太阳和太阳系……学时3第153周

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1、 太阳和太阳系 . 学时 3第 1.5-3周1.太阳系2.太阳风与地球磁层3.太阳活动区物理4.太阳内部能源和中微子之迷1.太阳系组成:太阳, 行星, 彗星, 太阳风物理问题:太阳内部能量来源;日地关系( 太阳风, 地球磁层)年龄：太阳50 亿年前形成，地球太阳系： 46-50 亿年前形成46 亿年前形成行星（ Planets） 在椭圆轨道上环绕太阳运行的，近似球形的天体，一般不发光。（1）分类9 大行星 ：水星、金星、地球、火星、（小行星）、木星、土星、天王星、海王星、冥王星分类：地内行星，地外行星；类地行星，类木行星地内行星 ：水星、金星地外行星 ：火星、（小行星）、木星、土星、天王星、海

2、王星、冥王星类地行星： 水星、金星、地球、火星相似：内部结构类木行星 ：木星、土星、天王星、海王星相似：木星、土星和天王星都具有液态分之氢的海洋，都有浓密的、以氢为主的大气，体积很大，密度接近于1。海王星也有浓密的、以氢氦为主的大气。(2 ) 行星运动的特点a)、公转公转 - 行星绕太阳的运动称公转。公转的 共同特性 ：近圆性、同向性、共面性。公转轨道都是扁心率不大的椭圆；从黄北极看，都是逆时针方向运行（顺行）；轨道几乎在同一平面上（与地球轨道面的交角：冥王星17.1，水星7，金星 3.4，其余都小于2.5）。b)、自转：大多数正向旋转(与公转方向相同): 地球 23 27 , 火星 23 5

3、9金星反方向 (177 )旋转 , 金星上看太阳: 西升东落天王星躺在公转轨道平面上侧向旋转(97 55 )c)、环：木星的环: 6500km 宽 , 30km 厚 , 厚度 /宽度 =0.46%土星的环 : 60000km 宽 , 几 km 厚 , 厚度与宽度的比值比木星的环小一个数量级木星土星天王星d)、卫星 -除水星、金星外其余都有卫星。除水、金星外都有，1-23 个不等：地1，火2，木18，土 23，天王15，海王 10，冥 1木卫 1 有活火山活动 ; 土卫 6 是唯一有大气的卫星木星、土星流体球！流星雨：慧星受各种影响分裂瓦解留下的碎渣在大气中发热产生光的现象。(3) 物理参数土星

4、与木星结构相似液体球 , 上面是液态分之氢, 下面是金属氢.稠密大气（类似太阳79%的 H 2， 20% 的 He，此外还有甲烷，氨等）高速气自转：转向速度150m/s局部风暴或气旋：大红斑2.1 104km 1.1 104km辐射能 =接收轴射能 2，有某种能源磁场：比地球磁场强10 倍67有很大的磁层：7 8 10 km 10 km一般认为是伽利略(Galileo) 用望远镜发现的。考证发现：唐开元占经 ，引战国时（公元首 475前 221）天文学家甘德的话： “ 若有小赤星附其侧，是谓同盟 ” , 比伽利略早 2000 年。 1981.3 月组织青少年观测，证明肉眼可见。木卫一上发现水分

5、子：由NASA 机载天文台的红外光谱仪测得（1993）。MercuryVenusEarthMarsJupiterSaturnUranusNeptunePlutoM（质半 径R赤道R极重力加速量，地（ 地卫T（K）大气度（地球为扁率 =球 为球 为R赤道星1）1）1）水0.0550.3830.00.37星600*CO2 占 97%金（火山活动的0.8157500.94结果）氮 2%,0.00.88星地球气压的 90倍,很浓密地1.003001.00生物活动结果0.003411.0球氮 78%,氧 21%火CO295%（火山0.1072300.532活动的结果，0.00920.38星稀薄）木317

