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太陽系九大行星的軌道

太陽系中的九大行星

(編者註:小學科學課程標準《地球與宇宙》《天上的星星》)

除了太陽,構成太陽系的主要天體是圍繞太陽運行的九大行星。按照離太陽由近到遠的順序,分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。這些行星的大小和質量差異很大,但它們都比太陽小得多。

行星的分類方法有很多種:(1)以小行星帶為界,內行星稱為,外行星稱為;(2)根據行星的各種性質,可分為“類地行星”(包括水星、金星、地球和火星)和“木本行星”(包括木星、土星、天王星和海王星),冥王星除外。

(3)有人把行星分為三類。水星、金星、地球和火星仍然是“類地行星”,木星和土星是“巨行星”,天王星、海王星和冥王星屬於“遙遠行星”。類地行星靠近太陽,質量小,體積小,平均密度大,衛星少,所以是固體行星。類木行星體積大,質量大,平均密度小,衛星數量多,每個都形成自己的小天體系統,而且都有行星環,所以是氣體行星。遙遠的行星離太陽最遠,表面溫度低。它們主要由金屬礦物和冰組成。九大行星的主要參數如下表所示。

表1-1:九大行星主要參數(⊕代表地球)

行星

質量

⊕=1

赤道半徑

⊕=1

⊕=1

平均密度

(克/立方厘米)

扁率

輪換周期(天)

公轉周期

距離⊕=1的那壹天

衛星號

0.0553

0.383

0.056

5.43

0.0

58.65

88天

0.39

維納斯

0.815

0.949

0.856

5.24

0.0

243.01

225天

0.72

地球

1.00

1.000

1.000

5.32

0.0034

0.9973

365天

1.00

1

發動

0.1074

0.532

0.150

3.94

0.009

1.0260

1.88年

1.52

2

木星

317.834

11.20

1316

1.33

0.0648

0.410

11.9年

5.20

28

土星

95.159

9.41

745

0.70

0.108

0.426

29.5年

9.54

30

天王星

14.50

4.06

65.2

1.30

0.0303

0.426

84年

19.2

21

海王星

17.20

3.88

57.1

1.76

0.259

0.058

165

30.1

普路托

0.002

0.2352

0.005

1.1

6.387

248年

39.5

1

除了水星和金星,其他七大行星都有衛星。截至2003年底,太陽系已確認的衛星有91顆,其中8顆半徑大於1000 km。最大的是木衛三,半徑為2631km,其次是土衛六、木衛四、木衛壹、月亮、木衛二、海衛壹和冥衛壹。

水星是離太陽最近的行星,在中國古代被稱為“陳星”。因為離太陽很近,所以經常淹沒在太陽的光輝中。水星的化學成分和內部結構與地球相似。由於缺乏重力,大氣中的含量很少。它的表面布滿了類似月球的環形山,以及盆地、裂谷、懸崖等地形。不像地球,它的表面沒有風化。由於靠近太陽,水星繞太陽壹周只需88天,但自轉速度極慢,其“日”是其“年”的兩倍。所以水星表面晚上背對太陽的壹面極其寒冷,而白天背對太陽的壹面極其炎熱,溫差約600攝氏度!

金星在中國古代被稱為“太白星”,黎明出現時稱為“晨星”,傍晚出現時稱為“長庚星”。金星是肉眼看到的最亮的行星,最大亮度可達-4.4,比最亮的恒星亮14倍。金星的大小、質量和平均密度都接近地球,也是壹顆有大氣層的固體行星。金星表面的大氣密度更大,氣壓是地球的96倍,大氣中二氧化碳的含量占95%。由於強烈的溫室效應,地表溫度高達400度,達到熔鉛的溫度,季節和地域基本沒有區別。金星的表面完全被硫酸霧組成的厚雲覆蓋。厚厚的雲層反照率高達70%,這是金星從地球上看又白又亮的主要原因。由於大氣層的保護,金星表面不像月球和水星那樣布滿環形山,比較平坦。金星繞太陽壹周需要225個地球日,但自轉速度非常慢。所以和水星壹樣,金星的“壹天”比“壹年”長得多,自轉方向與公轉方向相反。它是太陽系中唯壹反向旋轉的大行星。

