二、太阳的九大行星

图20-1

太阳系中的九大行星按离太阳由近及远的顺序,分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星,如图20-1所示。我

们就按这个顺序分别对这九颗行星作简单先容。

1. 水星

水星是太阳系中离太阳最近的行星,到太阳的平均距离为5.791´107 km,也是太阳系中运动最快的行星,平均速度为47.89 km×s-1 。它的直径为4.879´103 km,约为地球的1/3。至今尚未发现它有卫星。

从“水手10号”探测飞船发回的图片上可以看到,水星表面到处是大大小小的陨石坑,尘埃覆盖着陨石撞成的起伏山峦,几公里高的断层悬崖绵延数百公里。由于没有足够的大气来散射阳光,天空通常都是漆黑一片。从地球上观测,它只在黎明或白天出现在天空,因此对它的观测非常困难。

水星绕太阳一周需87.969个地球日,而它自转一圈为58.646个地球日。可见水星每自转3周所需的时间恰好等于它绕日公转2圈的时间,或者说,水星的1年时间,等于它的1.5天的时间。如果按从太阳升起到太阳落下为一个单位,水星上的一天是176个地球日。
   水星上是否存在水,是否存在生命,这是多年来人们十分关注的问题。1991年科学家们在水星的北极发现了一个不同寻常的亮点,这可能是在水星地表或地下的冰。由于水星的轨道比较特殊,在它的北极,太阳始终只在地平线上徘徊。在一些陨石坑内部,可能由于永远见不到阳光而使温度低至112 K以下。这样低的温度就有可能凝固从行星内部释放出来的气体,或积存从太空来的冰。
   水星的大气层中气体非常稀薄,其主要成份为氦(42 %)、汽化钠(42 %)和氧(15 %)。它的地表的平均温度为452 K,最高温度为700 K,最低温度为100 K。

2. 金星

金星到太阳的距离为1.082´108 km,直径为1.2104´104 km,体积相当于地球体积的 86 %,质量相当于地球质量的81 % 。在地球上看,金星是天空中最亮的星。金星是地球轨道以内的行星,故有时出现在早晨,称为晨星,有时出现在黄昏,称为昏星。我国古代也称它为太白或太白金星,称晨星为启明星,称昏星为长庚星。金星是自东向西自转的,这意味着在金星上,太阳是西升东落的。

虽然金星和地球在大小、质量和密度上相近,而且金星和地球几乎都是由同一星云同时形成的,但是这两颗行星有巨大的差异。金星上不存在水,并被厚厚的大气层所包围,大气的主要成份是二氧化碳,地表的大气压相当于在地球海平面上的92倍。它的云层是由硫酸微滴组成的。由于二氧化碳大气层造成的“温室效应”,使金星表面的温度高达755  K左右,比离太阳更近的水星还要热。金星表面覆盖着火山岩,也有火山口和陨石坑。从火山口喷出的熔岩流形成长长的沟渠,填满低地,形成广阔的平原。

3. 地球

大家居住的地球离太阳的距离大约是 1.49´108 km。地球与球体的差异很小,可以看作半径为6.371´103 km的球体。地球的体积为1.083´1021 m3,质量为5.967´1024 kg。在太阳系中,地球的质量是中等的,所以对自身的内部提供了适中的压力,对外界也提供了适中的引力场,以致保留住了适量的空气和水份,造就了适合生命生存的环境。

地球用 365.256天的时间绕太阳一周,同时用 23.9345小时的时间自转一圈。地球正在逐渐放慢自转速度,可能的原因是月球的潮汐引力作用。

地球的大气中氮气占78 %,氧气占21 %,其他成份占1%。地球表面的平均温度是15°C,平均大气压强为1.013  Pa。

46亿年前,地球形成于太阳星云的分化物,在这漫长的时间里,地球逐渐从一个均质的球体演变成现在的圈层结构。地球内部从外向里可分为三个圈层:地壳、地幔和地核。地壳平均厚度21.4 km,地壳的底部最高温度约为1000°C;地幔的厚度约为2891 km,温度在1200 ~ 2000°C,这里的物质多处于液体状态。地核分外核和内核,从2900 km深处向下至4980 km处是外地核,为液态,从5120 km深处一直到地心是内地核,是固态的,内地核与外地核之间的区域是过渡层。内核温度高达6000°C以上,与太阳表面温度差不多,压强约为地球表面大气压的四百万倍。

