了极移的存在。1888年,德国的屈斯特纳从纬度变化的观测中发现了极移。1891年,美国天文学家张德勒指出,极移包括两个主要周期成分:一个是周年周期,另一个是近14个月的周期,称为张德勒周期。前者主要是由于大气的周年运动引起地球的受迫摆动,后者是由于地球的非刚体引起的地球自由摆动。极移的振幅约为±0.4角秒,相当于在地面上一个12312平方米范围。 由于极移,使地面上各点的纬度、经度会发生变化。1899年成立了国际纬度服务,组织全球的光学天文望远镜专门从事纬度观测,测定极移。随着观测技术的发展,从二十世纪六十年代后期开始,国际上相继开始了人造卫星多普勒观测、激光测月、激光测人卫、甚长基线干涉测量、全球定位系统测定极移,测定的精度有了数量级的提高。

极移包含的各种复杂运动

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根据近一百年的天文观测资料,发现极移包含各种复杂的运动。除了上述周年周期和张德勒周期外,还存在长期极移,周月、半月和一天左右的各种短周期极移。其中长期极移表现为地极向着西经约70°~80°方向以每年3.3~3.5毫角秒的速度运动。它主要是由于地球上北美、格陵兰和北欧等地区冰盖的融化引起的冰期后地壳反弹,导致地球转动惯量变化所致。其它各种周期的极移主要与日月的潮汐作用以及与大气和海洋的作用有关。

岁差与章动

在外力的作用下,地球的自转轴在空间的指向并不保持固定的方向,而是不断发生变化。其中地轴的长期运动称为岁差,而周期运动称为章动。岁差和章动引起天极和春分点位置相对恒星的变化。公元前二世纪,古希腊天文学家喜帕恰斯在编制一本包含1022颗恒星的星表时,首次发现了岁差现象。中国晋代天文学家虞喜,根据对冬至日恒星的中天观测,独立地发现了岁差。据《宋史2律历志》记载:"虞喜云:'尧时冬至日短星昴,今二千七百余年,乃东壁中,则知每岁渐差之所至"。岁差这个名词即由此而来。

产生岁差的原因

牛顿第一个指出产生岁差的原因是太阳和月球对地球赤道隆起部分的吸引。在太阳和月球的引力作用下,地球自转轴在空间绕黄极描绘出一个圆锥面,绕行一周约需26000年,圆锥面的半径约为23°.5。这种由太阳和月球引起的地轴的长期运动称为日月岁差。除太阳和月球的引力作用外,地球还受到太阳系内其它行星的引力作用,从而引起地球运动的轨道面,即黄道面位置的不断变化,由此使春分点沿赤道有一个小的位移,称为行星岁差。行星岁差使春分点每年沿赤道东进约0.13角秒。 地球自转轴在空间绕黄极作岁差运动的同时,还伴随有许多短周期变化。英国天文学家布拉得雷在1748年分析了20年恒星位置的观测资料后,发现了章动现象。月球轨道面(白道面)位置的变化是引起章动的主要原因。目前天文学家已经分析得到章动周期共有263项之多,其中章动的主周期项,即18.6年章动项是振幅最大的项,它主要是由于白道的运动引起白道的升交点沿黄道向西运动,约18.6年绕行一周所致。因而,月球对地球的引力作用也有相同周期变化,在天球上它表现为天极在绕黄极作岁差运动的同时,还围绕其平均位置作周期为18.6年的运动。同样,太阳对地球的引力作用也具有周期性变化,并引起相应周期的章动。

31 月球概况

月球基本参数

轨道参数

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月球,俗称月亮,古时又称太阴、玄兔,是地球唯一的天然卫星 ,并且是太阳系中第五大的卫星。月球的直径是地球的四分之一,质量是地球的1/81。月球是太阳系内密度第二高的卫星,仅次于埃欧,它的自转与公转同步(潮汐锁定),因此始终以同一面朝向着地球;正面标记着黑暗的火山熔岩海,中间夹杂着明亮和古老地壳的高地和突出的陨石坑。虽然它的表面非常黑暗,反射能力与煤炭相似,但它仍是天空中除了太阳之外最亮的天体。由于月球在天空中非常显眼,再加上规律性的月相变化,自古以来就对人类文化如语言、历法、艺术和神话等产生重大影响。月球的引力影响造成地球海洋的潮汐和每一天的时间延长。月球现在与地球的的距离,大约是地球直径的30倍。而月球与太阳的大小比率与距离的比率相近,使得它的视大小与太阳几乎相同,在日食时月球可以完全遮蔽太阳而形成日全食。

形成

有数种机制都认为月球形成于45.27亿 ± 0.10亿年之前, 即大约是太阳系诞生之后的3,000万至5,000万年。这些机制包括分裂说、捕获说和地月同源说(挛生说)等。分裂说认为月球是由于离心力从地壳分裂出去,但要产生如此大的离心力,需要地球在诞生初始时有超高速的自转。捕获说则认为月球是在成型时被地球引力场捕获的天体,但这种假说需要地球拥有一个有非常大的大气层来消耗月球通过时的能量,减缓月球运动速度。同源说认为地球和月球形成于同一原生吸积盘,但这种假说无法解释月球上金属铁的匮乏,也不能解释地月系统的高角动量。

当今主流的地月系统形成理论是大碰撞说:一颗火星大小的天体(被称为忒亚,神话故事中月球女神塞勒涅的母亲)与原生地球碰撞,爆裂出的物质进入环绕地球的轨道,经由吸积形成月球。在太阳系诞生的早期,巨大的撞击很常见的。计算机模拟的大碰撞模型表表明,这样的撞击后产生的双星系统具有充分的角动量匹配目前地月系统的轨道参数,而且也可以解释月球具有相对较小核心的原因。此外,大碰撞说还可以合理解释地月成分的不同:月球的大部分组成成分都来自撞击前的天体,而并不是原生的地球。但是这个假说仍然不是很完善,例如对陨石的研究却显示内太阳系的其他天体,如火星、灶神星等,其氧和钨的同位素成分和地球不同,而地球和月球有非常相似的同位素成分。一个合理的解释是导致地月系形成的撞击混合了地球和月球形成时挥发的物质,有可能导致两个天体之间同位素的组成变得均衡,但这种解释仍有争议。

大碰撞中所释放的大量能量和之后在地球轨道上再作用的物质会熔化地球的外壳,形成岩浆海。新形成的月球也会产生自己的月球岩浆海,估计它的范围深度为500公里至一个月球半径。

另外一种假说则认为大碰撞产生了两颗在同一轨道上的卫星,一个就是月球,而另外一个较小,直径只有约1000公里。在数千万年后,两个卫星缓慢相撞,最后合二为一。这种假说解释了月球一面地势平坦,另一面则地势起伏不平的原因。

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富含固态铁,半径大约为240公里,此外还有一个流体的外核,主要成分是液态铁,半径大约为300公里。核心周围是部分熔融的边界层,约有500公里的宽度,边界层结构是在45亿年前月球形成不久之后,由月球岩浆海通过分离结晶形成的。岩浆海的结晶可以经由沉淀形成由镁铁质和沉积的橄榄石、斜辉石和斜方辉石等矿物组成的月函。四分之三的岩浆海结晶之后,可能形成密度较低的斜长石并浮在地壳的顶部。最后才由液体结晶的部分会被夹在月壳和月函之间,并且含有大量不相容和发热的元素和之相符的是从月球轨道上遥感绘制的月球地质化学图也显示其地壳几乎都是由斜长岩组成。通过对部分熔融的月函喷发出的熔岩流冷凝下来的月岩样本的研究,科学家确认月函含有比地球更丰富的铁,其主要成分是镁铁质。通过地球物理技术发现月球地壳的平均厚度约为50公里左右。

月球是太阳系内密度第二高的卫星,仅次于埃欧。但是月球的内核并不大,半径大约是350公里甚至更小,只占月球大小的约20%,相较之下,其它地球型天体的比例约为50%。它的组成尚不是完全清楚,可能是由金属铁组成,同时含有少量硫和镍。对月球随着时间变化转动的分析显示月球核心至少仍有部分是熔融的。

月面地质

月球背面,和正面的不同之处在于缺少黑暗的月海。 月球是地球的同步自转卫星,它绕轴自转的周期与绕地球的公转周期是相同的,这使得它几乎永远以同一面朝向地球。它之前以较快的速度旋转,在后来由于地球产生潮汐摩擦,让其自转速度减慢,直到最后以同一面持续面对地球,即潮汐锁定。我们将月球朝向地球的一面被称为正面,而相对的另一面则称为背面,背面通常也称为"暗面",但是事实上它如同正面一样会被照亮。当月相为新月时,我们看到月球的正面是黑暗的,而月球的背面则被太阳照亮。

科学家曾经使用雷射测高仪和立体影像分析对月球表面的地形进行测量。月球表面最明显的地形特征是位于背面的巨大撞击坑南极-艾托肯盆地,其直径2,240公里,是月球上最大的陨石坑,也是太阳系中已知最大的。它的底部是月球上海拔最低的地方,深度达到13公里。而月球海拔最高的地点则正好就在它的东南方,有人认为这个区域

是造成南极-艾托肯盆地的撞击所形成的隆起。月球上的其它大撞击盆地,如雨海、澄海、危海、史密斯海和东方海等,也都拥有低海拔的区域和高耸的边缘。月球背面的平均高度比正面高1.9公里。

表面地理

月球是一个南北极稍扁、赤道稍许隆起的扁球。它的平均极半径比赤道半径短500米。南北极区也不对称,北极区隆起,南极区洼陷约400米。但在一般计算中仍可把月球当作三轴椭圆体看待。物理天平动的研究有助于解决月球形状问题。通过天平动研究还表明,月球重心和几何中心并不重合,重心偏向地球2公里。这一结论已为阿波罗登月获得的资料所证实。

火山地形

在月球表面上用肉眼可以清楚看见有黑暗的,相对平坦的平原,我们称之为月海,这是因为古代的天文学家认为这些地方充满了水。现在,我们知道这些黑暗部分是古代火山爆发后熔岩浆在洼地凝结成的广大玄武岩。和地球的玄武岩类似,月海中的玄武岩含有丰富的铁,而完全缺乏因水流过而出现的矿物。大多数喷发的熔岩浆流入与撞击盆地相连接的洼地,形成月海。现在科学家已经在月球正面的月海中发现几个拥有盾状火山和火山穹顶的地质分区,这些是熔岩浆凝结形成月海的证据。

几乎所有的月海都位于月球正面,占正面面积的31%,相较之下,在月球背面只有少数的月海,只涵盖了背面2%的面积。这被认为和通过月球探勘者的伽玛射线光谱仪所描绘的月球化学图上所看见在月球正面地壳下的生热元素的浓缩有关。生热元素的浓缩会造成地函下的温度上升,部分熔解,并上升到表面造成喷发。大部分玄武岩的喷发都出现在30至35亿年前的雨海纪,但也有少部分样本的辐射定年显示其形成于更古老的42亿年,也有一些相对年轻的样品,最年轻的喷发物经由撞击坑计数测定年限发现其发生在12亿年前。

月球上较亮的部分被称为“高地”,因为它们高于大多数的月海。经由辐射定年测定它们是于44亿年前形成的,这意味着这些高地可能是在月球岩浆海形成时的斜长岩堆积所产生的。月球上没有任何一个主要的山脉被认为由地质构造事件产生的,这和地球的情况刚好相反。

撞击坑

另一个会影响月球表面地形的主要地质事件是撞击坑。小行星或彗星撞击月球表面时都会形成陨石坑,现在估计单在月球正面直径大于1公里的陨石坑就大约有300,000个,其中有些陨石坑以知名的学者、科学家、艺术家和探险家的名字命名。月球地质年代是根据月面上的重大陨石撞击事件进行分界,包括在酒海、雨海和东方海等的撞击事件。这些撞击事件的结构特征是产生多层物质隆起的环,通常是由数百至数千公里直径的围裙状喷发物沉积形成一个区域性的地层视界。由于月球没有大气层、天气变化,在

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最近几十亿年也没有地质活动,大部分环形山都保存得很完好。虽然有几个多环盆地明显的已经很久远,它们还是能用于分派相对的年龄。由于撞击坑是以恒定的速率累积,计算单位面积内的撞击坑数目可以用来估计表面的年龄。阿波罗任务收集撞击熔化的岩石以辐射测定年龄,群集在38亿和41亿年的年龄:这已被用来建议撞击的后期重轰炸期。

覆盖在月球地壳上的是高度粉碎的(碎裂成更小的颗粒)和撞击园艺下的表面层称为风化层,是由撞击过程形成的。最细微的风化层,是二氧化硅的月球土壤玻璃状物体,有着像雪一样的纹理和闻起来像用过的火药。较老的风化层表面一般比年轻的表面厚;在高地的厚度在10-20米之间,在海的厚度则是3-5米。在细致的粉碎风化层下面是“粗风化层(megaregolith)”,厚达数公里高度碎裂的基岩。