6、.912811.20H2,0.065182.64星90%,He10%土95.171059.41H2, 94%,He6%0.108231.15星天H2,80%,He王14.54704.060.0303151.1720%星海H2,王17.24573.8885%,He13%, 甲0.0259101.18星烷 2%冥王500.212甲烷 100%?10.050.0026星2. 太阳风与地球磁层1 太阳风（ 1）太阳风 ：太阳发出的高速粒子、等离子体流。由 Parker, E.N 首先预言。 1962 年水手 2 号卫星首先观测到。反映出粒子径向向外流动与太阳自转的共同作用的影响。通常为300 400k

7、m/s，高速太阳风可达： 700 800km/s。太阳赤道与黄道的交角为7o15。（ 2）、M 区与 冕洞（ Coronal Hole ）较强磁扰动会产生磁爆与磁爆相伴有极光出现；短波无体电通讯中断。 19 世纪已发现：磁爆有 27 天周期，与太阳活动有关。太阳上有一些特定区产生高速粒子流，会影响地球。60 多年前人们就开始找太阳上的这些神秘区（ mystery region + magnetic storm ），称之为太阳上“ M ”区。 从太阳风的等离子和高速粒子流对磁爆的影响，顺藤摸瓜发现“M ”区来源于太阳上的“ 冕洞”。日冕的密度： 106 109 质子 / cm3冕洞的密度：为上述

8、值的10 分之一到二分之一。极区洞，位于两极常年都有面积不变；南极大，北极小孤立洞，位于低纬，面极较小延伸洞，由南向北延伸，由南极向北纬延伸到北纬20左右，反之赤然与极区洞相接，面积大。特点：极区洞面积 =const.寿命 56 太阳自转周，甚至达到一年，稳定！对太阳表面不动，随太阳作刚性施转;仅存在于单极磁性，不与磁中性线相交;冕洞是高速太阳风的风源，太阳风粒子速度能到700km/s，机制不明。2、地球磁层（1）早期猜测地球磁起源说(Geomagnetic field) 1600 年，吉尔贝特提出：地球是个大磁体； Keper.J.提出：地球、太阳都是大磁体；二十世纪初人们认为：地球有真空偶

9、极场能延伸到遥远空间； 1931 年， C.普曼提出：太阳蒸发的等离子体与地磁相互作用形成空腔，地磁限制在这个空腔内。慧星 Comet慧尾部背向太阳，可能预示着太阳辐射及粒子流的作用。真正的开拓是人类离开地球进行的空间观测 。（ 2）地球磁层与辐射带地球磁层地球磁层 被太阳风包围的像慧星状的地球磁场区域称之为地球磁层（Earth smagnetosphere）。辐射带： 1958 年是国际地球物理年，利用卫星（ExploreI, III ）的 空间 观测发现了地球的辐射带，取名为范爱仑带（ Van Allen Belts ），它是以发现者 James A. Van Allen 的名字命名的。内

10、带：在 1 2 个地球远的范围内，磁纬40之间，含50 Mev 的质子和30 Mev的电子。外带： 在 34 个地球远的范围内，磁纬50到60之间，粒子数少，能量比内带的小。带内粒子多，带外粒子渐渐减少。3.太阳活动区物理太阳活动区物理是太阳研究中最为活跃的一个领域，它与地球上一系列现象磁爆、极光、电离层骚动、短波通讯、气象及宇航有关。其中最具有代表性特征的是 太阳黑子（Sunspots ）。黑子多时，活动强，伴随一系列其它现象：如耀斑 (Solar Flare) 。1太阳黑子和黑子活动周期太阳黑子：光球上出现的黑暗斑点，太阳活动的基本标志。太阳表面（光球）的温度是：5770K;太阳黑子温度是