月球是地球惟一的天然卫星,它围绕地球公转,又跟着地球一起围绕太阳公转。由于月球的自转周期与它绕地球公转的周期相同,所以月球总是以同一面向着大家。月球的体积是地球的1/49,月球的质量是地球的1/81。月球表面的重力加速度只有地球表面的重力加速度的1/6。

由于太阳系内密集的行星际物体撞击,使月球表面斑痕累累,环形山密布。对月球内部月震波的测量表明,月核是半熔融状态的。

4. 火星

由于火星上的岩石、砂砾和土壤,以及大气中的尘埃都是棕红色的氧化铁,所以在地球上看,它呈红色,天空也是红色的,故常被称为“红色星球”。由于火星与地球的距离在变化,所以它的亮度也随之改变。

火星的赤道半径为3.395´103  km,是地球的53 %,体积为地球的15 %,在太阳系中居第七位。质量约为6.4´1023  kg,是地球的10.8 %。表面的重力加速度为地球的38 %。由于火星的质量比地球小,大气也比地球上的大气稀薄,大气压还不足地球大气压的1 %,所以这颗红色星球是异常冰冷和干燥的。火星大气的主要成份是二氧化碳(占95 %)和氮(占3 %)。云层的主要成份是干冰。火星表面的平均温度为250 K,最低温度为134 K。尽管如此,在太阳系中火星毕竟是与地球最相似的一颗行星。

火星的两极有白斑覆盖,这种白斑称为极冠,它的主要成分是干冰。极冠的范围和明暗随季节而变化。火星南北地貌有很大差异,南半球是布满陨石坑的古老高原,与月球相似,而北半球则主要是平原。火星上有座被称为“奥林匹斯”的火山,此火山高达27 km,要算是太阳系中最高大雄伟的火山了。

火星有两颗卫星,即火卫一和火卫二,它们离开火星的距离分别为9.378´103 km和23.459´103 km。

多年来地球人花费了巨大的财力、物力和各种高科技手段对火星进行探测,当前这种探测集中在探寻火星上水和生命的痕迹。

5. 木星

木星的体积和质量在九大行星中都是最大的。在夜空中木星的亮度仅次于金星。木星的赤道半径为7.14´104 km ,为地球的11.2倍,极半径是6.69´104 km,它的体积是地球的1400倍。木星的质量是1.9´1027  kg,是地球质量的318倍。重力加速度在赤道和在两极差别显著,赤道上为27.07 m×s-2 ,两极为23.22 m×s-2 。木星到太阳的平均距离为7.78´108 km,公转周期是4332.71个地球日,即12年;在九大行星中木星的自转速度最快,并且赤道地区略快,为9小时50分30秒,高纬地区略慢,为9小时55分,这说明木星不可能是固体球,而是一颗液态星球,其最外层是由分子状的液态氢组成的海洋。

木星是太阳系中卫星较多的一颗行星,到目前为止,已发现了它有61个卫星,其中四个(木卫一、木卫二、木卫三和木卫四)早在1610年就被伽利略发现了。1979年发现木星也有光环,但它非常昏暗,在地球上几乎看不到,它是由围绕木星环行的大大小小的石块组成的。

木星的大气层中气体非常浓厚,其中氢占82 %,氦占17 %,另外还有少量的甲烷和氨等。探测器测到木星大气中存在氨云和硫酸氢氨云,但没找到水存在的证据。木星的地心区,温度为4´104 K,压强为5´107 atm,在这种高温高压条件下,液态氢会表现出液态金属的特性。

   在木星的两极,观测到了与地球上十分相似的极光。这是木星磁场把太阳风中的带电粒子引导到木星极区而形成的。在木星的云层上端,也发现有与地球上类似的高空雷电,但要比地球上的强10倍。

6. 土星

土星到太阳的平均距离为1.429´109 km,土星的体积和质量度仅次于木星,在太阳系的九大行星中居第二位。土星的体积是地球的745倍,但它的密度只有0.70 g×cm-3 ,所以质量只是地球的95倍,在太阳系的九大行星中它的密度最低,是太阳系中惟一比水轻的行星。土星表面的重力加速度与地球表面的相近。土星有绚丽多彩的光环,是太阳系中极富神秘色彩的行星。