水的存在

月球的表面不存在液态水,因为太阳辐射会使水被光解并快速逸入太空。但从1960年代以来,科学家假设由彗星撞击所带来的水、或者来自太阳风的氢和含氧丰富的月岩反应所产生的水,都可能以冰的型态沉积下来,并在月球两极撞击坑低温的永久阴影区留下可以追踪得到的痕迹。电脑模拟月面的永久阴影区约有14,000公里。在月球上可用水的数量是一个重要的因素,可以决定建设一个月球适居区计划的成本效益,因为从地球运水到月球的费用极为昂贵。

近年来,已经在月球表面发现水的特征。在1994年,安装在克莱芒蒂娜太空船的双向雷达实验,显示有少量、冰冻的水存在接近表面的凹穴内。但是,后续使用阿雷西波的雷达观测,认为此一发现可能是由新撞击坑中的岩石近被撞击的岩石喷出的。在 1998年,月球勘探者携带的中子能谱计显示,在极地附近深度1米的风化层存在着高浓度的氢。在2008年,对一颗由阿波罗15号带回的熔岩珠的分析,显示有微量的水存在于珠子内。

在2008年,印度的月船1号太空船使用在载月球矿物绘图仪确认表面有水冰的存在。分光计观测在反射的阳光中侦测到羟基的通用吸收谱线,提供了有大量水冰在月球表面的证据。太空船显示浓度可能高达1000PPM。在2009年,LCROSS送了一个2,300公斤的撞击器到极区永久阴暗的环形山,并且从喷出的羽状物质中至少检测到100公斤的水。LCROSS另一个实验的数据显示侦测到的水量,更靠近155公斤(± 12公斤)。

重力和磁场

月球的重力是地球的六分之一。

月球的重力场已经通过围绕月球旋转的探测器发射无线电信号的多普勒效应所测量的。月球重力场主要的特征是拥有质量瘤,即在一些巨大的撞击盆地却反而出现较重的重力分布,这可能与组成这些盆地的玄武岩熔岩流密度较大有关系,这些异常对环绕月球轨道的太空船有极大的影响,如果经月球这些地域时,假如太空船与月面距离足够

低,而且轨道不加修正的话,那么太空船会在数个月或数年间在月球表面坠毁。但令人

困惑的是,熔岩流密度本身不足以完全解释重力异常,有一些质量瘤的存在明显和月海中的火山作用形成的熔岩流无关。

月球拥有一个强度不到地球磁场百分之一,范围在1至数百纳特斯拉之间的外在磁场。天体液体金属核心可以生成的全球性双极性磁场,但现在月球的磁场并不是由液体金属核心产生的,而可能是在月球演化的历史早期被磁化而一直保留至今的地壳磁场,月球磁场另一种可能来源是在大碰撞事件期间生成的瞬态磁场残余的磁化,通过撞击产生的等离子云包围,扩大了磁场的范围,这种说法受到最大的月壳磁场撞击盆地对面出现对蹠点的支持。

大气层

月球有一个非常稀薄、接近真空的大气层,总质量低于10公吨。如此小的大气质

量在月球表面产生的压力大约是 3 3 10?15

atm(0.3nPa),数值随着月球一天的时间不同而改变。月球大气的来源包括出气和溅射,如太阳风的离子轰极月球表面释放出的原子。过往曾经检测到由溅射产生的原子包括钠和钾,相同的情况也曾在水星和埃欧的大气中发现过。月球大气的氦-4来自太阳风,氩-40、 氡-222和钋-210则来自月球地函相关元素放射性衰变后的溅射。但月球大气中缺乏存在于月球表岩屑的氧、氮、碳、氢和镁等自然元素的原子或分子,目前原因尚不清楚。月船1号已经在月球大气中发现水蒸气的存在,其含量随着月球纬度的不同而改变,大约在纬度为60-70度时水蒸气的含量最高。这些水蒸气可能是由月球表面表岩屑的水冰升华而生成的。月球大气层的气体有些被月球的重力吸引回到表岩屑,有些由于太阳的辐射压,或者被太阳风的电离后逃逸到太空中。

季节

月球的转轴倾角只有1.54°,远小于地球的 23.44°。由于这个缘故,太阳照射对月球季节变化的影响很小,反而是月球表面地形对季节变化有重要作用。在2004年,约翰2霍普金斯大学的Ben Bussey博士率领的小组研究克莱芒蒂娜探测器在1994年获得的影像,发现位于月球北极的皮尔斯环形山边缘有4个区域在整个月球日中都被阳光所照亮,形成永昼峰,而在月球南极地区没有类似的区域。而在极区的许多环形山底部是永久黑暗的,没有受到阳光照射。这些黑暗的环形山底部是极低温的:月球勘测轨道飞行器在夏天的南极环形山底部测得的最低温度是35K (?238 °C),而在接近冬至时在北极测得厄米环形山的温度只有26K(?247 °C)。这个温度比冥王星的表面温度还要低,是太空船在太阳系中所测得的最低温度。

与地球的关系 轨道

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月球相对于固定的恒星以27.32天的周期完整的绕行轨道一周(它的恒星周期)。然而,因为地球间同时间也绕着太阳转,它对地球呈现相同相位的时间就会较长,大约是29.53天(它的会合周期)。于其他行星大多数的卫星不同,月球的轨道比较接近黄道平面,而不是地球的赤道平面。月球的轨道受到太阳和地球许多小、复杂并且相互影响而难解的摄动,例如月球轨道平面的渐进转动,这影响到月球其它的运动状态。卡西尼定律以数学叙述出后续的影响。

其中主要的轨道变化有:偏心率变化、轨道倾角变化、拱线运动、交点西退、中心差。

偏心率变化

月球轨道偏心率变化在1/15到1/23的范围内,偏心率的平均值为0.0549,接近1/18

严格来说,地球与月球围绕共同质心运转,共同质心距地心4,671千米(即地球半径的2/3处)。由于共同质心在地球表面以下,地球围绕共同质心的运动好像是在“晃动”一般。从地球北极上空观看,地球和月球均以逆时针方向自转;而且月球也是以逆时针绕地运行;甚至地球也是以逆时针绕日公转的。

很多人不明白为什么月球轨道倾角和月球自转轴倾角的数值会有这么大的变化。其实,轨道倾角是相对于中心天体(即地球)而言的,而自转轴倾角则相对于卫星(即月球)本身的轨道面。这个定义习惯很适合一般情况(例如人造卫星的轨道)而且数值是相当固定的,但月球却非如此。

拱线运动

月球围绕地球的椭圆轨道,在它自己的平面上也不是固定的,其椭圆的拱线(近地点和远地点的连线)沿月球公转方向向前移动,每8.85年移动一周。中国早在东汉,贾逵就提出月球视运动的最疾点每九年运动一周,这实际上正是拱线运动的结果。

轨道倾角变化

月球轨道(白道)对地球轨道(黄道)的交角(黄白交角)变化在4°57~5°19之间,平均值为5°09。

月球的轨道平面(白道面)与黄道面(地球的公转轨道平面)保持着5.145 396°的夹角,而月球自转轴则与黄道面的法线成1.5424°的夹角。因为地球并非完美球形,而是在赤道较为隆起,因此白道面在不断进动(即与黄道的交点在顺时针转动),每6793.5天(18.5966年)完成一周。期间,白道面相对于地球赤道面(地球赤道面以23.45°倾斜于黄道面)的夹角会由28.60°(即23.45°+ 5.15°)至18.30°(即23.45°- 5.15°)之间变化。同样地,月球自转轴与白道面的夹角亦会介乎6.69°(即5.15° + 1.54°)及3.60°(即5.15° - 1.54°)。月球轨道这些变化又会反过来影响地球自转轴的倾角,使它出现±0.002 56°的摆动,称为章动。

交点西退

白道与黄道的交线,其空间位置并不固定,而是不断地向西运动,每18.6年运行一周。这一现象早在东汉末年就为刘洪发现,并用于月食预报计算中。

中心差

由于月球轨道是椭圆而不是圆形,月球公转速度并不均匀。月球运动同均匀的圆周运动比较,时而超前,时而落后,其半振幅为6°.29,周期为27.55455日。

几何天秤动

由于月球轨道为椭圆形,当月球处于近地点时,它的自转速度便追不上公转速度,因此我们可见月面东部达东经98度的地区,相反,当月处于远日点时,自转速度比公转速度快,因此我们可见月面西部达西经98度的地区。这种现象称为经天秤动。又由于月球的自转轴倾斜于公转轨道平面(白道面),而白道与黄道又有约5度的交角,因此月球绕地球公转一周时,极区会作约7度的晃动,这种现象称为纬天秤动。再者,由于月球距离地球只有60地球半径之遥,若观测者从月出观测至月落,观测点便有了一个地球直径的位移,可多见月面经度1度的地区。这种现象称为周日天秤动。

相对大小

月球相对于地球的大小是最大的:直径是四分之一,质量是1/81。就卫星与行星的相对大小比例来说,它是太阳系最大的卫星 (虽然凯伦与矮行星冥王星相对来说更大)。

然而,地球和月球仍然被认为是一种行星-卫星系统,而不是双行星系统,因为它们的质心,一般所谓的质量中心,位于地球表面之下1,700公里(大约是地球半径的四分之一)。

从地球看月球

月球有着异常低的反照率,它的数值与煤炭相当。尽管如此,它仍是天空中继太阳之后第二亮的天体。这一部分是因为对冲效应的增强效果;在弦月时,月球只有十分之一的亮度,而不是满月一半的亮度。 此外,由于视觉系统的颜色恒常性重新校准天体的颜色和周围环境的关系,因为周围的天空比较黑暗,会觉得被太阳照射的月球是比较明亮的天体。满月的边缘感觉上会比中心明亮,并没有周边昏暗的效应,这是月球土壤的反射特性,它反射向太阳方向的光多于其它的方向。月亮出现在靠近地平线时会显得比较大,但这纯粹是一种心理上的影响,也就是所谓的月球错觉,最早的叙述出现在西元前7世纪。

月球在天空中最高的高度变化:虽然它有与太阳相同的限制,在一年当中它会随着季节与月相变化,满月在冬天到达最高的位置。18.6年的焦点周期也有些影响:当月球的升交点在春分点,月球每个月的的纬度可以到达28°。这意味着月球会出现在赤

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道到纬度28°之间的天顶,反过来 (降交点在春分点) 则只有18°。月球的新月方向也取决于观测者的纬度:接近赤道的观测者,可以看见微笑状的新月。

月球的表面是否会随着时间改变,在历史上仍有争议。今天,许多这些主张被认为是虚幻的,是在不同光线条件下观察的结果,不良的视宁度,或不当的绘图。但是,偶尔会出现出气现象,还有小部份的报告可以归因于瞬变月面现象。最近,有人认为月球上一个3公里直径的区域在一百万年前被释放出的气体改变。月球的外观,像太阳一样,也会受到地球大气层的影响:常见的是当月光通过高空的卷层云时,会受到冰晶的折射形成22°的晕环,通过薄云也会有相似的冕环。

潮汐效应

地球上的潮汐主要是来自月球牵引地球两侧引力强度的渐进变化,潮汐力,造成的。这在地球上造成两处隆起,最清楚的是海潮,海平面的升高 。由于地球自转的速度大约是月球环绕地球速度的27倍,因此这个隆起在地球表面上被拖曳的速度比月球的移动还快,大约一天绕着地球的转轴旋转一圈。海潮会受到一些影响而增强:水经过海底时的摩擦力与地球自转的耦合,水移动时的惯性,接近陆地的平坦海滩,和不同海洋盆地之间的振荡。太阳的引力对地球海潮的影响大约是月球的一半,它们相互的引力影响造成了大潮和小潮。

月球和靠近月球一侧隆起的重力耦合对地球的自转产生了一个扭矩,从地球的自转中消耗了角动量和转动的动能。反过来,角动量被添加到月球轨道,使月球加速,使得月球升到更高的轨道和有更长的轨道周期。结果是,月球和地球的距离增加,和地球的自转减缓。通过阿波逻任务安装在月球表面上的月球测距仪,测量月球到地球的距离,发现地月距离每年增加38毫米(虽然每年只是月球轨道半径的0.1 ppb)。原子钟也显示地球的自转的一天,每年约减缓15微秒,在UTC的缓慢增加被闰秒加以调整。 潮汐拖曳会继续进行,直到地球的自转速度减缓到与月球的轨道周期吻合;然而,在这之前,太阳已经成为红巨星,吞噬掉地球。

月球表面也能体验到周期约27天,振幅约10厘米的潮汐,它有两种成分:因为它的同步自转,来自地球的是固定的;和来自太阳的变动。来自地球导致的量是天秤动,这是月球轨道离心率造成的结果;如果月球轨道是理想的圆,就只会有太阳造成的潮汐天秤动会改变从地球看见的角度变化,使得从地球可以看见59%的月球表面(但在任何时间看见的都略少于一半)。这些潮汐力累积的应力会造成月震。虽然每次震动可以持续至一小时以上-明显的比地震的时间长-因为缺乏水来阻尼震动的振幅,但月震不如地震的频繁,也比地震微弱。月震的存在是1969年到1972年的阿波罗太空人安放在月球上的地震仪的一个意外发现。