11、：4500K黑子分布在 45内多数在 15到20的范围内，纬度在8内的很少。黑子周开始，黑子出现在于太阳表面上30的纬度附近。黑子周结束，黑子在赤道附近消失。太阳活动周黑子活动周期为 11 年；考虑黑子磁极性后实际周期为 22 年！前一周尚未消失，后一周又在高纬出现。黑子磁极性：黑子磁场有极性，成对的出现* ，极性相反。在同一活动周中，如北半球前导黑子为S，所有黑子都为S；而南半球黑子前导为N 极，且所有南半球前导都为N 极，下一活动周则刚好相反：考虑黑子磁极性时黑子周期为22 年。* 一般说一个黑子群中有两个主要黑子，它们的磁极性相反。太阳普遍磁场1 2Gauss，会变化，甚至反转。黑子形成

12、太阳的自转赤道区快，极区慢(对于光球， 80处的自转周期大约为35 天，赤道处为26 天 )。这种较差转动，会使磁场缠绕，可能是黑子产生的原因。蒙得尔（ Maunder ）极小期1610 年开始用望远镜观测黑子，确定 11yr 周期。斯玻勒（法国人） 发现后为Maunder（英国人）进一步研究证实：1645 1715极光记录、东方黑子记录、树木年轮放射性年，几乎无黑子记录。此时极光记录也少。欧洲14C 含量测定都进一步证实上述极小的存在。2、太阳耀斑（Solar Flare）太阳耀斑：单色太阳表面上突然出现的迅速发展亮斑，称之为太阳耀斑。它是太阳大气（可能在光球和日冕的过渡层中）中的一种不稳定

13、现象。在102 103 sec 内放出 10301033ergs 的能量。在 1%日面上放出近太阳光度的能量。耀斑出现时几分钟内迅速增亮，20 30 分钟后消失。局部发热 T 104107 K有物质运动，冲击波，并有电磁辐射：Radio, 红外，紫外， X-ray 以及高能粒子流：-其质子流称为“太阳质子事件”，对卫星太阳能电池和宇航飞行员安全有致命危险。能引起电离层的扰动，使短波无线电通信中断。4.太阳内部能源和中微子之迷1 历史四顾问题的产生在发现“能量守恒”之后立即提出：恒星必须有能源，否则不能永久维持。 1842 年阐明能量守恒： 如果太阳的能量产生于流星向太阳表面不断坠落，不能达到太

14、阳需要的光度（ L =1033erg/s ） . 这种能源，维持不了多久。太阳缓慢收缩，维持太阳能。这也维持不了几十亿年（太阳已经维持了50 亿年，即5 109 年）。二十世纪初： 发现放射性揭示了崭新的原子核世界到二十世纪20年代核物理奠定了坚实科学基础认识到核反应的重要性。 1938 年（ H. A. Bethe1906 德裔美籍物理学家）提出：太阳能源来自氢聚变为核的热核反应，成了定量的理论恒星能源唯一机制，使他获得 1967 诺贝尔物理学奖。2 理论理论天体物学家、实测天体物学家对最具有挑战性的恒星内部结构与演化，有了共识，这个理论又为一系观测所证实。提供太阳能源的可能性核反应中产生的

15、： （ P-P 反应，太阳能源96%来自这个反应, 以反应 I 为主）反应 I：1H1 + 1H 1 2H 1 (即 2D) + e + + e2H1 + 1H 1 3H e2+3He2 + 3H e2 4He2 + 2 1 H1上述反应等效于：41H1 4He2+ 2e+ + 2 e + 2 + 26.2 Mev( 即 4.2 10-5尔格 )上述反应中： 1H 1- 质子，氢原子核。2H1-氢的同位素，氘。3H e2- 氦的同位素。即四个质子聚变为一个粒子（氦核），产生两个中微子，并放出26Mev 能量。4个 4 1H 1 的质量， m1=4.0291 原子质量单位1个 4H e2 的质量

