第四节  太阳和太阳系


 

203  太阳

 

太阳是一颗恒星,具有极大的质量和很高的温度。它的质量相当于地球质量的33万余倍,或太阳系九大行星质量总和的700余倍。巨大的质量使太阳具有很高的中心温度(约1500万K),因而进行着热核反应,成为自身发光的天体。在浩瀚的银河系的千百亿颗恒星中,按天文学标准,太阳只是其中的普通一员。它的各种物理参数,诸如质量、体积、密度、温度和光度等,都没有什么与众不同的地方。

但是,在太阳系范畴内,在同地球的关系上,太阳就不是普通的一颗恒星了。太阳是太阳系的中心天体,因而有别于其它恒星。首先,太阳是地球绕转的恒星,因此,它有周年的巡天运动。其次,比起其它恒星来,太阳离地球很近。太阳光到达地球,只需8分多钟;而比邻星(离太阳系最近的一颗恒星)的光到达地球,需时4.22年。距离上的悬殊,使恒星在天球上都成为光点,唯太阳具有视直径约半度的日轮,因而显得特别明亮,其视亮度为一等星的1300万万倍。此外,由于距离上的接近,太阳赋予地球的热量特别多。“万物生长靠太阳”,它是地球以及整个太阳系的光明和热量的源泉;而一切别的恒星的辐射,根本没有可能引起任何可察觉的地球物理效应。

在天文学上,太阳的重要性还在于,它是认识宇宙中亿万颗别的恒星的主要媒介。由于日地距离足够近,使我们有可能直接研究它的表面;太阳的一些活动,都可以在太阳表面观测到。人们利用从太阳得到的知识,来检验关于恒星的一般理论。

§203—1 太阳的距离、大小和质量

地球与太阳的平均距离,常被用作太阳系范围内计量距离的单位,并且被叫做天文单位。

天文上测定天体距离(太阳系范围内)的基本手段,就是大地测量中常用的三角测量法。在地球半径已知的条件下,通过测定天体的地平视差,来推算它的距离(参见§205—l)。但是,在测定太阳距离时,由于距离遥远,其地平视差太小,以及技术上的种种困难,不难直接用这个方法。于是,天文上通过对某个小行星距离的测定,来推算太阳的距离。具体步骤如下:

---如图2.10所示,设日地距离为a,某个距地球较近的小行星(如爱神星)与太阳的距离为a1。当小行星冲日时,即该小行星最接近地球的时候,测定其地平视差,从而推算出它同地球的距离。这个距离即为 a1— a,就是小行星与地球的轨道半径的差值。

2—10   测定日地距离的第一步:通过小行星距离的测定,得a1-a

----按开普勒第三定律,二行星公转周期的平方之比,等于它们同太阳距离的立方之比。设地球和小行星的公转周期分别为T和TI,那么便有

即小行星与地球的轨道半径的比值,可以通过二者的周期之比得出。而天体周期的测定,相对说来是比较简单的。

----若得两个未知量(al和a)的差值和比值,如

那么,这两个未知量可以解二元一次方程组而求得。

近年来,人们用雷达测定金星与地球的距离,进而推算出日地距离最新值为 1.49597892 × 108km。

已知日地距离,就可以根据太阳的视半径,推算其线半径(图2—11)。太阳的平均视半径为16′(这个角度是容易测定的)。如日地距离为a,太阳半径为R,那么便有

R= 149 600 000 × stnl6′= 700 000 km

这个数值相当于地球半径的109倍。

由太阳的半径可知,其表面积是地球表面积的 12 000倍;太阳的体积为地球体积的1300000倍。

太阳是太阳系的中心天体。其质量可以通过行星(如地球)的运动来测定,因为绕转运动是由中心天体的引力造成的,而引力大小同它的质量有关。

一个作圆运动的物体,必受一个向心力的作用。按物理学定律,向心力(J)的大小,与运动物体的质量(m)和速度(V)的平方成正比,而与圆的半径(R)成反比,即

2—11 太阳大小的测定

地球半径(r)对太阳所张的角,是太阳的地平视差,在地球半径已知条件下,据此推算日地距高a;太阳半径(R)对地心所张的角,是太阳的视半径,在日地距离已知条件下,据此推算太阳的线半径R

对地球绕转太阳而言,这个向心力正是太阳对地球的引力,式中的m便为地球质量,V即地球公转速度,R则为地球的轨道半径。

按牛顿的万有引力定律,引力的大小与两物体的质量乘积成正比,而与两者的距离平方成反比。如以 m和M分别表示地球和太阳的质量,R为日地距离,那么,太阳与地球间的引力为

式中的G为引力常数。

我们知道,地球轨道的偏心率很小,地球绕太阳公转,可近似地看作圆周运动。换句话说,太阳对地球的引力,正好就是地球绕太阳运动所需的向心力。于是有

等式两边消去m后,得太阳的质量

式中的R、V和G都是可以测定或已知的:

日地平均距离 R= 1.496× 1011m;

地球公转平均速度

V=2. 978 ×104m/S;

万有引力常数 G= 6. 67×10-11N·m2/kg2。将这些数值代入上式,便得太阳质量M为

M= 1. 989× 1030kg,或1. 989 × 1027t

这个数字相当于地球质量的33万余倍,或全部行星质量总和的745倍。

同理,地球(行星)的质量,可以从月球(卫星)的绕转情况推得。

求得了太阳的质量,就有条件根据太阳的大小推算它的平均密度和重力。太阳的平均密度为1.41g/cm3,约为地球平均密度(5.52g/cm3)的l/4。但太阳各部分密度差异悬殊,外部密度很低,而核心密度可高达 160g/Cm3,是钢锭密度的 20倍!太阳表面的重力加速度为 27.4m/s2,相当于地面重力加速度(9.8m/s2)的 27. 9倍。

§ 203—2 太阳的热能、温度和热源

太阳是地球和整个太阳系光和热的主要源泉。大半个世纪以来,人们精密地测定了太阳辐射的能量,其方法和步骤如下:

----人们能够直接测定的是地面上所得到的太阳辐射热量。根据长期积累的观测资料,平均说来,在日地处于平均距离,太阳光垂直照射并排除大气影响的条件下,地面上单位面积(cm2)每分钟所接受的太阳热量为 8.16焦耳,即 8 16J/(cm2·min)。这是一个重要的数据,被称为太阳常数。

----地面上单位面积所得太阳热量既经测定,就有可能据此推算太阳辐射的总量。设想有一个以太阳为中心,以日地平均距离为半径的巨大球面,它的总面积达4л×1.496×108km22.83 × 1027Cm2。这个球的内表面的每一点同太阳的距离,都等于日地平均距离,并且处处与太阳光垂直,它把全部太阳辐射如数吸收。这个球面积乘以太阳常数,便得到太阳辐射总量,其值为3. 826 × 1026J /s。这个热量足以使覆盖地表 150km厚的冰层,化成 0℃的水。

----在这个巨大能量中,地球得到多少?按类似计算方法,它等于地球大圆面积上所接受的热量。地球大圆面积为л(6.371×10821. 27×1018cm2,乘以太阳常数得 1.74× 1017/s。这个数量仅占太阳辐射总量的22亿分之一。对太阳来说,这是微不足道的;但对地球来说,则是举足轻重的。

太阳放射如此巨大的能量,其温度自然是很高的。推算太阳的温度有如下二方面线索:

----太阳的温度同它所辐射的热量有关。上述 3. 826×l026J/s的热量,是从整个太阳表面发出的。根据太阳的半径,不难推算它单位面积发射的功率,其值为6.284×103J/(cm2·s)。按物理学的斯忒藩玻耳兹曼定律,对于完全不透明物体,每平方厘米每秒所发出的能量,同它的绝对温度的4次方成正比。太阳表面并不是绝对黑体,但和黑体差不多,把这个定律应用于太阳,得出太阳的温度为 5 770K,即约5500。用这个方法求得的温度称有效温度。

----太阳的温度同它所辐射的光谱有关。黑体发出的辐射随温度而变化:温度升高,总辐射量增大;同时,辐射能量最高峰的波长变短,犹如随着炉温的升高,炉火的颜色由红转橙,逐渐变白的情形一样。只要测定太阳能量随波长的分布,就能求得太阳的温度。用这个方法测定的温度,称为辐射温度;其值与有效温度相仿,在5 700K以上。

上述温度是根据太阳辐射推算的,而太阳辐射来自它的光球,所以,这个温度只是太阳的表面温度,即光球温度。太阳的不同部分有不同的温度。在光球以内,温度随深度而增加。据天体物理学的理论推算,太阳核心的温度高达1500万度,这是整个太阳最高温度的所在。在光球以外,还有色球和日冕,那里的温度随高度而增加:在2000km高度上,色球温度约为10万度;而日冕温度可高达100万度。

太阳具有 1500万度的中心温度和每分钟 23 436亿亿亿焦耳的能量输出,说明太阳是一个强大的产能系统。如此巨大的能量从何而来?如果是燃烧过程,即使太阳是一个优质煤球,按目前的功率发射能量,估计不到1500年就会熄灭。然而,太阳像现在这般发射能量,已有几十亿年之久。

太阳能源的探索经历了一个漫长的过程。人们先后提出过不少解释,如重力收缩说,陨星假说,天然放射性……等。但计算表明,这些都不能令人信服地说明太阳能量的来源。直到本世纪初,爱因斯坦创立相对论以后,太阳的能源才找到正确的答案。从本质上说,太阳不是“燃烧着”的一团火,而是一座热核反应炉:

——太阳的产能过程是太阳内部的核反应过程。在太阳内部上千万度高温和高压条件下,物质的原子结构遭到破坏,电子被剥离了原子核,一部分原子核获得极高的速度,能够克服原子核之间的电斥力,使较轻的原子核聚合成较重的原子核,并在聚变过程中释放出巨大的能量。这种以粒子在高温条件下的高速运动为条件的核反应,叫做热核反应。另外,物质要高度密集,才能使核反应持续进行下去。

——太阳的产能方式是由物质的质量转化而来。按照相对论,质量和能量可以互相转化。爱因斯坦的一个重要贡献是,他把质量守恒定律和能量守恒定律,统一为质、能守恒定律,两者之间存在如下的当量关系:

E=mc2

式中 E是能量,以焦耳为单位 ;m是质量,以千克为单位;c是光速,以 m/s为单位,它在真空中的传播速度为30万km/s, 即3×108m/s。

爱因斯坦提出的这个质能公式,启发了后继研究者,打开人类释放核能的奥秘之门。根据这个公式,很容易得出,同1克物质相对应的是9×1013焦耳的能量。这相当于1万吨煤全部燃烧所放出的热量!

太阳内部进行的热核聚变,是4个氢原子核结合成1个氦原子核的过程。我们知道,1个氢核质量是1.0078个原子质量单位,而氦核质量为4.0015单位。因此,在一次反应中有△m=4×1.0078-4. 0015=0.0276单位的质量损耗。据此推算, 1克氢聚变为氦,只造成 的质量损耗,而对应产生的能量为 6.21×1011J。它可使 1500吨水从0℃加热到100℃。这样的过程比化学反应过程释放的能量大100万倍,这便是太阳能够持久地进行强烈辐射的源泉。

——太阳的产能中心在太阳的核心区域。那里存在着1500万度的高温和高压条件。所产生的能量主要靠辐射方式,通过原子的反复吸收和反复发射,辗转传递到太阳表面。

要维持 3.826×1026J/s的辐射,太阳每秒要消耗 6.2×108吨的氢核燃料,其中有0 69%的质量,即每秒430万吨的物质在聚变中消失。它不停地发射光和热,而没有外界补充能量,天长地久,总会有一个时候,太阳的核燃料耗尽,核火熄灭,最终难免消亡。宇宙间一切事物,都是在不断地发展和变化着的,都有其发生、发展到消亡的过程,太阳也不例外。但这是非常遥远的将来。要知道太阳的总质量达 2×1027吨,而且绝大部分的组成物质是氢,太阳像目前那样稳定地发光,将持续几十亿年之久!人们没有必要为太阳的“能源枯竭”而焦虑。

§ 203-3 太阳的大气

5 770K以上的高温,意味着太阳是一团灼热的气体球,并无地球那样的固体表面,也就无所谓相对于固体表面的大气层。而且,由于高温,太阳的气体也不同于地球大气。地球大气是有分子组成的,太阳大气则因高温电离成等离子体。这里所说的太阳大气,是指它的可以直接观测的外部层次。至于太阳的内部情形,由于那里物质吸光本领很强,太阳内部产生的辐射,全部被它自己的物质吸收,因而无法被直接观测到。

太阳大气可分光球、色球和日冕三层:

——光球是太阳大气的低层,厚度约500km。它之所以被叫做光球,是由于它的明亮。前面说过,太阳内部产生的辐射,都被它自己的物质吸收。只有光球发射的光,才能透过这一薄层向空间传播。因此,光球在天球上就成为具有明确轮廓的圆面,即明亮的太阳光盘。人们在日常生活上往往把太阳光球看作太阳整体。

光球的有效温度为5 770K,密度只有地面大气的万分之几;到光球上层,温度降低为约4 000K,密度减小到地面大气的十万分之一。就我们日常生活的意义来说,太阳大气十分灼热而又稀薄得令人窒息。

——色球是太阳大气的中层,厚度约2000km。色球的亮度仅及光球的千分之一,因此,它的微弱光辉总是被光球所掩没。只有在日全食的短暂瞬间,当太阳光球全部被月轮遮蔽时,色球才表现为阴暗圆面周围的玫瑰色花边,色泽鲜艳,故称色球。仔细观看,色球的边缘不像光球那样清晰整齐,而是呈锯齿状,由许多细小的“火舌”组成,也叫针状体。它们不断产生,又不断消失。

色球的物质密度比光球低得多,但却比光球更热。它的底层约为1万度,高层可达几万甚至几十万度。这种奇怪的温度逆升现象,目前还没有完满的解释。色球的结构和物理状态十分复杂。

——日冕是太阳大气的外层,延伸范围很广,可达太阳半径的几倍甚至十几倍,没有明确的上界。日冕色清白、淡雅,但亮度很弱,仅及色球的千分之一,肉眼只有在日全食时才可见到,形状和大小变幻无定。