蚀 当地球、太阳和月球在一条直线上时,才会出现蚀。日蚀发生在朔(有别于新月),当月球介于地球和太阳中间。对照过来,月蚀发生在满月,当地球介于太阳和月球中间。从地球看月球的角视直径和太阳的角视直径变化的范围是重叠的,因此日蚀时会有日全蚀和日环蚀的可能性。在日全蚀,月球会将太阳的盘面完全遮蔽掉,因此以肉眼就能看见日冕。由于地球和月球的距离缓慢的在逐渐增加中,月球的角视直径逐渐减小。这意味着在数百万年前的日蚀,月球都会完全遮蔽掉太阳,而没有发生日环蚀的可能。同样的,从现在开始大约6亿年之后,月球将不再能够完全遮蔽掉太阳,因此将只会发生日环蚀。

由于月球环绕地球的轨道相对于地球环绕太阳的轨道有大约5°的倾斜,所以不是每个新月和满月都会发生蚀。 当蚀发生时,月球必须在两个轨道平面交集的附近。日蚀和月蚀复发的周期性,由沙罗周期来描述,其周期大约是18年。

由于月球在天空中总是会遮蔽大约半度直径圆型区域的视野,当一颗亮星或行星经过月球的后方时,就会发生掩星的现象:从视线中隐藏。这样一来,日食只是太阳被掩蔽。由于月球非常的靠近地球,单独一颗恒星被掩蔽的现象不是在地球上的任何地点都能见到,也不是同时见到。并且因月月球轨道的进动,每年会被掩蔽的恒星也都有所不同。

研究和探测 苏联的任务

冷战-刺激了苏联和美国的太空竞赛,导致月球探测的加速和趣味性。一但发射器有足够的能力,这些国家就送出无人探测器进行飞越和撞击或登陆的任务。来自苏联的月球计划太空船最先完成多项目标:于1958年进行了三次未赋与名称的失败任务之后,第一个脱离地球的引力,并且飞越过月球的人造物体是月球1号;第一个撞击月球表面的人造物体是月球2号;第一个拍摄到通常是被遮蔽而看不见的月球背面影像的是月球3号,这全都发生在1959年。

第一艘成功执行在月球软着陆的是月球9号,第一艘环绕月球的无人太空船是月球10号,这两者都完成于1966年。将月球的岩石和土壤标本带回地球的标本返回任务(月球16号、月球20号和月球24号) 总共带回0.38公斤的月岩。两个先锋的机器人太空船在1970年和1973年登陆于月球上,是苏联的月球步行者计划的一部分。

美国的任务

在阿波罗8号任务,于1968年的圣诞夜从月球看见的地球。非洲在日没的边界线上,美洲在云层之下,在边界线末端左边的是南极大陆。

在1969年7月20日人类第一次登月任务中,太空人阿姆斯壮拍摄的太空人巴兹2艾德林。

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天文学汇总

美国的月球探测始于机器人任务的发展,旨在实现载人登陆月球的最终目标:喷射推进实验室的测量员计划,在月球9号发射后4个月,发射第一艘登陆月球的太空船。NASA载人的阿波罗计划也在同时发展;经过无人的阿波罗太空船在地球轨道上一系列的测试之后,和苏联月球飞行能力的刺激,阿波罗8号于1968年首度执行载人环绕月球轨道的任务。在1969年人类首次登陆月球,与后续多次的登陆月球,使很多人认为是太空竞赛的最高潮。尼尔2阿姆斯壮是美国阿波罗11号任务的指挥官,他在1969年7月21日02:56 (世界时) 踏上月球表面,成为第一位在月球上漫步的人。从阿波罗11号到17号 (除了阿波罗13号中止了登陆月球的任务) 的任务, 总共带回382公斤、共2,196块月球岩石和土壤的标本。美国登陆月球和返回使1960年代初期在的技术获得长足的进步与发展,特别是在烧蚀化学、软件工程和重返大气层技术,和高阶巨大计划整合管理等领域。

目前的时代:1990–现在

更多的国家已经直接参与月球的探测。在1990年,日本将太空船Hiten送到月球,成为第三个有环绕月球轨道卫星的国家。这艘太空船释放一个小探测器,Hagoromo,在月球轨道,但是发射失败,妨碍了进一步的科学应用任务。在1994年,美国国防部和NASA联合发送了克莱芒蒂娜至月球轨道。这个任务首度获得几乎整个月球的全球地形图,和第一份月球表面全球的多光谱影像。此后在1998年又派遣了月球探勘者任务,它的仪器显示在月球的极区有过量的氢,这可能是存在于永久阴暗的环形山内部风化层表层数米处的水冰。

欧洲太空船智能1号,第二艘使用离子推进的太空船,从2004年11月15日进入月球轨道直到2006年9月3日,并且第一次对月球表面的化学元素做了详细的调查。

中国也执行了中国探月工程探测月球,成功的发射了第一艘进入月球轨道的太空船,嫦娥一号,从2007年11月5日直到2008年3月1日在控制下撞击月球。在6个月的任务期间,它获得月球表面完整的影像图。嫦娥二号于2010年10月1日发射升空,最主要的任务是为嫦娥三号预定着陆的虹湾拍照,而其分辨解析力高达1米。 在2007年10月4日至2009年6月10日之间,日本宇宙航空研究开发机构的“月亮女神

(Selene)”任务,携带了一架高明晰度电视摄影机,和两个小的无线电发射卫星,获得许多月球地理的资料和从地球轨道之外高明晰的影片。 印度的第一次月球任务,月船1号,从2008年11月8日起环绕月球,直到2009年8月27日,创建了月球表面高解析的化学、矿物学和照片地质地图,并确认月球土壤中存在着水分子。印度太空研究组织计划在2013年发射月船2号,将会携带苏联的机器人月球漫游车。 美国一起发射的“月球勘测轨道飞行器”(LRO)和“LCROSS”撞击器于2009年6月18日进入轨道;随后与轨道上的飞行器,在2009年10月9日一起在计划内与计划外广泛的观测LCROSS

撞击Cabeus,完成他的使命, 之后,LRO仍然继续运作,以月球高度测量术获得高分

辨率的影像。

在美国总统乔治2沃克2布什在2004年1月14日宣布在2020年重返月球之后,NASA开始恢复载人任务计划。星座计划开始资助与测试载人太空船和发射器,并且研究和设计月球基地。但是,2011年的政府预算已经取消了对NASA星座计划的挹注,这将迫使NASA取消在太空技术上的推行以及高推力火箭的研究 印度也表示希望在2020年能够送人上月球。

32 月球的表面形态

1.月海

月海是月球上大块呈黑色的玄武岩平原,推测是古代火山爆发的产物。

所谓的月海,并非月球上面的海洋。其之所以被称之为“海”,是因为早期的观察者,发现到月面有部分地区较暗。而在当时无法清晰观察到月球表面的情况下,观察者们按照其对地球的认识,猜测该地区为海洋,因而其反光度比其他地方较低。相对地,其他比较光亮的地方也就被称之为月陆了。此外,还有被称为湖的“月湖”;被称为湾的“月湾”;被称为沼的“月沼”。

比较多人认为月海是小天体撞击月球时,撞破月壳,使月幔流出,玄武岩岩浆覆盖了低地,形成了月海。但也有科学家根据对月球各类岩石成份、构造与形成年龄的研究,认为月球约形成于45.6亿年前。月球形成后曾发生过较大规模的岩浆洋事件,通过岩浆的熔离过程和内部物质调整,于41亿年前形成了斜长岩月壳、月幔和月核。在40至39亿年前,月球曾遭受到小天体的剧烈撞击,形成广泛分布的月海盆地,称为雨海事件。在39至31.5亿年前,月球发生过多次剧烈的玄武岩喷发事件,大量玄武岩填充了月海,厚度达0.5至2.5千米,称为月海泛滥事件。月海因此而成。两个观点的分别在于,后一观点认为小天体的撞击和玄武岩的喷发分别发生在两个年代;而另一观点则认为是同时发生的。

月海的地势一般较低,类似地球上的盆地,月海比月球平均水准面低1-2千米。个别最低的海如雨海的东南部甚至比周围低6000米。 月球表面有雨海、静海、危海、澄海、丰富海等23个月海。大多数月海分布在月球近地面(由于月球是同转卫星,所以月球的一面永远面向地球。)。月球的远地面仅有3个月海,还有4个在边缘地区。形成月海分布如此不均的原因相信是地球的引力。由于月球是的一面永远面向地球,历经亿万年的引力影响之后,科学家相信月球的质心比形心更接近地球。所以月幔更容易从近地面流出,使近地面的撞击坑更容易被玄武岩岩浆所“灌溉”,从而导致了分布不均的现象。 在月球近地面,月海面积约占整个半球表面的一半。最大的月海叫“风暴洋”,位于月球的东北部,面积达500万平方公里,约等于9个法国的面积。雨海面积约为

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90万平方公里;月面中央的静海约有26万平方公里。月海的面积占月面总面积的16%此外,较大的还有澄海、丰富海、危海、云海等。 美国“阿波罗”宇宙飞船曾6次在月海上登陆,如“阿波罗-11”号、“阿波罗-17”号着陆于静海,“阿波罗-12”号着落于风暴洋。宇航员身穿宇航服,在“海面”上行走,并留下一串串约3厘米深的脚印。发现月面的尘土是近于灰色的纤细粉末,有点像带有粘性的木炭屑。

月海的资源

填充月海的玄武岩就犹如一个巨大的钛铁矿的储存库。据专家的模式计算,共约有体积为106万立方公里的玄武岩分布在月海平原或盆地上。通过已有的探测结果,特别是“克莱门汀”号月球探测器的多光谱探测数据,配以目前地球上钛铁矿开采的品位为参考值,可计算出这些玄武岩中钛铁矿达到开发程度的资源量超过100万亿吨。尽管这样所得的结果带着很大的推测性与不确定性。但可以肯定的是,月海玄武岩确实蕴藏着丰富的钛铁矿。而且,钛铁矿不仅是生产金属铁、钛的原料,还是生产水和火箭燃料——液氧的主要原料。这意味着对月海玄武岩的探测尤为重要。但遗憾的是,目前对月海玄武岩厚度的探测程度很低,影响了月海玄武岩总体积的计算精度,进而影响了钛铁矿开发利用前景评估的可靠性。

2.月球环形山

月球表面布满大大小小圆形凹坑,称为“月坑”,大多数月坑的周围环绕着高出月面的环形山。月面上最大的环形山为月球南极附近的克拉维环形山,直径230千米,小的月坑直径只有几十厘米甚至更小。直径大于1000米的月坑总数达33000个以上。月球背面的环形山更多。

阿基米德环形山、奥托里克环形山和阿里斯基尔环形山,是雨海中比较大的三个环形山,阿基米德环形山的直径有80千米。古代天文学家在给月球上的山川起名字时,规定了月球上的山用地球上的山名,月球上的环形山用世界著名的科学家与思想家的名字来命名。这一规定沿用至今。环形山的构造十分复杂,种类也多。但是按它们形成的先后顺序来划分,基本上可分为古老型与年轻型两类。古老的环形山很不规则,大多已经坍塌,而在它的上面重叠着圆形的小环形山及其中央峰。这些高高在上的环形山都是比较年轻的山 。

关于环形山的形成,比较流行的解释有两种:

其一,月球形成不久,月球内部的高热熔岩与气体冲破表层,喷射而出,就像地球上的火山喷发。它们起初威力较强,熔岩喷出又高又远,堆积喷口外部,形成环形山。后来喷射威力减小,喷射堆积只在中央底部,堆成小山峰,就是环形山中的中央峰。有的喷射熄灭较早,或没有再次喷射,就没有中央峰。

其二,流星体撞击月球。1972年5月13日有一颗大的陨星体在月面上撞成一个有足球场那么大的陨石坑。撞击时引起的月震,被放置在月面的4个月震仪记录下来。主

张陨石撞击的人认为,在距今约30亿年前,空间的陨星体很多,月球正处于半融熔状态。巨大的陨星撞击月面时,在其四周溅出岩石与土壤,形成了一圈一圈的环形山。又由于月面上没有风雨洗刷与激烈的地质构造活动,所以当初形成的环形山就一直保留至今。

许多环形山的周围都呈现放射状斑纹结构,这种环形山至少在60座以上,如第谷、哥白尼、开普勒等环形山,都有形状不一、长短不同、条纹数量互异和亮度也很不一致的辐射纹。1968年美国的“勘测者”7号月球探测器,拍下了第谷环形山的一些辐射纹。第谷环形山的辐射纹共有12条,它们穿过山脉、月谷,也横越月海,其中最长的一条辐射纹竟长达1800千米,最宽的一条有20千米宽。