16、， m2=4.0015 原子质量单位质量差m=0.0276 原子质量单位化成能量m c2=26 Mev即与静止质量响应能量的0.7% 被释放出来。一克氢的上述反应所产生的能量，能使 1500 吨水从 0 烧到 100 C. 太阳的质量是M =2 1033 克， 其中约 70% 是氢。 如果 50% 的氢进行了上述核反应，太阳以现在的光度辐射能量，可以维持 350 亿年。比宇宙的年龄还大，足够燃烧！ ！3 实际测量及与理论预期值之间的矛盾原理+ 37cl 17 37A18 + e -在很深的矿井中（例如1.5 km ）放入大量c2cl*测量结果大约 1.70.4个太阳中微子单位（SNU）-361

17、 SNU= 1.010个 /sec/cl原子4(例如39000升 ),测量上述反应中的理论预期值大约是7 SNU.观测与理论之间出现了尖锐的矛盾，通常称之为：“ 太阳中微子之迷”。* 太阳内部产生Neutrino 总数 /sec：38-1N=2(L /26Mev) 2 10 sec地球上测到的流量F 为：210-2-1F=N/（ 4 r） 7 10 cm S这是一个相当大的数量，相当于每人身上穿过1013 个 /sec 。-太阳上几种反应产生的中微子Neutrino sourceF1ux (cm -2s-1)116.010H+ H10Be7+e-94.5 10N1383.3 10O152.7

18、1081H+1H+e-1.5 108B85.4 105实际上地球浸泡在Nentrino海中。4、可能的解释实验和理论上的检查实验上：已排除各种可能的实验误差。理论上：物理学是否是基本粒子和核反应理论出毛病？天体物理是否太阳内部构造理论出毛病？结果发现：两者都难于接受 。一种可能的解释Fowler, W.A. 1972yr假定太阳物质有几106yr 时标的反常混合。 Nentrino 受瞬时变化支配。 当太阳内部核反应发生变化时， 中微子立刻改变， 而光子流则不同， 要经过 几 106yr 才能到达地球。 这就使看到中微子和看到的太阳表面反映出的物理表现不一样！为什么太阳内部核反应发生变化？ 少

19、量稀有同位素3He 起了重大作用（在PP 链中， 3 He 是关键组成部分） 。3He 由中心向外， 到 0.6 太阳半径处达到极大， 如果内部物质混合， 使中心的 3He 增加，从而使 PP 反应链产生的能量增加。如果上述结果成立，可以解释地球上的冰川时期上述太阳内部的反应， 可以使地球表面温度变化大约 30。 地球上的云层和大气环流减少了这种差别，但仍可达 10 15C，即地球上正经历一个冰川时代。地质证据：4过去 2 10 yr 来，地球一直处于冰川时代。10 104yr 前地球上发生过一个只有102yr 短时冰河时期，喜暖动物离开格棱兰，纽芬兰。有证据证明，我们这次冰河期同样迅速地结束

20、。冰河期南北半球同时发生；地球上每 2-3 亿年发生一次冰河期， 持续 1 105 年。如果没有冰川南方古猿就不会进化成人！地质史上出现过三次大冰期：1）震旦纪16 亿年 5.7 亿年前2）碳纪、二迭纪3.5 亿 2.8 亿年前2.8 亿 2.3 亿年前3）第四纪冰期250 万年前今天，高纬度地区多次发生冰川作用。本冰川纪初出现与现代人有关系的祖先，如中国猿人等，所以称“灵生纪”。太阳内部核反应发生变化。思考题1. 什么是行星，什么是恒星 ?区别在哪里？2. 太阳系九大行星运行特点是什么？3. 类地行星、类木行星各自的共性是什么？4. 什么是太阳风？地球磁层的结构是如何形成的？5. 太阳活动的周期性主要表现在哪里？举例说明影响日地关系的因素。6. 太阳内部能源由什么提供？太阳中微子之迷是怎么回事？7. 关于太阳系形成的主要学说是什么？