日冕的密度极低,温度却很高,达百万度以上。目前,人们还不了解日冕为什么有如此高的温度?但这一事实说明,日冕的稀薄物质是以极高的速度运动着,例如,那里氢核运动的平均速度达每秒220km,以致一部分粒子能够摆脱太阳重力,奔向广漠的行星际空间,这种现象叫日冕膨胀。

由于日冕高速膨胀,行星际空间不断地得到从太阳喷发出来的高速粒子流,称为太阳风。太阳风同日冕本身一样,几乎不含有热量。其带走的质量损失与太阳总质量相比,微乎其微,不影响太阳结构和演化。太阳风吹遍整个太阳系,尽管物质十分稀薄,但仍十倍于星际空间的物质密度,并对行星造成一些重大影响。地球离太阳近,首当其冲。在太阳风作用下,面对太阳的半个地球磁场,被压缩在一个较小的范围内;而背太阳的半个地球磁场,扬起一条长长的磁尾(详见§606-4)。

§ 203-4 太阳活动

太阳是一颗基本稳定的恒星。它的辐射总量(大部分是可见光)变化甚微。然而,它的外层大气受太阳磁场的支配,处于局部的激烈运动中,称为太阳活动。从某种意义上说,太阳活动可以通俗地比喻为太阳的“天气变化”,它使得太阳辐射在紫外线和X射线波段,有大幅度的起落。太阳大气有时比较平静,叫宁静太阳;有时变化激烈,叫扰动太阳。所谓太阳活动,主要是指扰动太阳的活动状况。

扰动太阳的最明显的标志是黑子。黑子是出现在太阳明亮光盘上的暗色斑点。黑子其实不黑,只是其温度比周围光盘低一些(约为4500K),在明亮的光球反衬下,才呈现暗色。如果能看到黑子本身闪光的话,其亮度要比弧光灯强。黑子的大小不等,形状各异,大多成对或成群出现。它们不断产生和成长,也不断衰竭和消逝。小黑子出现仅几个小时,大黑子群可持续数月。黑子出现的范围,多半限于日面南北纬5°—25°之间,赤道和高纬区域甚少;而且,黑子出现的区域在这个纬度带内定期往返。对黑子进行连续观测可以看出,它们都会缓慢地从太阳光盘的这一边移动到另一边,形状也发生相应的改变(图2-12)。当年伽利略就是根据黑子的这种移动和变形,确信太阳也有自转,其赤道部分自转一周约需25日。

 

2-12 黑子的位置和形状,随太阳自转而变化

黑子是什么?一般认为它是太阳表面剧烈活动所激起的气旋涡;也有的认为是膨胀着的大气团,因膨胀造成温度下降而使亮度变暗。但是,要使一个大黑子(直径可达20万km)能够抵消周围高温区传递进来的热量,长期保持其“低温”,必须有一个巨大的“热泵”才行。关于黑子生成的机制,尚未得出一个公认的理论,但普遍认为它与那里的强磁场有关。

 

2-13 太阳黑子的变化周期

同样使人们难以理解的是,黑子的盛衰有一个11年轮回的周期,称为太阳活动周期(图2-13)。黑子极盛时,意味着太阳活动特别强烈,天文学上把这个年份称为太阳活动峰年;黑子最少时,太阳显得最宁静,是太阳活动的谷年。国际上规定,以1755年的黑子数最低开始的11年周期为第1号,依次排列出以后各个11年周期的号数。照此顺序,从1997年起,太阳黑子活动开始进入第23号的11年周期。

太阳活动种类繁多,除黑子外,还有光斑、耀斑、口珥及日冕膨胀等。这些形形色色的变化,大体上都随黑子的变化而同步起落。这表明,太阳活动实际上是一个整体。光斑是光球上明亮的斑点,常出现在日轮的边缘,说明它存在于光球的上层,可能是光球上更炽热的气团。耀斑亦称色球爆发,是太阳大气极小区域内发生的爆发性能量释放现象,表现为日面上局部区域的突然增亮,一般只能用氢和钙单光观测,特大的耀斑在连续光谱区也能见到。耀斑通常出现在黑子群上部的色球中。日珥是从色球不断喷射出来的火焰状物质,形态绰约多姿,千变万化,肉眼只有在日全食时才能观测到。