辐射纹怎样形成的?多数科学家认为,火山喷发或者大的陨星体撞击月球表面时,岩石以及岩石粉末等被抛向四周。后来,这些物质逐渐回落到月面而成为辐射纹。由于它们的反照率比较大,所以看上去显得格外明亮。

3.质量瘤

质量瘤是指一颗行星或卫星的地壳上一处具有比周边地方有更强引力的地域。一般来说,通常提及“质量瘤”这名词,都是与月球有关。但事实上,在地球及火星,甚或在其他行星或卫星也好,都可以出现质量瘤。质量瘤的出现,与行星或卫星的构成部份的密度有关。

质量瘤被发现的原因,是因为美国在1972年4月24日阿波罗16号任务即将结束回航之前,将一颗名为PFS-2的小型“子卫星”释放到周期2小时的月球轨道上。这个轨道距离月球表面约55至76英里,相对于日常飞机在地球飞行时的高度。太空人发现:子卫星在环绕月球运行时,出现不平均运动速率及与月球表面距离变化很大的问题。到后来,卫星更坠落到月球表面上。

但其实有关问题早在1968年已为美国国家航空航天局(NASA)所发现。当时,Paul M Muller及William Sjogren在NASA的喷射推进实验室工作,负责研究太阳神计划早期的无人驾驶太空船的运行数据。他们发现:当太空船行经月球某些地域时,假若与月面距离足够低、而且轨道不加修正的话,结果太空船会在数个月或数年间在月面坠毁。不过当时研究人员一度以为是太空船的计算出错,以致轨道偏离原有的航道。

假设月球是一个均匀的球体,那么,一个以均速运转的卫星,亦应该以均速在月球上的固定轨道运转。出现了这一现象,唯一原因就是因为月球并不是一个密度平均的星体。也许有人会问:月球跟地球一样有高山有深谷,密度当然不平均了。可是,质量瘤一个奇怪的现象就是:很多时质量瘤在月球的所在地都在低地而不是高山。右图所显示的是月球的地势图和质量分布图的比较:上图的是地势图,下图是质量分布图。可以看见,在上图绿色的低地,在下图却出现较重的质量分布。

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质量瘤的出现可能与陨石坠落有关。研究发现:这些质量瘤所在的月海都由较为致密的玄武岩所形成,可能来自距离月球六公里深的岩浆。由于月球的地壳较薄,若较大型的陨石在月球表面坠落,可能会击穿地壳,使地壳底下的地幔(月幔)涌出表面。而由于地幔含有不少金属,密度相对比地壳较高,使质量瘤形成;相反地,一些由较细小的陨石造成的陨石坑,由于并没有穿透地壳,所以并未有产生质量瘤。

月球上比较知名的质量瘤包括有:雨海(Mare Imbrium)、危海(Mare Crisium)及东方海(Mare Orientale),都是由猛烈撞击而形成的盆地。质量瘤的形成,与撞击的面积大小无关,例如在风暴洋上就没有任何质量瘤。

但质量瘤并非月球上独有:地球上也有质量瘤,位置就在夏威夷。而夏威夷在地球上亦不是高山,而是地势较低的地方。不过,有趣的地方是:夏威夷虽然不是由陨石坑撞击而成,而是由地底火山喷发的岩浆形成,但夏威夷位于板块的边缘,邻近全球地势最底的海底,所以夏威夷亦有可能是由从地幔喷发出来的岩浆所形成的。

火星上也有质量瘤低地,位于阿尔及尔平原、伊希地平原及乌托邦平原撞击盆地。 现时的人造卫星都一定装设有修正轨道的引擎,以便当卫星经过质量瘤的上空时,能够自行修正轨道,以免被引力所影响而偏离。

4.月面辐射纹

月面上还有一个主要特征是一些较“年轻”的环形山常带有美丽的“辐射纹”,这是一种以环形山为辐射点的向四面八方延伸的亮带,它几乎以笔直的方向穿过山系、月海和环形山. 辐射纹长度和亮度不一,最引人注目的是第谷环形山的辐射纹,最长的一条长1800千米,满月时尤为壮观.其次,哥白尼和开普勒两个环形山也有相当美丽的辐射纹.据统计,具有辐射纹的环形山有50个。形成辐射纹的原因至今未有定论.实质上,它与环形山的形成理论密切联系。现在许多人都倾向于陨星撞击说,认为在没有大气和引力很小的月球上,陨星撞击可能使高温碎块飞得很远.而另外一些科学家认为不能排除火山的作用,火山爆发时的喷射也有可能形成四删除广告性质的扩展阅读处飞散的辐射形状。

月面上还有一个主要特征是一些较“年轻”的环形山常带有美 丽的“辐射纹”,这是一种以环形山为辐射点的向四面八方延伸的亮带,它几乎以笔 直的方向穿过山系、月海和环形山. 辐射文长度和亮度不一,最引人注目的是第谷环形山的辐射纹,最长的一条长 1800千米,满月时尤为壮观.其次,哥白尼和开普勒两个环形山也有相当美丽的辐射 纹.据统计,具有辐射纹的环形山有50个. 形成辐射纹的原因至今未有定论.实质上,它与环形山的形成理论密切联系.现 在许多人都倾向于陨星撞击说,认为在没有大气和引力很小的月球上,陨星撞击可能 使高温碎块飞得很远.而另外一些科学家认为不能排除火山的作用,火山爆发时的喷 射也有可能形成四处飞散的辐射形状. 5.月球背面

月球背面是月球永远远离地球的半球。月球背面的第一张影像是前苏联的月球3号太空船在1959年拍摄的,而人类直到1968年的阿波罗8号任务环绕月球时,才直接用眼睛看见月球背面。背面的地形是一大堆起伏不平的撞击坑,和相对较少的月海。它包含太阳系第二大的撞击坑,南极的南极-艾特肯盆地。因为来自地球的电波干扰会被遮蔽掉,因此有人建议在月球背面安置一架大的电波望远镜。

因为侵袭月球正面的太阳风受到地球的遮蔽,估计月球背面的月海会有月球表面最高的氦-3浓度。相对而言,这种同位素在地球上非常罕见,但是在核融合的反应堆中是很好的燃料。这种物质的存在给了主张在月球建立基地的支持者一个很好的理由。

6.月湾

人类仰望夜空的时候,会发现月球上有一些大面积的暗黑色区域,这就是月海。所谓的月海,并非月球上的海洋,实际上一滴水也没有,是由类似地球玄武岩的岩石组成的平原。由于玄武岩的反照率较低,所以肉眼看起来月海比月陆要暗淡得多。月海伸向月陆的部分称为“月湾”和“月沼”,有一些小的月海则称为“月湖”。

露湾、暑湾、眉月湾等几个较大的月湾都分布在月球正面。最大的月湾是露湾,位于风暴洋北部,其面积甚至比危海还大。暑湾位于月球正面赤道附近的中央区域,属于风暴洋向东延伸进月陆的部分,面积约3万~4万平方公里。眉月湾位于雨海东部,其面积仅为数千平方公里,周围环绕着阿基米德、奥托利克和阿里斯基三个大型撞击坑。

7.风暴洋

风暴洋是月球最大的月海,南北径约2500千米,面积约400万平方公里。风暴洋位于月球西半球,面向地球一面的西侧,是一片广阔的灰色平原,四周有小型的月海,如南面的云海、北侧的雨海等。辽阔的风暴洋有许多引人注目的环形山,如哥白尼环形山、开普勒环形山等。和其他月海一样,风暴洋由远古火山喷发形成的玄武岩构成,年龄约32至40亿年。

无人月球探测器月球9号、月球13号、测量员1号和测量员3号都在风暴洋进行软着陆。阿波罗12号登月舱也在风暴洋着陆,航天员皮特2康拉德和艾伦2宾出舱活动,并取回34.6公斤月岩和月壤。

33 月球的运动

1、影响月球运动的因素 地球的引力 太阳的引力

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形状摄动

行星的引力摄动 潮汐摩擦 相对论效应

2、汉森和德洛内的的贡献 3、希尔的的贡献 4、埃克特的的贡献 5、研究中的问题

34 白道

月球轨道,白道是月球围绕地球运行的轨道投影在天球上的一个大圆,它与黄道的交角(黄白交角)在4°57'至5°19'之间变化,平均值约为5°9',变化周期约为173天,因此日食与月食只发生在黄道与白道的升交点与降交点(即黄白交点)上才会发生掩食。

35 恒星月、朔望月

1、恒星月

恒星月是指月球对于一颗恒星来说的自转周期。如果月球上某一点,本来面向着遥远的一颗恒星,在经过一段时间后,这一点指向同一恒星,这一周期就称为恒星月。一个朔望月有29.53天,而一个恒星月就有27.322天,或是27天7小时43分11.51秒

(约为天)。在天文学中,有三种主要的旋转周期:天(太阳—地球)、恒星

月(月球—地球—恒星)、年(太阳—地球—恒星)

时间

太阳年=365.242199天 太阴年=354.367天 朔望月=29.53059天 交点年=346.62天

太阴率=12.36826623/年

沙罗交蚀周期=18.03年=233个太阴月=6585.322天 太阴交点周期=18.618年=6800.0天

默冬周期(太阴周期)=19年=235个太阴月=6939.602天

恒星月=27.322天

太阳黑子周期=11.2年 恒星日=23小时56分4秒 回归日(即钟时)=24小时

太阴日(平均)=24小时52分4.31秒 岁差周期=约25820年

潮汐间隔(平均)=12小时26分2.15秒 2、朔望月

朔望月,在天体测量学中,是指月球连续两次合朔的时间间隔。因为摄动的关系,朔望月的长度大约在29.27至29.83天之间变动著,长期的平均长度是29.530588天(29天12小时44分2.8秒),或大约是29.5天。由于月相的变化易于观察,所以阴历历法以朔望月的平均长度作为太阴月的长度。

36 月相、方位和时刻

1.月相

月相是天文学中对于地球上看到的月球被太阳照明部分的称呼。月球环绕地球旋转时,地球、月球、太阳之间的相对位置不断地变化。因为月球本身不发光,月球可见发亮部分是反射太阳光的部分。只有月球直接被太阳照射的部分才能反射太阳光。我们从不同的角度上看到月球被太阳直接照射的部分,这就是月相的来源。

月相的名称

在北半球看见的月相,在南半球看见的每一个都会是上下左右倒置的。

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的一侧。当月球的亮面渐增(从地球看见的明亮表面逐渐增加),月相的变化依序是朔、新月、眉月、上弦月、盈凸月、和满月的相位,然后成为亏凸月、下弦月、残月和晦。虽然眉月较为普通与常见,但眉月和残月的位置是互换的,上弦月和下弦月有时也被称为半月。

2.方位角

方位角又称地平经度(Azimuth (angle)缩写Az),是在平面上量度物体之间的角度差的方法之一。

真方位角(True bearing)

所有角度以正北方设为000°,顺时针转一圈后的角度为360°。 因此:

正北方:000°或360° 正东方:090° 正南方:180° 正西方:270°

罗盘方位角(Compass bearing)

正北和正南作首要方位,正东和正西为次要方位,在两者之间加上角度。因此角度只会由 0°至 90°。

因此:

正北方: N0°W 或 N0°E 正东方: N90°E 或 S90°E 正南方: S0°W 或 S0°E 正西方: N90°W 或 S90°W

假若两者加上与目标的距离,就会成为极坐标:直角坐标系(笛卡尔坐标系)以外的另一种坐标系统。

实际用途

在空战中,方位角是你的飞机相对于敌机尾部的角度。字母“L”或“R”显示在方位角之后,指示你的飞机在目标的哪一侧。

37 日食

日食,又作日蚀,是一种天文现象,只在月球运行至太阳与地球之间时发生。这时,对地球上的部分地区来说,月球位于太阳前方,因此来自太阳的部分或全部光线被挡住,看起来好像是太阳的一部分或全部消失了。日食只在朔,即月球与太阳呈现合的状态时发生。

日食(日蚀)是相当罕见的现象,日食分为四种,包括日全食、日环食、日偏食及全环食,其中较罕见的是全环食,只发生在地球表面与月球本影尖端非常接近的情形下,这时不同地区会出现日偏食、日全食和日环食三种不同的日食。日全食是一种相当壮丽的自然景象,所以经常吸引许多游客和天文爱好者特地到海外去观赏日全食。例如,在1999年发生在欧洲的日全食,吸引了非常多观光客特地前去观赏,也有旅行社推出专门为这些游客设计的行程。

最近一次日食发生于2011年11月25日(偏食),下一次日食将发生于2012年5月20日(环食)。

日全食:太阳比月球宽400倍,但离地球也是400倍远。由于对称的缘故,月球的暗影,也就是落在地球表面的阴影,宽度正好可以遮住整个太阳。太阳光球完全被月亮遮住,原本明亮的太阳圆盘被黑色的月球阴影遮盖。然而,也只有在日全食发生时才可能用肉眼观测到模糊的日冕。日全食只在月球位于近地点时发生,此时月球的本影锥长度较月地之间距离长,本影锥才能扫到地球表面。由于太阳的实际体积比月球大很多,所以日全食通常只能在地球上一块非常小的区域见到,因为月亮的本影对太阳来说只是一个小点。(在全食区之外,所见的食相是偏食)。最近一次日全食发生于2010年7月11日,下一次的日全食将发生于2012年11月13日。