地球,也被稱為“藍色星球”,是藍色的,因為它的表面積的75%被廣闊的海洋覆蓋。地球與太陽的距離恰到好處,使液態水得以保存在其表面。在其他星球上,只有固態或氣態的水,甚至可能根本沒有水。液態水是生命現象出現的必要條件。地球是壹個不斷進化的星球。厚厚的巖石地幔包裹著含鐵的中央地核,多年來覆蓋地球表面的地殼發生了變化。構成地殼的板塊緩慢漂移、火山爆發、地震和各種形式的侵蝕不斷改變著地球的面貌。地球自轉壹周需要24小時,繞太陽公轉壹周需要365.25天。地球繞軸旋轉,軸不垂直於其軌道平面,而是傾斜約23度。季節交替的現象由此產生。

地球有壹顆天然衛星——月球。它的直徑略大於地球直徑的1/4,和冥王星差不多大!月球上沒有大氣,沒有液態水,沒有活躍的火山活動,只有深色的玄武巖和環形山,是壹片不毛之地。

火星之所以呈現明顯的紅色,是因為其表面覆蓋著塵埃和巖石,而塵埃主要由紅色矽酸鹽和赤鐵礦等氧化物組成,中國古代稱之為“熒光”。火星的壹些特征與地球非常相似。自轉周期和赤道面與軌道面的夾角與地球相似,所以晝夜長短和季節變化大致相同,但每個季節大約和地球上的兩個季節壹樣長。火星上大氣稀薄,氣壓只有500-750帕。大氣的主要成分是二氧化碳,其次是氦、氬、壹氧化碳等少量氣體,水蒸氣含量很少,所以火星表面非常幹燥。火星單位面積接收的太陽輻射只有地球表面的43%,因此其表面平均溫度比地球低30℃左右。由於大氣稀薄幹燥,地表溫度晝夜變化大,經常發生沙塵暴。大型沙塵暴可以持續幾個月,幾乎覆蓋整個地球。火星上還有隕石坑和大峽谷,其中直徑600公裏、高26公裏的奧林匹斯山是太陽系中最雄偉的山峰。從火星探測器發回的照片中,我們可以看到火星表面有很多樹枝狀的地貌。人們認為這些是水侵蝕的痕跡,表明火星上曾經有大量的水。近年來的探測表明,火星有大量地下滲水,這對生命非常重要,使得火星有可能成為繼月球之後人類造訪的第二個天體。

火星有兩顆衛星——火衛壹和火衛二。這兩顆衛星非常小(直徑約20公裏),不是球形,更像兩顆大的小行星。

木星在中國古代被稱為“歲星”,是九大行星中體積和質量最大的行星。木星的質量是地球的318倍,是其他八大行星總和的2.5倍,體積是地球的1.316倍,平均密度為1.33g/cm3。其巨大的體積和高反照率使木星成為繼金星之後天空中壹顆明亮的天體。木星沒有固體表面,在其稠密的大氣層下是液態氫的海洋。用望遠鏡觀察,可以看到木星上有許多不同顏色的條紋和與赤道平行的明暗條紋,這些都是木星大氣中的雲帶。在木星快速自轉的作用下(木星的“壹天”只有9小時50分),雲層被拉成條紋狀。木星表面最顯著的特征之壹是大紅斑,它是由意大利天文學家卡西尼在1665年發現的。長2萬公裏,寬1.1,000公裏。它其實是壹個非常穩定的巨型氣旋,逆時針旋轉,不斷變化。1979年3月,旅行者1火箭探測器發現木星有壹個環,距離木星中心約128300公裏,寬約6500公裏,厚約30公裏。它由黑色礫石組成,圍繞木星旋轉約7小時。

研究表明,木星輻射(主要是紅外)的能量大約是它接收太陽能的兩倍,這表明木星本身也輻射能量。壹般認為木星多余的熱量不可能是核反應產生的,因為它的質量不到太陽質量的0.1%,這是恒星和行星最本質的區別。所以有人認為木星既不是嚴格意義上的行星,也不是嚴格意義上的恒星,而是介於兩者之間的特殊天體。

到目前為止,已經發現木星有28顆衛星,其中最亮的四顆(木衛壹、木衛二、木衛三和木衛四)是由伽利略首次發現的,它們被稱為伽利略衛星。這個偉大的發現為哥白尼的日心說提供了有力的證據。旅行者1的探測顯示,木衛壹上至少有6座活火山,火山噴發的強度遠大於地球。木衛二表面有冰,人們認為其下可能有大面積的液態水。木衛三是整個太陽系最大的衛星,直徑甚至超過了水星!木衛四表面有許多隕石坑,推測其厚厚的表面下有液態水或凍結水。