在所有太阳活动中,最强烈和对地球影响最大的要算耀斑。它的特征是来势猛,能量大。一个大的耀斑从诞生到消失,一般历时仅一、二十分钟,但它释放的能量,相当于100亿颗百万吨级氢弹爆炸的威力。巨大的能量释放,引起局部区域的瞬时加热和各种电磁辐射和粒子辐射的突然增强,除可见光外,有紫外线、红外线、X射线、υ射线、高能粒子及宇宙线等。这些“品种”繁多、令人眼花缭乱的辐射,在短时间内倾泻而出,穿过日地空间到达地球,引起异常的地球物理现象。强烈的短波辐射会破坏地球大气电离层的结构,使电离层的电离度增高,电波吸收加强,从而影响地面的无线电通讯,甚至导致全部中断。这对军事、通讯部门是一种严重的威胁。高能粒子流(速度可达每秒数百或近千km)到达地球附近时,扰乱了地球磁场,引起磁针剧烈颤动,就像地球磁场突然卷起一场风暴,称为磁暴。这时,罗盘失去了它的作用,甚至连飞翔中的鸽子也会失去辨别方向的能力。一部分高能粒子受地球磁场所迫,沿着磁力线向地球的南北磁极大量降落,与高层大气的原子和分子撞击,激发出绚丽多姿的极光。近期的理论又认为,粒子的主要作用不是与大气质点碰撞,而是在地球周围形成电场,由此引起放电现象,产生极光。此外,太阳活动对气象、水文和地震等现象也会产生复杂的影响,甚至某些疾病的流行也与之有关。

由此看来,耀斑的出现是扰动太阳的更加直接和重要的标志,它已成为当前太阳研究的主题之一。

 

204 太阳系

 

§204-1 太阳系的发现

太阳系的发现,是天文史上最辉煌的一页。16—17世纪初,即欧洲“文艺复兴”时代,天文学摆脱了托勒密的“地心”宇宙体系,创立了哥白尼的“日心”宇宙体系。这两种对立的宇宙体系,其分歧的焦点是:天动还是地动?

地心说主张天动,认为地球静止在宇宙中心,日月星辰围绕大地作昼夜旋转。这种宇宙结构符合人们的直觉印象,也符合人类中心的基督教义,成为中世纪欧洲维护神权统治的理论支柱日心说主张地动,认为宇宙的中心是太阳,地球只是绕太阳运动的一颗普通行星。这一观点使《圣经》赋予地球的“宇宙主宰”的地位丧失了,上帝也就失去了藏身之所。于是,新旧宇宙体系,科学与宗教之间,爆发了一场旷日持久和惊心动魄的斗争。“地球仍在转动!”是当年伽利略在宗教法庭上发出的呼声!

日心体系取代地心体系的一个突破口,是行星的视动。

早期的天空探索者们发现,有七个明亮的天体“游离”于恒星之外,与众不同。它们是太阳、月亮和五大行星,即水星、金星、火星、木星和土星。我国古时称它们为“七曜”。太阳和月亮都有巡天运动。行星的运动则令人眼花缭乱:它们行踪无定,“或见或伏”,忽进忽退,变幻莫测(行星一词的希腊语原义是“流浪者”之星);但它们走的都是同一条空中大道——黄道带。在通常情形下,行星向东顺行。但是,在一段不长的时间内,它会掉过头来向西逆行;不久,又恢复向东顺行,在天球上走过一条柳叶状的曲折路线(图2—14)。

 

2—14 1977年12月4日—1978年3月3日,

火星在巨蟹座逆行

(图中的数字表示月份)

探求行星这种奇特运动的合理解释,成了古代宇宙论者无法回避的一大障碍。托勒密的地心体系采用一种叫做本轮的先验理论,来解释行星的逆行和亮度变化。按照这种理论,行星都沿着一个叫做本轮的较小圆周匀速运动;本轮中心又沿着一个大的圆周绕地球匀速运动,这个大圆叫做均轮。在这种假设下,当行星接近地球时,它在本轮上运行的方向,与本轮中心在均轮上运行的方向相反,再假定其速度又大过后者,这时,从地球上看行星,便成了逆行(图2-15)。

 

2-15 本轮与均轮

哥白尼的日心体系把周日运动归之于地球绕轴自转,而把周年运动归之于地球绕太阳公转;行星的复杂的环状视运动,则是地球和行星同时绕太阳公转的复合运动的结果(图2-16)。唯有月球才是唯一绕地球运动的卫星。

 

2-16 以地球和行星共同绕太阳运动来解释行星的视行,这是哥白尼日心说的精髓

把地球排除出宇宙中心而代之以太阳后,乍看好像杂乱无章的行星世界,显出其惊人的统一性。地心说垮台和日心说确立,在天文学上掀起一场划时代的、“翻天覆地”的革命。一个运动着的地球,是整个近代天文学的基石,而且,对人类的哲学思想产生深远影响。

受时代的局限,哥白尼体系本身是存在缺陷的。它仍然保留固体的恒星球层,不动的中心天体和匀速的圆周运动等根深蒂固的陈腐观念。竟哥白尼事业之功、揭示太阳系行星运动真实规律的,是德国天文学家开普勒(1571—1630)。他经过对前人观测记录的严密分析,提出著名的行星运动三定律:

——所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上绕太阳运动,太阳位于行星轨道椭圆的二个焦点之一。这是行星运动第一定律,也叫轨道定律。

——在同样的时间内,行星向径在其轨道平面上扫过的面积相等。这是行星运动第二定律,也叫面积定律(图2—17)。

——任何两个行星绕太阳公转的周期的平方之比,等于它们与太阳的距离的立方之比。设T1和T2分别表示两行星的公转周期,a1a2分别表示它们与太阳的平均距离(即各自轨道的半长轴),那么便有

T以恒星年为单位,a以天文单位为单位,那么,上式便有更简单的形式:

T2a2

2-17开普勒第二定律:面速度不变

这是行星运动第三定律,也叫周期定律。由此可知,行星同太阳的距离,可以根据该行星公转的恒星周期进行推算,即

上述的行星运动三定律,被称为开普勒定律。它表明,太阳及其周围的天体,不是偶然的、没有秩序的“乌合之众”,而是一个有严密组织的天体系统。这个系统的中心天体是太阳,受来自太阳的某种统一力量所支配。太阳位于每个行星轨道的焦点之一,行星运动的周期和速度则取决于各行星与太阳的距离。开普勒因他的成就被后世学者尊称为“天空立法者”。

开普勒定律廓清了行星轨道的几何特征。但这些定律是凭数据分析得出的经验定律;用严密的数学分析推出它的结果,解释行星运动的物理原因的,则是牛顿(1642—1727)。牛顿用物质的一般运动规律的观点,对开普勒定律进行概括,更精确地确定和发展了开普勒定律:

——牛顿扩展了开普勒第一定律。他指出,天体轨道不仅限于开普勒椭圆,而且可以是任何一种圆锥曲线,或称二次曲线。决定轨道形状的必要条件,仅限于物体的初始条件——速度。

——牛顿论证了开普勒第二定律。他用新的数学方法——积分法来求曲边形的面积,证明在引力作用下,行星绕太阳运动的面速度不变。

——牛顿修正了开普勒第三定律。万有引力定律是从开普勒第三定律导出的。反过来,牛顿运用他的万有引力定律,对开普勒第三定律作了重要修正。修正后的第三定律精确公式为

牛顿公式与开普勒公式不同之处,在于等号左边多了一项质量的乘数(括号内的M和m分别表示太阳和行星的质量)。修正后的开普勒定律变得更为重要。它可以测定那些伴有卫星的天体的质量比。牛顿是第一个“秤出”天体重量的天文学家。

开普勒定律指出了“行星怎样运动?”牛顿则用万有引力定律回答了“行星为什么这样运动?”他证明,在引力作用下,行星必然遵循开普勒定律而运动。万有引力定律奠定了天体力学的基础,从此,天文学从它的幼年状况进入成年时代。恩格斯说:“牛顿由于发现了万有引力定律而创立了科学的天文学”。这一切都是在太阳系发现和完善的过程中产生的。

太阳系曾经是天文学研究的主要领域。后来,由于地面观测所能获取的资料日益匮乏,自本世纪三十年代初发现第九颗行星——冥王星后,太阳系天文学再没有什么重大突破,人们把注意力转向恒星天文学。近年来,随着空间探测技术的发展,人类结束了“坐地观天”的局限,复使冷落了多年的太阳系天文学重放异采,成为当前科学研究最活跃的前沿领地之一。

§204-2 太阳系的组成

太阳系的主要成员,除太阳外,是九大行星(其中之一就是人类赖以生存的地球)和它们的卫星。太阳占有这个系统总质量的

99.9 %,因此,它有足够强大的引力支配其它天体,形成一个以它为中心天体的天体系统——太阳系。如以冥王星的轨道为太阳系的边界,其直径约为120亿km,是一个庞大的天体系统;但在银河系里,太阳系只是沧海一粟而已。

九大行星按其同太阳的距离,由近及远,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。接近太阳的五颗行星,即上述的水、金、火、木和土星,在地球上看起来,是天空中游荡的明星,自古被称为五星或五行,并同太阳和月亮合称七曜。古人把它们同众星列宿区别开来,另立门户,最终导致太阳系的发现。其余的“三王”(天王、海王和冥王星),因距离遥远,肉眼不可见。它们是望远镜问世后才陆续被发现的。

除上述九大行星外,太阳系中还有数以千万计的小行星,已发现并正式命名或编号的近2 500颗。同九大行星一样,小行星按一定的轨道环绕太阳运动。小行星的轨道,远的可越出土星轨道之外,近的可进入地球轨道以内,但绝大多数集中在火星和木星的轨道之间,在那里形成一个小行星带。根据这个情况,有学者认为,小行星大概是一个已经崩解了的行星的残存碎块。小行星的质量很小,无法同九大行星伦比。据估计,所有小行星的质量总和,大约只相当地球质量的0. 04 %,或月球质量的3. 2 %。