日偏食:中国史书上称“日有食之,不尽如勾”,造成日偏食的原因是因为观测者落在月球的半影区中,观测者会看见一部分的太阳被月球的阴影遮盖,但另一部分仍继续发光。太阳和月球只有部分重合,依据两者中心的视距离远近(太阳被月球遮盖的最大直径)来衡量食的大小。通常日偏食是伴随着其他食相发生,如日全食或日环食或日全环食。但某些日食只可能是日偏食(不伴随其他食相),因为月球与地球的距离太远,只有半影碰到地球表面,最近一次不伴随其他食相的日偏食发生于2011年6月1日,下一次的不伴随其他食相的日偏食将发生于2011年7月1日。

日环食:当月球处于远地点时,月球的本影锥不能到达地球;到达地球的是由本影锥延长出的伪本影锥。此时月球的视直径略小于太阳。因此,这时太阳边缘的光球仍可

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天文学汇总

见,形成一环绕在月球阴影周围的亮环。(在环食区之外,所见的食相是偏食)。最近一次日环食发生于2010年1月15日,下一次的日环食将发生于2012年5月20日。

全环食:全环食只发生在地球表面与月球本影尖端非常接近,或月球与地球表面的距离和月本影的长度很接近的情形下。由于地球为球体之关系,而本影影锥接触地球时为日全食(常为在食带中间),在食带两端由于影锥未能接触地球,致只能有伪本影到达地球之下,所看到的是日环食。所以,当全环食发生时,随着地月之间的相对运动,会先后出现环食→全食→环食,当然,对于某一个具体的地点来说,在一次日食过程中是不会同时看到全食和环食的。全环食发生机率甚少,最近一次日全环食发生于2005年4月8日,下一次的日全环食将发生于2013年11月3日。

日全食和日环食在天文学中称之为中心食,只要发生中心食,必然会发生日偏食。而当日出时,太阳已被食去(日食没结束)时,当地发生日出带食或带食日出,而日落时太阳还在被食去(日食没结束)时则称带食日落或日落带食。另外月食有半影月食,但日食没有半影日食。

虽然平均每18个月地球就可以有些地区会发生日全食,但日全食仍是很罕见的。据推算,在任何一个地点须平均要间隔370年才能看见一次日全食。因为月影向东移动的速度超过每小时1700千米,因此日全食在一个地点持续的时间只有几分钟。日全食持续的时间不会超过7分31秒,而一般都比较短:每一千年中超过7分钟的日全食通常都少于10次。上次发生如此长的日全食是在1973年6月30日 (7分3秒),利用协和式客机在日全食路径的月球本影中飞行,将观察日全食的时间延展到74分钟。下一次超过7分钟的日全食要到2150年6月25日才会发生。从西元前3000年至西元5000,这8,000年中,最长的日全食将发生在2186年7月16日,持续的时间为7分29秒。做为比较,20世纪最长的日全食发生在1955年6月20日,持续了7分8秒。

如果知道一次日食的时间和地点,就有可能利用日食周期推测其他的日食。有两个已知的周期是saros和inex。沙罗周期可能是最明和最精确的一个日食周期,依内克斯本身就不是个明确的周期,但是在日食周期的分类上非常有用。在一个沙罗序列完成后,新的序列会晚一个依内科斯周期才开始,它的名称:in-ex,就是这样来的。沙罗周期为6,585.3天 (比18年略长一些),这意味着经过这个周期会发生几乎相同的日食,但其中最显著的差异是经度会偏移120度 (由于0.3天的差),纬度也稍有变化。沙罗序列永远以发生在地球极区的日偏食开始,然后经由一系列的日全食和日环食逐渐越过整个地球,并以日偏食在相对的另一个极区结束。沙罗序列的长度从1226年至1550年不等,序列中会发生69次至87次的食,其中大约40次至60次是中心食。

每年食的频率

每年会发生2次至5次的日食,每个食季至少发生一次。自从1582年创始格历之后,曾发生5次日食的年份有1693、1758、1805、1823、1870、和1935年,下次将出现在2206年。

最后的日全食

因为偶然情况下组合的环境,地球上得以看见日食,甚至今天人类在地球上熟习的日食型式也是临时的现象 (以地质角度的时刻而言)。在以数百年万计的时间之前,月球是太靠近地球以致只有如现今的日全食 (没有日环食),而再以数百万年计的未来,它将会离地球太远而不再发生日全食。

由于潮汐加速,月球环绕地球的轨道以每年增加3.8厘米的速率远离地球。估计在6亿年之后,地球和月球的距离会增加23,500千米,这意味着,即使月球在近地点,地球在远日点,月球仍不能完全遮盖掉太阳的盘面。

一个复杂的因素是太阳在这段期间的增加的大小,这样就更导致月球不能引发日全食。因此,在地球上的最后一次日全食将发生再略低少于6亿年后的时间。

天灾人祸

日食也会对地球环境乃至人类社会的运作产生一定的影响,以下是科学角度认知上的灾害:

天灾方面:造成能见度下降、气温降低(沙漠地区最为明显)、湿度上升,对于交通运输的生产作业、通信安全(定位卫星断讯)等,或是某些敏感的动植物会应日食产生不寻常的变化。因此在日食(尤其日全食)期间,受到影响的地区需要调整照明设备以维护交通安全。

人祸方面:根据历史的事件纪录分析,有发生过有心人士将日食当作时间点的指标,借由此引起国家动乱、起义战争、夺取统治阶级的生命等各种意图的时机。在社会治安上,则会有人刻意散播不实谣言(或者是借由网络等手法),造成民众的迷信猜测和心理恐慌等带来一定影响。

观看

在观测日食时,不应当直接目视太阳,即使是在黄昏或日环食时,刺眼的太阳光(光球)也会引起视网膜破坏而影响视力。如果要直视太阳,需使用保护措施,如专用于目视太阳观测的滤光片、焊接用14号或以上的护目眼镜。否则可以投影法观看(如简单的针孔照相机在纸上成像,或利用望远镜把太阳影像投影于白纸上)。以墨水倒影,隔着烟薰黑的玻璃、已曝光的底片(含有银的黑白底片除外)、太阳眼镜、偏振光滤镜等,因为不能过滤红外线和紫外线,减光效果不佳,皆不安全。使用日食眼镜观测60秒,需休息30秒以上再继续观测。

全食的五大阶段

日全食观测的全过程包括五大阶段:

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①初亏:因月球自西向东绕地球公转,当月球东沿相切于太阳西沿,日食正式开始,太阳开始出现亏损。

②食既:月球继续向东运行,当东沿相切于太阳东沿时,太阳完全被月球遮挡,光线完全被吞食,称为食既。日全食开始。

③食甚:当月球东移至中心与太阳中心重合的位置,日全食达到极点,称为食甚。 ④生光:月球继续东移,当西沿相切于太阳西沿,太阳开始露出,光芒开始重现,称为生光。日全食结束。

⑤复圆:生光后月球遮挡太阳越来越少,当月球西沿相切于太阳东沿,太阳圆盘形状完全恢复,整个日食过程结束。

日食之最

38 月食

月蚀发生时,太阳、地球、月球恰好或几乎在同一条直线上,因此月蚀必定发生在满月的晚上(农历十五、十六、或十七)。每年全球至少发生两次月蚀。最近一次月全蚀发生于2011年12月10日,下一次月全蚀将发生于2018年1月31日。

月蚀类型

月球进入地球的本影区和半影区时会产生不同类型的月蚀 月蚀有三种类型: ①月全蚀:当整个月球进入地球的本影内时,在其前后均会发生月偏蚀与半影月蚀。最近一次月全蚀发生于2011年12月10日,下一次月全蚀将发生于2018年1月31日。

②月偏蚀:当月球只有部份进入地球的本影时,在其前后均会发生半影月蚀。最近一次月偏蚀发生于2010年6月26日。

③半影月蚀:此时月球只是掠过地球的半影区,造成月面的光度极轻微减弱,所以较不易为人注意。最近一次半影月蚀发生于2009年8月6日。

没有月环蚀

由于地球的本影比月球大得多,这也意味着在发生月全蚀时,月球会完全进入地球

的本影区内,所以不会出现月环蚀这种现象。

月蚀过程

①半影蚀始:月球刚刚和半影区接触,这时月球表面光度略为减少,但肉眼较难觉察。

②初亏:(仅月偏蚀和月全蚀):月球由东缘进入地影的一刻,月球与地球本影第一次外切。

③蚀既:(仅月全蚀):月球完全进入地球本影的一刻,并与本影第一次内切。 ④蚀甚:月圆面中心与地球本影中心最接近的瞬间,此时前后月球表面呈红铜色或暗红色(适用于月全蚀)。(原因:大阳光经过地球大气层时发生散射,像黄、绿、蓝、靛、紫等色的光波波长比较短,在大气中受到的散射影响比较大,红色的光线波长比较长,受到散射的影响不大,可以通过大气层穿透出去,折射到躲在地球影子后面的月亮上;此外,由于大气层的灰尘及云的含量与位置不同,光线偏折程度会有不同,因此月全蚀时的月球是暗红、红铜、或橙色的。同样的道理,由于大气层的散射,朝阳与夕阳不是白色的,而根据高度因为大气散射程度不同,呈现橙色或红色。)

⑤生光:(仅月全蚀):月球开始离开地球本影的一刻,并与地球本影第二次内切。⑥复圆:(仅月偏蚀和月全蚀):月球完全离开地球本影,与地球本影第二次外切。⑦半影蚀终:月球离开半影,整个月蚀过程正式完结。

月偏蚀没有蚀既、生光过程,蚀甚也只表示最接近地球阴影的时刻。 时间

相比于日蚀,月蚀发生的时间(月球由进入至走出地影)是十分长的,平均需时数小时,各年月蚀的时刻在大部分日历上均有说明。月全蚀时间最长可长达1小时45分,日全蚀最长仅能 7分31秒。2011年6月16日的月全蚀阶段达到1小时41分钟。但是2003年11月8日的月全蚀整个只有25分钟。

39 潮汐

潮汐是地球上的海洋表面受到太阳和月球的潮汐力作用引起的涨落现象。潮汐造成海洋和港湾口积水深度的改变,并且形成震荡的潮汐流,因此制作沿海地区潮汐流的预测在航海上是很重要的。在涨潮时会埋在海水中,而在退潮时会裸露出来的潮间带,是潮汐造成的重要海洋生态。

潮汐的变化位置与月球、太阳和月球的相对位置有关,并且会与地球自转的效应耦合和海洋的海水深度、大湖及河口。潮汐现象除了发生在海洋之外,也会在其它引力场的时间和空间系统内发生。

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在每天的海平面变化,特别是在浅海和港湾实际发生的,不仅受到天文的潮汐力影响,还会受到气象(风和气压)的强烈影响,例如风暴潮。

潮汐是海平面以下面几个阶段变化的重复周期: 2海水经历几个小时的上涨或在海滩上进展, 2水达到被称为高潮的最大高度。

2经历几个小时的海平面降低,或是像瀑布一样从海滩退出, 2水面在所谓的低潮停止降低。

潮汐停止的瞬间称为滞水或憩潮,然后潮水会改变方向,称为转向。憩潮通常发生在潮水最高和最低的附近,但是在高低水位的时刻,它们的位置有着显著的不同。

潮汐可能是半日潮(一天有两次高潮和两次低潮),或一日潮(每天只有一次循环)。在大多数的地区,潮汐都是半日潮。每天的分担是不同的,因此在选定的日子里,两次高潮的高度不同(日均差)。在潮汐表内,会有不同的高高潮和低高潮。同样的,每天的两次低潮也会有高低潮和低低潮。日均差会随着时间变化,通常在月球越过赤道的时候最小。

主太阴半日潮

因为地球自转快于月球公转,

涨潮会在月球至中天前到来(月球公转与地球自转方向相同),相差约3度。月球与潮汐隆起(tidal bulge,或称隆堆)相互吸引,使得地球自转渐渐变慢,而月球公转渐快。这使得当前每一年月球轨道约推离地球38毫米,而地球的一日延长约23微秒。因为月球对地球万有引力的作用,地球视作一固态整体,较背对月球一侧的海水更被拉近月球,因此背对月球一侧的海水形同“升高”了。这造成两端的潮汐隆起与每天两次的涨潮。

在大多数的地区,潮汐最主要的成分是主太阴半日潮,也称为M2,它的周期是12小时25.2分钟,正好是太阴潮汐日的一半,也是月球至下一次中天所需的一半时间,也是地球上同一个地点因为自转再一次正对着月球的周期。使用简单的潮汐钟就可以追踪这个成分的潮汐。因为月球以和地球公转相同的方向环绕着地球运转,因此太阴日比地球日长一点。