土星与木星相似,表面也是液态的。土星大气的成份主要是氢,此外还有甲烷和氨。由于土星表面的温度只有93 K,甲烷和氨都冻结成微小的晶体,形成云带,围绕着土星运动。在地球上观察,看到土星呈淡黄色,有平行于赤道的永久性亮暗条纹,这就是云带。

土星的光环处于土星赤道面内、围绕着土星的一系列同心圆,是由许多大小不等的碎冰块、岩石块和尘埃颗粒所组成,它们排列成一系列圆圈绕着土星旋转,内环比外环旋转得更。

到目前为止,已经发现的土星卫星有31颗,其中土卫六是太阳系中第二大卫星,它比水星和冥王星都大。它有很厚的大气层,卫星表面可能到处是液态甲烷和乙烷形成的湖泊,其化学过程类似于在地球上生命起源以前所发生的那些过程。有人认为,太阳的紫外线作用使土卫六高层大气的甲烷产生一种复杂的大分子,这些大分子沉降到星体表面,堆积成有机层。所以,土卫六上可能存在低级的生命。

7. 天王星

天王星距太阳的平均距离约为2.87´109 km 。它的赤道半径约为2.59´104 km,体积约为地球的65倍,在九大行星中仅次于木星和土星,据第三位。天王星的质量为8.74´1025 kg,仅次于木星、土星和海王星,在九大行星中,据第四位。天王星的公转周期为84.01个地球年。其自转轴几乎就处于它公转的轨道平面上,可以说,天王星是躺在其轨道面上自转的。迄今为止,已发现天王星有24颗卫星和20条光环,光环是由碎石、尘埃颗粒和冰块组成。

在天王星的大气层中,氢为83 %,氦为15 %,甲烷为2 %,还有少量的乙炔和碳氢化合物。大气层上层的甲烷吸取红光,使天王星呈现蓝绿色。大气在固定纬度处集结成云层,形成平行于纬线的鲜艳条状色带,与木星和土星上的情形类似。

8. 海王星

海王星是通过它对天王星轨道的摄动作用而发现的。这一发现被看成是行星运动理论精确性的一个范例。由于海王星距离大家遥远,光度暗淡。用望远镜观察海王星,发现它略呈蓝绿色,表明它有浓密的大气层。海王星大气的主要成份是甲烷和氢。

海王星的半径为2.47´104 km,是地球的3.88倍,体积约为地球体积的57倍;质量为地球质量的17.2倍,平均密度为1.66 g×cm-3。表面重力加速度比地球的略大,在两极为11.80 m×s-2,在赤道上约为11.00 m×s-2。海王星绕太阳运转的轨道半径为4.5´10km,公转一周要165年,自1846年发现至今,它还没有绕太阳走完一圈。而自转周期只有16小时。

目前已发现海王星有11颗卫星,早先人们在地球上只观测到了其中的两颗,即海卫一和海卫二。这两颗卫星一近一远,一大一小,绕海王星运转时一个顺行,一个逆行,运行轨道一个是圆形,一个是椭圆形。同一个行星的两颗卫星有如此悬殊的差异,在太阳系中也算得上奇特了。

9. 冥王星

冥王星是离太阳最远、而质量最小的一颗行星。冥王星到太阳的距离为5.9´109 km,这样遥远的距离,致使冥王星表面的温度低至20 K 。在冥王星上看,太阳只是一颗明亮的星。冥王星的半径约为1.2´103 km,比月球还小。冥王星的质量是地球质量的0.24 %,这不仅比水星质量小,甚至比月球质量还小。

1978年发现冥王星有一个卫星,卫星的半径为0.59´103 km ,它与冥王星半径之比是1:2,这在九大行星中卫星与行星大小之比是最大的。由于它的轨道被冥王星的引力所固定,所以它们两者始终以同一半球相对。这个卫星的表面覆盖着的冰似乎比固态的甲烷还多。
   到目前为止还没有探测器造访过冥王星,所以它至今还是一颗神秘的星球。1988年人们观测发现冥王星也有大气层,由于温度极低,大气层中的物质只能以固体或液体的形态存在。

       
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