土星在中國古代被稱為“鎮星”或“補星”,是太陽系的第二大行星。它的體積是地球的833倍,質量只有95。是地球的2倍,所以它的平均密度只有0.69克/立方厘米。如果把土星放入水中,它會浮在水面上。土星最引人註目的特征是它美麗的光環,由天文學家惠更斯在1659年首次公布。土星環位於土星赤道面上。從地面上看,它們分為五個環。後來通過太空探索發現,其實有無數的光環,從土星的雲層頂部壹直延伸到32萬公裏的高空。整個環就像壹張巨大的高密度唱片。探測顯示,土星環由不同大小的顆粒和礫石組成。有些人認為,很久以前,壹顆衛星靠得太近,在土星的巨大引力下碎裂,從而形成了光環。

到目前為止,已經發現了土星的30顆衛星,是太陽系中衛星數量最多的行星。土衛六是其中最大的壹顆,比水星和冥王星都大,它是唯壹壹顆有大氣層的衛星,大氣層中含有甲烷和分子氫。有人認為,在太陽紫外線的作用下,可能會產生壹些復雜的分子,這些分子最終會定居在土衛六表面,重復地球早期的生命過程。因此,科學家們對土衛六表示了極大的關註。

天王星也是壹顆巨大的氣體行星,由天文愛好者威廉於1781年3月命名。赫歇爾用自制的望遠鏡發現了它。事實上,人們已經觀察天王星很久了。因為它看起來比較暗淡,所以人們壹直把它當成壹顆星星。天王星最大的特點是它的赤道面和軌道面的夾角為97° 55′,它的自轉軸在軌道面上幾乎是平的,所以它是“躺著”旋轉的。根據天文學家的推測,很久以前,壹個地球大小的物體與它相撞,將這顆氣體巨星撞向壹邊。天王星有厚厚的大氣層,主要由氫和氦組成,其次是甲烷。大氣溫度約為110K,天王星由於吸收了大氣中的甲烷而呈淺綠色。天王星可以在17小時內快速公轉壹周,但繞太陽公轉壹周需要84年。

天王星有15顆衛星。其中,主要的五顆直徑約500 km至1500 km,分別是天威五、天威壹、天威二、天威三、天威四,是通過地面觀測發現的。後來探測器發現天王星至少有10顆衛星。

海王星是太陽系中第四大氣體巨星,直徑與天王星相似,但距離太陽約45億公裏。天王星是偶然發現的,而海王星是通過計算天體力學的位置首次發現的。1846年,天文學家觀測到天王星的軌道總是偏離預期的軌道,猜測這可能是因為存在另壹顆未知行星,其引力幹擾了天王星的運行。法國人勒·葉巍仔細計算了這顆假想行星的位置,海王星就是從這裏被發現的。它被稱為海王星,因為它美麗的藍綠色。海王星最亮時只有8等星那麽亮,所以肉眼看不見。在大型望遠鏡中,它只是壹個表觀直徑小於4”的淺綠色小圓盤。海王星被厚厚的雲層包圍,大氣中有氫、甲烷和氨。壹般認為海王星有壹個類似地球的內核,由巖石組成,外面是厚厚的冰層,外面是分子氫。海王星自轉速度很快,壹天只有16小時。但是它繞太陽壹周需要165年,也就是說它從1846年被發現以來,還沒有繞過太陽壹周。

在1989之前,人們只知道它的兩顆最大的衛星——海衛壹和海衛二。從那時起,火箭探測器已經發現了它的其他六顆衛星,其中四顆正在光環中運行。比水星略大的海衛壹,表面結冰,溫度為零下238℃,是太陽系中最冷的天體。

冥王星冥王星的發現過程和海王星類似。人們在研究了海王星的運動後,發現也出現了壹些“離經叛道”的現象,但根據已知的行星,無法得到滿意的解釋,於是認為除了海王星之外,還存在壹顆新的行星。從1905開始,經過25年的艱苦尋找,終於在1930年,美國人湯姆·博發現了這顆恒星。冥王星距離太陽約60億公裏,繞太陽壹周需要248年。

1978年,美國天文學家克裏斯蒂發現了它的衛星,並將其命名為卡戎。人們由此確定了冥王星的質量,大約是地球的0.0024倍。冥王星是九大行星中最小的,甚至比太陽系的七顆衛星還要小,而且軌道平面與黃道平面的交角最大,軌道偏心率特別大,這使得它的軌道與海王星的軌道相交。所以從1979到1999,比海王星離太陽更近。從這些特征來看,它有點類似彗星。尤其是近年來,人們在冥王星之外發現了更大的天體,進壹步動搖了冥王星的地位,所以它是壹顆有爭議的行星。