变动的范围:大潮和小潮

半日潮的潮差(在半天之内水域的最高和最低位置的变化)各自有两个星期或14天周期的不同变化。在新月和满月,当太阳、月球和地球的在一条线上,也就是朔望的时刻,太阳的潮汐力会加强月球的潮汐,潮汐的潮差会达到最大:称为大潮。当月球在上弦或下弦的位置,从地球看到的太阳和月球相距90度, 太阳的力量抵销了部分的月球力量,使两者的合力效果最小。在月相周期的这种位置上,潮汐的潮差最小:称为小潮。大潮的时候,高水位高于平均值,而低水位低于平均值,憩潮的时间比平均短,但

潮流比平均值强大;小潮的结果是一切都小于平均值。大潮和小潮的时间间隔大约是7天。

月球与地球之间的距离变化也影响到潮汐的高度,当月球在近地点,潮汐的潮差会增加,而在远地点时潮汐的潮差会减少。每7.5个朔望月,新月或满月会和近点月重合,会造成近点月大潮使潮汐的潮差达到最大。如果在此时有风暴出现在沿海地区,其结果是造成的灾害(各种形式上的财物损失,等等)会特别的严重。

半日潮潮差的差异

当一天有两次但高度不同的涨潮(也有两次高度不同的退潮),这种形式称为混合型半日潮。

其它的成分

影响潮汐的因素包括太阳的引力、地轴的倾斜、月球轨道的倾角和地球与月球轨道的椭圆形状。

少于半天的周期变化称为谐振成分。反之,长周期的成分是超过一天、一个月或一年的循环。

规律

某个天体受外天体万有引力的作用下,正对外天体和背对外天体的部位向外凸出,而与外天体垂直的部位向内凹进。一般固体形变不明显,流体形变比较明显。

影响

潮汐的存在使天体之间的相对速度减小,对彼此的自转起刹车作用。比如,月球和地球之间的潮汐使月球的自转周期等于它的公转周期,称之为潮汐锁定。

潮汐使天体被拉长,如果是黑洞等质量巨大的天体引起的潮汐,一旦潮汐力超过分子间作用力,会把周围的物体撕得粉碎。

虽然潮汐对固体形变的影响不大,但是潮汐往往成为地球上地震(星震)的诱因之一。

应用

水位的涨落形成了水的势能和动能,即潮汐能。潮汐能是一种蕴藏量大、洁净无污染的可再生能源。人们通常在潮汐能资源丰富的海湾或河口修建潮汐发电站,利用潮汐能发电。

对于以浮潜为玩乐的人士来说,涨潮时比退潮时更适合进行潜水活动。

40 洛希极限 希尔球

1、洛希极限

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洛希极限(Roche limit)是一个天体自身的重力与第二个天体造成的潮汐力相等时的距离。当两个天体的距离少于洛希极限,天体就会倾向碎散,继而成为第二个天体的环。

洛希极限常用于行星和环绕它的卫星。有些天然和人工的卫星,尽管它们在它们所环绕的星体的洛希极限内,却不至成碎片,因为它们除了引力外,还受到其他的力。木卫十六和土卫十八是其中的例子,它们和所环绕的星体的距离少于流体洛希极限。它们仍未成为碎片是因为有弹性,加上它们并非完全流体。在这个情况,在卫星表面的物件有可能被潮汐力扯离卫星,要视乎物件在卫星表面哪部分——潮汐力在两个天体中心之间的直线最强。

一些内部引力较弱的物体,例如彗星,可能在经过洛希极限内时化成碎片。苏梅克-列维9号彗星就是好例子。它在1992年经过木星时分成碎片,1994年落在木星上。

现时所知的行星环都在洛希极限之内。 洛希极限的计算方法

对于一个完全刚体、圆球形的卫星,假设其物质都是因为重力才合在一起的,且所环绕的行星亦是圆球形,并忽略其他因素如潮汐变形及自转。

其中是卫星所环绕的星体的半径,**是该星体的密度,**是卫星的密度。 对于是流体的卫星,潮汐力会拉长它,令它变得更易碎裂。

由于有黏度、摩擦力、化学键等影响,大部分卫星都不是完全流体或刚体,其洛希极限都在这两个界限之间。

如果一个刚体卫星的密度是所环绕的星体的密度两倍以上(例如一个巨大的气体行星跟刚体卫星;对于流体卫星来说,则要约14.2倍以上),洛希极限会在所环绕的星体之内,即是说这个卫星永远都不会因为所环绕的星体的引力而碎裂。

公式的导出

洛希极限的例子

以太阳系内的星体为例:

天体 平均密度 (kg/m3

)

赤道半径 (m)

太阳 1,400 695,000,000 木星 1,330 71,500,000 地球 5,515 6,376,500 月球

3,340

1,737,400

彗星的平均密度是500公斤/米3

使用以上数据,计算流体及刚体洛希极限。R表示它们和真正的洛希极限之比。

- 卫星 刚体洛希极限 流体洛希极限

距离 (米)

R 距离 (米) R

地球

月球 9,495,665 1.49 18,261,459 2.86 彗星 17,883,432 2.80 34,392,279 5.39 地球 554,441,389 0.80 1,066,266,402 1.53 太阳

木星 890,745,427 1.28 1,713,024,931 2.46 月球 655,322,872 0.94 1,260,275,253 1.81 彗星

1,234,186,562 1.78

2,373,509,071 3.42

太阳系的行星和其卫星之间的真实洛希极限和计算洛希极限如下表所示:- 卫星 轨道半径 : 洛希极限 刚体 流体 太阳 水星 104:1 54:1 地球 月球 41:1

21:1

火星

火卫一 172% 89% 火卫二 451% 233% 木卫十六

186% 93% 木星

木卫十五 220% 110% 木卫五 228% 114% 木卫十四 260% 129% 土卫十八 174% 85% 土卫十五

182% 89% 土星

土卫十六 185% 90% 土卫十七 185% 90% 土卫十一 198% 97% 天卫六

155% 79% 天王星 天卫七

167% 86% 天卫八

184%

94%

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天卫九 192% 99% 海卫三 140% 72% 海卫四

149% 77% 海王星 海卫五

153% 78% 海卫六 184% 95% 海卫七

220%

113%

2、希尔球

希尔球,粗略的说,是环绕在天体(像是行星)周围的体积,那里被它吸引的天体(像是卫星)受到它的控制,而不是被它绕行的较大天体(像是恒星)所控制。因此,行星能保留住卫星,而卫星的轨道必须在行星的希尔球内。同样的,月球也会有它的希尔球,任何位于月球的希尔球内的天体将会成为月球的卫星,而不是地球的卫星。

更精确的说,希尔球接近于一个小天体在面对着一个大许多的天体的重力影响下,只会受到摄动影响的引力球范围。这是美国天文学家乔治2威廉2希尔以法国天文学家爱德华2洛希的工作为基础所定义的,由于这个缘故,它有时也被称为洛希球。

为了说明,考虑木星环绕着太阳的具体事例,对太空中任何的点,可以计算下面三种力的总和:

?来自太阳的引力 ?来自木星的引力

?在有着与木星相同频率的点上,绕着太阳运转的微粒所受到的离心力

木星的希尔球是以木星为中心,这三种力量的总和永远都指向木星的最大的球。以一般的用语来说,它是围绕在绕着主要天体的次要天体周围的球形,在这个球形内的净力是一个指向次要天体的向心力。因此,希尔球在我们的例子中是描述一颗小的天体,像是卫星或人造卫星可以在木星附近稳定的绕着木星运转,而不会单纯的进入椭圆轨道绕着太阳运转的最大极限范围。

在两个天体的连线方向上,希尔球的边界在拉格朗日点的L1和L2,这也是次要天体的影响力最短的方向,并且以此做为希尔球大小的限制因素。超越了这个距离,第三个天体环绕着次要天体(此处以木星为例)的轨道就至少会有一部分逸出了希尔球,并且将会受到主要天体(此例中为太阳)渐增的潮汐力摄动,最后终将绕着后者运转。

虽然都是与洛希有关的术语,但洛希球绝不能和洛希极限或是洛希瓣混淆在一起。洛希极限是仅由重力维系的物体受到潮汐力作用开始被破坏的距离;洛希瓣描述的是一个环绕在两个天体周围的轨道,会造成这两个天体竞逐捕获这个天体的距离界限。

公式和例子

如果较小的天体(例如地球)质量是m,被它环绕的较重的天体(例如太阳)质量是M,轨道半长轴是a,离心率是e,则较小天体(例如地球)的希尔球半径r的近似值为:

当离心率可以忽略时(最有利于稳定轨道的论点),公式可以简化为:

在地球的例子中,地球质量为5.9731024

公斤,以1.496亿公里的距离环绕着质量

1.9931030

公斤的太阳,希尔球的半径大约是150万公里(0.01天文单位)。月球绕地球的轨道平均距离为38万4,000公里,很安稳的在地球引力的势力范围内,没有被扯入独立绕行太阳轨道的危险或顾虑。根据轨道的周期:地球所有稳定的卫星,它的轨道周期必须短于7个月。

早先(省略调离心率)的公式可以再改以下面的形式呈现:

如此的表示法将希尔球的体积与次要天体环绕主要天体的轨道体积做了比较上的联系。具体的说,质量的比率是这两个球体积比值的三倍。

快速的估计希尔球半径的方法是将上述等式中的质量用密度来取代:

此处和分别是主要天体和次要天体的密度,并且和 是它们的半径。第二个公式在太阳系内大部分的事例中都与事实大略相符,的值都接近1(地-月系统是最大的例外,并且大多数的土星卫星都在20%之内。) 这是很方便的型式,因此许多天文学家都记住行星的半径,并以此为单位进行计算的工作。

真实稳定的区域

希尔球只是估计的大小,因为还有其它的力(像是辐射压和亚尔科夫斯基效应)也会造成摄动使它逸出到球外。第三个天体的质量也必须够小,才不致于因为自身的引力影响而使情形变得复杂。详细的数值计算显示,轨道在或正好在希尔球内的天体,在长

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远看来仍是不稳定的;看起来稳定的卫星轨道半径只在希尔球半径的1/2或1/3的范围之内(逆行轨道似乎比顺行轨道稳定)。

更多的例子

太空人不可能在地球上空300公里之处围绕着航天飞机(质量大约104公吨)运转,因为希尔球的半径只有120厘米,远比航天飞机本身还要小。事实上,任何一颗低地球

轨道卫星(高度 1,400公里),密度必须是铅的800倍以上(9102.6 g/cm3

),才可能

拥有自己的希尔球,否则它将不足以胜任支持任何的轨道。(铅的密度是11.34 g/cm3

地球质量为 5.974231024

kg。一颗球形的同步卫星将需要铅密度的5倍足以维系自己的卫星,这样的卫星密度是地球上自然产物中密度最高的元素铱的2.5倍(同步轨道的高

度是35,786 公里,铱的密度是22.65 g/cm3

)。只有在两倍于同步轨道的高度上,一颗铅球可以维系自身的卫星轨道;由于月球的轨道远大于同步轨道距离的2倍以上,因此环绕月球的轨道是存在的。

在太阳系,海王星有着最大的希尔球,半径是1亿1,600万公里,或是0.775天文单位;因为他与太阳距离的遥远,充分的补偿了它的质量低于木星的不足,木星的希尔球半径只有5,300万公里。 主带小行星中的榖神星,希尔球的半径只有22万公里。因为质量的迅速减少,有一颗卫星的1994 KW4,是接近水星的小行星,希尔球的半径为22公里。

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体。太阳的恒星光谱分类为G2V,在可见光的频谱中以黄绿色的部分最为强烈,从地球表面观看时,大气层的散射使天空成为蓝色,所以它呈现黄色。光谱分类标示中的G2表示其表面温度大约是 5778K(5505°C),V则表示太阳像其他大多数的恒星一样,是一颗主序星,它的能量来自于氢聚变成氦的核聚变反应。太阳的核心每秒钟燃烧6亿2000万公吨的氢。银河系内大部分的恒星都是红矮星,现在认为太阳比85%的恒星都要明亮。太阳的绝对星等是 +4.83,但是由于其非常靠近地球,因此从地球上看来,它是天空中最亮的天体,视星等达到?26.74。太阳高温的日冕持续的向太空中拓展,创造的太阳风延伸到100天文单位远的日球层顶。这个太阳风形成的“气泡”称为太阳圈,是太阳系中最大的连续结构。

太阳目前正在穿越银河系内部边缘猎户臂的本地泡区中的本星际云。在距离地球17光年的距离内有50颗最邻近的恒星系(最接近的一颗是红矮星,被称为比邻星,距太阳大约4.2光年),太阳的质量在这些恒星中排在第四。 太阳在距离银河中心24,000至26,000光年的距离上绕着银河公转,从银河北极鸟瞰,太阳沿顺时针轨道运行,大约2亿2500万至2亿5000万年绕行一周。由于银河系在宇宙微波背景辐射(CMB)中以550公里/秒的速度朝向长蛇座的方向运动,这两个速度合成之后,太阳相对于CMB的速度是370公里/秒,朝向巨爵座或狮子座的方向运动。