九大行星中,除最接近太阳的水星和金星外,都伴有自己的卫星。各行星拥有卫星的数量和大小不一:地球有一个大型的卫星——月球;冥王星近期也发现有一个卫星;火星有两个很小的卫星;木星和土星的卫星最多,分别为16个和23个;天王星有15个卫星;海王星有10个卫星。这样,太阳系行星的卫星总数达68颗。随着太阳系空间探测的继续,这个数字还会不断刷新。

除了行星和卫星以外,太阳系的成员还包括彗星和流星体。彗星的质量很小,这种天体在绕太阳运行中呈现奇特的外貌变化。已被发现的彗星约有1600颗。流星体的数量不胜枚举,但它们的质量微不足道。

像太阳系这样的天体系统,很可能普遍地存在于宇宙中,然而,目前还没有得到确凿无疑的证据。

§ 204-3 行星

太阳系的行星,以地球轨道为界分为两组:水星和金星的轨道位于地球轨道以内,称为地内行星(Inferior planets,旧译内行星);地球轨道以外的行星,称为地外行星(Superior planets,旧译外行星)。两者在对太阳的会合运动中,表现出“内外有别”(详见§306-3)。另外,九大行星还可以小行星带为界,分成两组:水星、金星、地球和火星为内行星(Inner planets),意即带内行星;木星、土星、天王星、海王星和冥王星为外行星(Outer planets),意即带外行星。

继开普勒发现行星运动第三定律后,人们试图找出行星与太阳平均距离(即行星轨道的半长径)间的数量关系。距太阳的远近,意味着公转轨道的大小。若以天文单位(日地平均距离)表示,九大行星对太阳的平均距离如下表:

  行星       水星       金星     地球       火星

对日距离     0.387      0.723    1.000      1.524

AU)

木星      土星       天王星     海王星     冥王星

5.20      9.54       19.18      30.06      39.44

从上表可以看出,太阳系行星的分布,不仅远近悬殊,而且疏密悬殊。冥王星的距离约为40天文单位(相当于水星距离的100倍),土星、天王星和海王星大体位于这段距离的四分点上。这就是说,2/3的行星集中在1/4距离内;半数以上的行星拥挤在1/8的距离内。一般地说,离太阳愈远,行星轨道的间隔便愈宽。

1766年,德国天文学家提丢斯(1729—1796)提出一个表示行星与太阳平均距离的经验定律,后由波得(1747—1826)重新研究并予发表,史称提丢斯-波得定则。其见解是,取一数列:

0   3   6   12   24   48   96

这个数列的前三项是以3为公差的等差级数,第二项起是以2为公比的等比级数。在每项数字先加4,再除以10,便得到另一列数字:

0.4   0.7   1.0   1.6   2.8   5.2   10.0

这一列数字便与当时已知的六大行星(天王、海王和冥王星尚未发现)对太阳的平均距离相当吻合,只是在2.8天文单位处出现一个空缺,所以,火星与木星轨道的间隔显得过宽。1781年,赫歇耳发现天王星,延伸了这个序列,它差不多恰好在预言的轨道上。

1801年,意大利人皮亚齐发现了第1号小行星谷神星,填补了 2.8天文单位的空缺。这样看来,提丢斯-波得定则似乎代表着一定的规律性。可是,后来海王星的发现破坏了这个序列,这样的规律性便难以令人置信,尽管以后发现的冥王星的位置又回到这个序列上。有人认为提丢斯定则纯系一种数学游戏。它不能同具有深刻力学意义的开普勒第三定律相比。

九大行星的轨道及主要物理参数,列表于后(见“太阳系行星表”)。该表的数据表明:

——除水星和冥王星外,行星轨道的偏心率和轨道倾角都很小。这就是说,行星是在基本接近的平面上,沿近乎圆形的轨道运动。冥王星是最遥远的行星,但由于轨道偏心率较大,在它接近轨道近日点时,却比海王星还近些(图2-18)。

2-18 行星的轨道大小

——金星的赤道与其轨道的交角达177°,这意味着金星的自转是逆转(即自东向西转,与公转方向相反)。在金星的天空中,太阳是从西方升起的。另一个例外的情形是天王星,其赤道与其轨道的交角为98°,这意味着天王星的自转也是逆转。如果把金星的自转比喻为倒转,那么,天王星便是“躺着”自转。除金星和天王星外,其余行星的自转方向皆与公转方向相同。

——地内行星有特别长的自转周期。水星自转周期长达 58.6日。金星自转周期甚至超过它的公转周期,长达 243日,其一昼夜长度是地球上的 117日,因此,金星上的一年还不到二个昼夜。两颗巨行星——木星和土星的自转周期却很短,还不及地球自转周期的一半。因此,木星和土星都显得较扁,在它们的视圆面上,肉眼也能清楚地分辨出来。这两颗行星都是流体球,因而不同于固体行星的自转,其赤道部分的自转周期比其它部分要短。它们的视圆面上,有明显的平行于赤道的云带。