地球围绕太阳公转的轨道是椭圆形的,每年1月离太阳最近(称为近日点),7月最远(称为远日点),平均距离是1亿4960万公里(天文学上称这个距离为1天文单位)。以平均距离算,光从太阳到地球大约需要经过8分19秒。太阳光中的能量通过光合作用等方式支持着地球上所有生物的生长,也支配了地球的气候和天气。人类从史前时代就一直认为太阳对地球有巨大影响,有许多文化将太阳当成神来崇拜。 对太阳的正确科学认识进展得很慢,直到19世纪初期,杰出的科学家才对太阳的物质组成和

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能量来源有了一点认识。直至今日,人类对太阳的理解一直在不断进展中,还有大量有关太阳活动机制方面的未解之谜等待着人们来破解。

太阳的形状接近理想的球体,估计扁率只有900万分之一,这意味着极直径和赤道直径的差别不到10公里。由于太阳是由等离子体组成,并不是固体,所以他的赤道转得比极区快。这种现象称作较差自转,其原因是从太阳核心向外伸展的温度变化,引发的太阳物质的对流运动。这些物质携带着一部份从黄道北极看是逆时钟的太阳角动量,因而重新分配了角速度。实际的转动周期在赤道大约是25.6天,在极区是33.5天,但是因为地球在环绕太阳时,不断改变公转轨道的角度,使得太阳赤道自转的视运动大约是28天。这种缓慢旋转作用的离心力在赤道的效应不及太阳引力的1,800万分之一,即使是行星产生的潮汐力也因为太微弱而对太阳的形状起不了作用,但大质量的木星仍使核心偏离中心达一个太阳半径。

太阳是富金属星。太阳的形成可能是一颗或多颗邻近的超新星激震波所致。这个猜测是基于太阳系中高度的重元素含量。在太阳系中,重金属元素如金和铀的含量远高于被称为贫金属恒星高丰度。表面上看来这些元素只会由超新星产生的吸能核反应,或第二代恒星内部的核迁变而产生。

太阳没有像固态行星一样明确的界线,并且它外面的气体密度是随着中心距离的增加呈指数下降。然而太阳也有明确的结构划分。一般定义太阳的半径为从它的中心到光球边缘的距离。光球只是气体层的上层,因为太冷或太薄而辐射出大量可见光,并且因此成为肉眼最容易看见的表。

太阳的内部不能被直接观察到,对电磁辐射也是不透明的。但是,正如地球上通过研究地震波来揭露地球的内部结构,日震学中也可借由在太阳内部的压力波(人耳听不见的次声波)来测量和明确太阳内部的结构。太阳的深层内在构造也可以通过电脑建模等理论工具来研究。

太阳核心

太阳的核心是指距离太阳的中心不超过太阳半径的五分之一或四分之一的区域,核心内部的物质密度高达150 克/立方厘米,大约是水密度的150倍,温度接近1,360万K。相较之下,太阳表面的温度大约只有5,800K。根据太阳和太阳风层探测器任务最近的资料分析,太阳核心的自转速率比辐射带等其它区域要快。太阳形成后的大部分的时间里,核聚变的能量是经过一系列被称为质子-质子链反应的过程产生的;这个过程将氢变成氦 ,只有少于2%的氦是经由碳氮氧循环产生的。

核心是太阳内唯一能经由核聚变产生大量热能的区域,99%的能量产生在太阳半径的24%以内,而在30%半径处,聚变反应几乎完全停止。太阳的外层只是被从核心传出的能量加热。在核心经由核聚变产生的能量首先需穿过由内到外接连的多层区域,才能到达光球层,然后化为光波或粒子的动能,散逸到外层的宇宙空间去。 太阳核心每秒大约进行着9.231037

次质子-质子链反应。这个反应是将4个自由的

质子(氢原子核)融合成氦原子核(α粒子),每秒大约有3.731038

个质子成为α粒

子(太阳拥有的自由质子大约有8.931056个),相当于大约每秒6.231011千克[39]

。每次氢原子核聚合成氦时,大约会有0.7%的质量转化成能量。因此,太阳的质能转换速率为每秒钟426万吨(质量转变为辐射能的形式离开,参考质能等效性),释放出384.6

佑瓦特(3.84631026 W)的能量,这相当于每秒钟产生919.231010

万吨TNT炸药爆炸的能量。

太阳核心的核聚变功率随着与太阳中心的距离增大而减小,理论模型估计,在太阳的中心,核聚变的功率密度大约是76.5 瓦/每立方米。相较于氢弹的能量产生密度,这只相当于爬虫类的新陈代谢率,太阳的巨大功率输出不是由于其能量输出密度高,而是因为它规模巨大。

太阳核心的核聚变是在自我修正下达到平衡:速率只要略微提升,就会造成核心的温度上升,压强增大,更能抵抗外围物质的压力,因此核心会膨胀,从而降低核聚变速率,修正之前核聚变速率增加所造成的扰动;而如果反应速率稍微下降,就会导致温度略微下降,压强降低,从而核心会收缩,使核聚变的速率又再提高,回复到它之前的水平。

核聚变产生的γ射线(高能量的光子流)从太阳核心释放出来后,只要经过几微米就会被太阳中的等离子体吸收,然后再以较低的能量随机地辐射向各个方向。因此,在不断反复的吸收和再辐射中,光子流要经过漫长的时间才能到达太阳表面。估计每个光子抵达太阳表面需要10,000年至170,000年的时间。

在穿过对流带,进入透明的光球表面时,光子就以可见光的型态散逸。每一股γ射线在核心产生的在逃逸入太空之前,都已经转化成数百万个可见光频率的光子。核心的核聚变时也释放出中微子,但是与光子不同的是它很难与其它的物质相互作用,因此几乎是立刻就从太阳表面逃逸出去。多年来,测量到来自太阳的中微子数量都只有理论数值的三分之一,因而产生了太阳中微子问题。这个差异直到2001年发现中微子振荡才

获得解决:太阳发出的中微子数量一如理论的预测,但是中微子探测器侦测到的少了2

?3,这是因为在被侦测时中微子改变了它们的味。

辐射带

从大约0.25至0.7太阳半径处,太阳物质是热且稠密的,只以热辐射就将核心的炙热充分的向外转移。在这个区域内没有热对流;同时随着与中心距离的增加,温度也从7,000,000K降至2,000,000K,这种温度梯度小于绝热下降率,因此不会造成对流。能量的传输依赖辐射——氢和氦的离子发射的光子,但每个光子被其它的离子再吸收之前,只能传递很短的距离。从辐射带的底部至顶端的密度下降达到百倍(从20公克/立方厘米降至只有0.2公克/立方厘米)。

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辐射带和对流带之间形成的一个过渡层叫差旋层(tachocline)。它是均匀旋转的辐射带和较差自转的对流带之间有着急遽转变工作状态的区域,结果造成巨大的切变——当接连的平面层滑过另一个时的条件。在上面的对流带发现的流体运动,从这一层的顶端至底部慢慢的消失,与辐射带顶段平静的特征相匹配。目前这还是一个假说(参见太阳发电机),在这一层内的磁发电机产生太阳的磁场。

对流带

太阳的外层,从它的表面向下至大约200,000公里(或是70%的太阳半径),太阳的等离子体已经不够稠密或不够热,不再能经由传导作用有效的将内部的热向外传送;换言之,它已经不够透明了。结果是,当热柱携带热物质前往表面(光球),产生了热对流。一旦这些物质在表面变冷,它会向下切入对流带的底部,再从辐射带的顶部获得更多的热量。在可见的太阳表面,温度已经降至5,700K,而且密度也只有0.2公克/立方厘米(大约是海平面密度的六千分之一)。

在对流带的热柱形成在太阳表面上非常重要的,像是米粒组织和超米粒组织。在对流带的湍流会在太阳内部的外围部分造成"小尺度"的发电机,这会在太阳表面的各处产生磁南极和磁北极。太阳的热柱是贝纳得穴流,因此往往像六角型的棱镜。

光球

太阳的有效温度或黑体温度(5777K)是一个相同大小的黑体,在产生完全辐射的功率时所对应的温度。

太阳可见的表面,光球,在这一层下面的太阳对可见光是不透明 ,在光球之上可见光可以自由的传播到太空之中,而它的能量可以完全从太阳带走。透明度的变化是因

为会吸收可见光的 H?

离子数量减少。相反的,我们看见的可见光是电子与氢再作用产

生H?

离子时产生的。 光球的厚度只有数十至数百公里的厚度,只是略比地球的空气不透明了些。因为光球上半部分的温度比下半部的低,因此太阳盘面的影像会呈现中央比周围的边缘或周边明亮的现像,这一种现象称为周边昏暗。阳光有着近似于黑体的光谱,穿插着数千条来自光球之上稀薄的原子吸收线,指示其温度大约是6,000K。光球的粒

子密度大约是1023米?3

(大约是地球大气层在海平面粒子密度的0.37%,但是光球中的粒子是电子和质子,所以空气的平均质量只是58倍)。

在研究光球可见光谱的早期,发现有些吸收谱线不能符合地球上任何已知的化学元素。在1868年,诺曼2洛克假设这些吸收谱线是一种新元素造成的,他以希腊的太阳神为依据,将之命名为氦,而在25年之后才在地球上分离出氦元素。

大气层

日全食,于短暂的全食阶段可以用肉眼看见太阳的日冕。

太阳光球以上的部分统称为太阳大气层,跨过整个电磁频谱,从无线电、可见光到伽马射线,都可以观察它们,分为5个主要的部分:温度极小区、色球、过渡区、日冕、 和太阳圈。太阳圈,可能是太阳大气层最稀薄的外缘,并且延伸到冥王星轨道之外与星际物质交界,交界处称为日鞘,并且在那儿形成剪切的激波前缘。色球、过渡区、和日冕的温度都比太阳表面高,原因还没有获得证实,但证据指向阿尔文波可能携带了足够的能量将日冕加热。

温度极小区

太阳上温度最低的地区称为温度极小区,大约在光球上方500公里,温度大约是4,100K。这一部分的温度低到可以维持简单的分子,像是一氧化碳和水,并且可以从检出它们的吸收谱线。

色球

在温度极小区之上是一层大约2,000 公里厚,主导著谱线的吸收和发射。因为在日全食的开始和结束时可以看见彩色的闪光,因此称为色球,名字来自希腊的字根chroma,意思就是颜色。色球层的温度随着高度从底部逐步向上提升,接近顶端的温度大约在20,000K 。在色球的上层部分,氦开始被部分的电离 。

过渡区

这张影像是使用日出卫星的光学望远镜在2007年1月12日拍摄的,显示出因为磁场极性的不同自然的等离子体连接成纤维的区域。

在色球之上,是一层薄至大约只有200公里的过渡区,温度从色球顶端大约

200,000K上升至接阶近1,000,000K的日冕温度。温度的上升使氦在过渡区很容易就被完全的电离,这可以大量减少等离子体的辐射冷却。过渡区没有明确的出现高度,它形成一种环绕着色球的光轮,外型很像针状体和暗条,并处于持续不断的浑沌运动。从地球表面很难看到过渡区,但在太空中使用对电磁频谱的超紫外线灵敏的仪气很容易观察到。

日冕

日冕是太阳向外扩展的大气层,它的体积比太阳本身大了许多。不断扩展的日冕在太空中形成太阳风,充满了整个的太阳系。日冕的低层非常靠近太阳的表面,粒子的密

度环绕在 1015–1016米?3

,日冕和太阳风的平均温度大约是1,000,000–2,000,000 K;而在最高温度的区域是8,000,000–20,000,000 K。日冕的温度虽然很高,但密度很低,因此所含的热量很少。虽然还没有完整的理论可以说明日冕的温度,但至少已经知道有一部分热是来自磁重联。

太阳圈

太阳圈,从大约20太阳半径(0.1天文单位)到太阳系的边缘,这一大片环绕着太阳的空间充满了伴随太阳风离开太阳的等离子体。他的内侧边界是太阳风成为超阿耳芬波的那层位置-流体的速度超过阿耳芬波。因为讯息只能以阿耳芬波的速度传递,所以在这个界限之外的湍流和动力学的力量不再能影响到内部的日冕形状。太阳风源源不

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断的进入太阳圈之中并向外吹拂,使得太阳的磁场形成螺旋的形状,直到在距离太阳超过50天文单位之外撞击到日鞘为止。在2004年12月,航海家1号已穿越过被认为是日鞘部分的激波前缘。两艘航海家太空船在穿越边界时都侦测与记录到能量超过一般微粒的高能粒子。

磁场

太阳圈电流片延伸到太阳系外,结果是来自太阳的旋转磁场影响到星际物质中的等离子体。

太阳是磁力活跃的恒星,它支撑一个强大、年复一年在变化的磁场,并且大约每

11年环绕着太阳极大期反转它的方向]

。太阳磁场会导致很多影响,称为太阳活动,包括在太阳表面的太阳黑子、太阳耀斑、和携带着物质穿越太阳系且不断变化的太阳风。太阳活动对地球的影响包括在高纬度的极光,和扰乱无线电通讯和电力。太阳活动被认为在太阳系的形成和演化扮演了很重要的角色。

太阳因为高温的缘故,所有的物质都是气体和等离子体,这使得太阳的转速可能在赤道(大约25天)较快,而不是高纬度(在两极约为35天)。太阳因纬度不同的较差自转造成它的磁场线随着时间而纠缠在一起,造成磁场圈,从太阳表面喷发出来,并触发太阳形成系距性的太阳黑子和日珥 (参见磁重联)。随着太阳每11年反转它本身的磁场,这种纠缠创造了太阳发电机和11年的太阳磁场活动太阳周期。

太阳磁场出了太阳本身,磁化的太阳风等离子体携带着太阳的磁场进入太空,形成所谓的行星际磁场。由于等离子体只能沿着磁场线移动,离开太阳的行星际磁场起初是沿着径向伸展的。因位在太阳赤道上方和下方离开太阳的磁场具有不同的极性,因此在太阳的赤道平面存在着一层薄薄的电流层,称为太阳圈电流片 。太阳的自转使得远距离的磁场和电流片旋转成像是阿基米德螺旋结构,称为派克螺旋。行星际磁场的强度远比太阳的偶极性磁场强大。太阳50-400μT的磁偶极 (在光球) 随着距离的三次方衰减,在地球的距离上只有0.1 nT。然而,依据太空船的观测,在地球附近的行星际磁场视这个数值的100倍,大约是5nT。

化学构造

组成太阳的化学元素主要是氢和氦,以质量计算它们在太阳光球中分别占74.9%和23.8%。所有的重元素,在天文学中称为金属,只占不到总质量的2%,含量最丰富的是氧(大约占太阳质量的1%)、碳(0.3%)、氖 (0.2%)、和铁(0.2%)。

太阳继承了形成它的星际物质中的化学成分:在太阳中的氢和氦来自太初核合成,金属是由前一代恒星经由恒星核合成产生的,并在太阳诞生之前完成恒星演化将产物返回星际介质中的。光球的化学成分通常被认为是与原始太阳系的组成相当。然而,自从太阳形成,氦和重元素已经迁移出光球,因此现在光球中只有微量的氦,并且重元素也只有原始太阳的84%,而原恒星的太阳71.1%是氢,27.4%是氦,1.5%是金属。 在太阳内部的部分,核聚变将氢转化成氦已经修改了组成,所以太阳的最内层大约有60% 是氦,金属的丰度则没有改变。因为内部是辐射带,没有对流 (参见之前的结构),没有核聚变的产物从核心上升进入光球。

前面所述的太阳重元素丰度通常都是使用分光术测量太阳表面的光球,和测量陨石中没有被加热温度熔化的丰度。这些陨石被认为保留了恒星太阳的组成,因此没有受到重元素的污染。这两种方法的结果是一致的。

太阳和行星的质量分化的关系

许多的作者都曾考虑过惰性气体和同位素在太阳和行星之间的组成存在的质量分化,例如行星的氖和氙与同位素在行星和太阳之间的相关性。然而,至少在1983年,仍然普遍的认为整个太阳的成分如同大气层的组成。

在1983年,才宣称太阳本身的分化是造成行星和太阳风植入惰性气体之间的分化关系。

太阳周期

太阳黑子和太阳黑子周期

在过去30年测量的太阳周期变化。

当使用适当的过滤观察太阳时,通常最能立刻看见的特征就是太阳黑子,因为那是温度较低而明确出现比周围黑暗的区域。太阳黑子是强磁场的区域,对流受到强量磁场的抑制,减少了从高热的内部传送到表面的能量。磁场造成大量的热进入日冕,形成的活动区是激烈的太阳耀斑和日冕物质抛射的来源。最大的太阳黑子有数万公里的直径。在太阳上可以看见的太阳黑子数量并不是固定的,它以11的周期变化,形成所知的太阳周期。当太阳黑子周其进展时,太阳黑子的数量会增加,并且初系的位置也逐渐接近太阳的赤道,史波勒定律就是描述这种现象。太阳黑子通常都以磁性相异的形式成对出现,每一个太阳周期的前导黑子磁性会交替的改变,所以当一个太阳周期是磁北极前导,下一个太阳周期就是磁南极前导。

在过去大约250年观测的太阳黑子数量,显示出大约11年的太阳周期。

因为太阳的光度与磁场活动有直接的关系,太阳周期不仅对太空天气有很大的影响,对地球的气候也有重大的影响。太阳活动极小往往和低温连系再一起,而超过平均长度的周期则与高温相关联。在17世纪,太阳周期似乎完全停止了数十年,在这段期间只观测到少数几个太阳黑子。那个时代称为蒙德极小期或小冰期,欧洲经历了很冷的温度。分析树木的年轮发现更早的一些极小期,并且也显现出与全球的温度低于平均温度的期间相符合。

可能的长周期

最近有理论宣称在太阳合新的磁性不稳定导致周期为41,000年或100,000年的变异。这可以对冰河期和米兰科维奇循环提供更好的解释。

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生命周期

太阳是在大约45.7亿年前在一个坍缩的氢分子云内形成。太阳形成的时间以两种方法测量:太阳目前在主序带上的年龄,使用恒星演化和太初核合成的电脑模型确认,大约就是45.7亿年。这与放射性定年法得到的太阳最古老的物质是45.67亿年非常的吻合。 太阳在其主序的演化阶段已经到了中年期,在这个阶段的核聚变是在核心将氢聚变成氦。每秒中有超过400万吨的物质在太阳的核心转化成能量,产生中微子和太阳辐射。以这个速率,到目前止太阳大约转化了100个地球质量的物质成为能量,太阳在主序带上耗费的时间总共大约为100亿年。

太阳没有足够的质量爆发成为超新星,替代的是,在约50亿年后它将进入红巨星的阶段,氦核心为抵抗重力而收缩,同时变热;紧挨核心的氢包层因温度上升而加速聚变,结果产生的热量持续增加,传导到外层,使其向外膨胀。当核心的温度达到1亿K时,氦聚变将开始进行并燃烧生成碳。由于此时的氦核心已经相当于一个小型“白矮星”(电子简并态),热失控的氦聚变将导致氦闪,释放的巨大能量使太阳核心大幅度膨胀,解除了电子简并态,然后核心剩余的氦进行稳定的聚变。从外部看,太阳将如新星般突然增亮5~10个星等(相比于此前的“红巨星”阶段),接着体积大幅度缩小,变得比原先的红巨星暗淡得多(但仍将比现在的太阳亮),直到核心的碳逐步累积,再次进入核心收缩、外层膨胀阶段。这就是渐近巨星分支阶段。

继红巨星阶段之后,激烈的热脉动将导致太阳外层的气体逃逸,形成行星状星云。在外层被剥离后,唯一留存下来的就是恒星炙热的核心——白矮星,并在数十亿年中逐渐冷却和黯淡。这是低质量与中质量恒星演化的典型。

阳光

阳光是地球能量的主要来源。太阳常数是在距离太阳1天文单位的位置(也就是在

或接近地球),直接暴露在阳光下的每单位面积接收到的能量,其值约相当于1,368 W/m2

(瓦每平方米)。经过大气层的吸收后,抵达地球表面的阳光已经衰减-在大气清澈且

太阳接近天顶的条件下也只有约1,000 W/m2

有许多种天然的合成过程可以利用太阳能-光合作用是植物以化学的方式从阳光中撷取能量(氧的释出和碳化合物的减少),直接加热或使用太阳电池转换成电的仪器被使用在太阳能发电的设备上,或进行其他的工作;有时也会使用集光式太阳能(也就是凝聚阳光)。储存在原油和其它化石燃料中的能量是来自遥远的过去经由光合作用转换的太阳能。

在银河系中的位置和运动

太阳位于银河系内侧边缘的猎户臂,在本星际云或古尔德带,距离银河中心

7,500-8,500秒差距(25,000-28,000光年)的假设距离,包含在太空中的一个稀薄高温气体,可能是由一颗超新星残骸杰敏卡γ射线源的本地泡。本地臂和外侧的下一个旋

臂,英仙臂,的距离大约是6,500光年。太阳,和进而的太阳系,被发现是在科学家所

谓的星系适居带。 太阳奔赴点的方向,或是太阳向点,是太阳相对于邻近恒星,穿越银河系空间的运动方向。太阳在银河系中的运动方向大约是朝向天琴座的织女星,与银河中心在天空中分离的角度大约是60度。

太阳绕银河的轨道大致上是如预期椭圆形,但还要加上受到银河系的旋臂和质量分布不均匀的扰动。此外,太阳相对于银河平面上下的摆动大约是每一周期2.7次;这非常像是一种没有受到阻尼的简谐振荡。有人提出太阳经过高密度螺旋臂的时间与地球上大灭绝的时刻屡屡不谋而合,或许是因为碰撞事件增加了。它大约花2亿2500万至2亿5000万年完整的绕行银河一周(一个银河年),所以在太阳过去的生命期中大概已经完整的绕行银河20至25次了。太阳相对于银河中心的轨道速度大约是250公里/秒。以这样的速度,太阳系大约1,190年可以旅行一光年的距离,或是7天移动1天文单位。

太阳相对于太阳系质心的运动受到来自行星的摄动是复杂的。每隔数百年变换一次顺行和逆行。

理论上的问题 太阳中微子问题

多年以来从地球上检测到的太阳电子中微子数量只有标准模型预测的1?1

3到?2,这种异常的结果被称为太阳中微子问题。要解决这个问题,理论上曾试图降低太阳内部的温度,以解释为中子流量的减少,或是提出电子中微子可以振荡-也就是,在他们从太阳到地球的旅途中间转变成为无法侦测到的τ中微子和μ中微子 。在1980年代建造了一些中微子观测台,包括萨德伯里中微子天文台和神冈探测器,并尽可能的准确的测量中微子通量从这些观测的结果最终导致发现中微子有很小的静止质量和确实会振荡。此外,萨德伯里中微子天文台在2001年有能力直接检测出所有的三种中微子,并且发现太阳的总中微子辐射量与标准模型符合,而依据的依然只是从地球上看到,只占总数三分之一的电子中微子的能量。这个比例是由米希耶夫-斯米尔诺夫-沃夫安史坦效应(也称为物值效应)预测的,它描述中微子在物质间的振荡,而现在被重视成为这个问题的解答。

日冕高温问题

已知可见光的太阳表面(光球)只有大约6,000K的温度,但是在其上的日冕温度却升高至1,000,000-2,000,000K。日冕的高温显示它除了直接从光球传导的热之外,还有其他的热能来源。

人们认为加热日冕的能量来自光球下方对流带的湍流,并且提出两个加热日冕的主要机制。第一个是波加热,来自于声音、重力或磁流体坡在对流带产生湍流,这些波向上旅行并且在日冕中消散,将它们的能量以热的形式储存在包围在四周的气体内。另一

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种是磁化热,在光球的运动中磁能不断的被建立,并且经由磁重联的形式释放能量,规模较大的是耀斑还有无数规模较小但相似的事件-毫微耀斑(Nanoflares)。

目前,还不清楚波是否有效的加热机制,但除了阿耳芬波之外,已经发现其它的波在抵达日冕前都已经被驱散或折射。另一方面,阿耳芬波在日冕中不容易消散,因此目前的研究已经聚焦和转移到耀斑的加热机制。

年轻太阳黯淡问题

理论模型认为太阳在38至25亿年前的代古代时期时,亮度只有现在的75%。这样微弱的恒星不足以使地球表面的水维持液态,因此生命应该还没有发展出来。然而,在地质上的纪录表明当时的地球在其历史上有相当稳定的温度,并且年轻的地球和现在一样的温暖。科学家们的共识是年轻的地球大气包含的温室气体(像是二氧化碳、甲烷和/或氨)的量比现在要多,而被困住的热量足以弥补抵达地球太阳能的不足。

现在的异常

太阳目前有一些行为出现了异常:

?这是一次非比寻常的极小期,自2008年5月起,有比以往长的一段时间,太阳表面一尘不染,看不见任何一颗黑子的出现。

?它比平常暗了一些;与上一次的极小期比较,在可见光波长的输出少了0.02%,在远紫外线波长上少了6%。

?在过去的20年,太阳风的速度下降了3%,温度下降13%,密度也减少了20% 。 ?与22年前的极小期比较,它的磁场强度只有当时的一半,结果是造成充满整个太阳系的太阳圈收缩,因此撞击到地球和它的大气层的宇宙射线的程度增加。

太阳太空任务

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