太阳系行星表

 

 

2-19 行星的大小对比

根据质量、大小和化学组成的不同,行星又可分成另外的两大类:一类以地球为典型代表,称类地行星,包括水星、金星、地球和火星;另一类以木星为典型代表,称类木行星,包括木星、土星、天王星和海王星。位于太阳系边缘的冥王星是个例外。近来,人们又把类木行星连同冥王星在内,分成巨行星(木星和土星)和远日行星(天王、海王和冥王星)两类。不同的行星分类法,列表比较如下:

类地行星接近太阳,自水星的0.39AU到火星的1.52AU;类木行星远离太阳,自木星的5.2Au到海王星的 30AU。这种对于太阳距离上的巨大差异,在很大程度上影响它们物理性质和化学组成的不同:

——类地行星质量小,类木行星质量大。木星和土星的质量分别是地球质量的318倍和95倍;而类地行星中的其它成员的质量均小于地球。由于质量小,水星没有大气,酷似月球世界;火星只有极微弱的大气,是一个极其荒凉的世界。水星和火星表面,都有环形山分布。

——类地行星平均密度较高,类木行星平均密度较低。若以水的密度为1,那么,类地行星(除火星外)的密度均超过5;而类木行星中密度最大的海王星也不足1.7,其中土星的密度仅0.7,如果把它放入水中,它将浮出水面。

——从化学组成看,类地行星主要由重物质组成,中心有铁核,含金属元素比例高,有固体表面。类木行星则以轻物质为主,主要是氢、氦、氖等,因而没有固体表面。

——过去,人们一直以为土星是太阳系唯一有光环的行星。空间探测证实,木星、天王星和海王星都有光环。这样看来,光环是类木行星的共同特征。类地行星都没有光环。

——类地行星接近太阳,因而有较高的温度。就这个条件而言,太阳系的生命圈限于类地行星(水星除外)。从理论上说,金星和火星都可能有生命。金星的大小、质量和逃逸速度都同地球相近似,有“地球的姐妹星”之称。金星表面覆盖着一层浓厚的大气,其密度是地球大气的50倍,表面气压高达90大气压,主要成分是二氧化碳( 97%)。由于高效的温室效应,金星表面温度高达465—485℃,连铅和锡都要熔化,是一个非常炎热的世界。火星比地球小得多,大气十分稀薄,气压仅为7.5hPa,相当于地面40—45km高空的大气压强,主要成分是二氧化碳,水汽更少得可怜。空间探测证实,金星和火星都不存在生命。

§ 204-4彗星

彗星俗称扫帚星,天空中不常见。古人见其外貌奇特,拖着一条长长的尾巴,来无影,去无踪,在相当长时期里,对它怀有极大的恐怖心理。

彗星同行星一样,在太阳引力作用下,也是沿椭圆轨道绕太阳运行。所不同的是,其轨道的偏心率很大,轨道显得又扁又长。如著名的哈雷彗星,其轨道的近日点位于地球轨道以内,而其远日点却在海王星轨道以外(图2-20)。因此,彗星绕转的周期很长,如果周期小于200年,就算是短周期彗星了。大多数彗星的轨道几乎接近抛物线,远远延伸到冥王星轨道之外。这样的彗星,周期很长,迄今不能测定,因为有史以来,它们只出现过一次;何时再来,杳无定期,被称为非周期彗星。

彗星的特征是同它们的轨道形状相联系的。彗星的质量很小,大体上是由固体颗粒,掺杂着尘埃以及冻结的水汽、甲烷、氨、二氧化碳等,称为彗核。在大部分时间里,彗核是在远离太阳的寒冷空间运行,以致它们的物质总是处于冰冻状态。这时候的彗星,个体很小,默默无闻。而当它在轨道上逐渐接近它的近日点、距太阳足够近的时候,太阳的热力使彗核中一部分冻结的气体蒸发或升华,形成一个云雾状的包层,称为彗发。彗星继续接近太阳,彗发的直径可扩大到10万km。彗发中的一部分气体和尘埃,被太阳风和光压推向一旁(对很小的微粒来说,太阳风和光对微粒的压力,会有效地超过太阳对它们的引力),漂向远方,形成长长的彗尾(参见末页照片)。这时候的彗星就成为非常壮观的天体。

太阳风和光压均来自太阳。所以,彗尾的方向总是背向太阳(图2-21)。有的彗尾是平直的。这是太阳风作用下形成的,主要是由CO+离子组成,故称离子彗尾,常呈蓝色,是CO+离子在太阳光作用下发射的荧光。有的彗尾是弯曲的。这是太阳光压作用的结果,主要由微尘组成,因而称尘粒彗尾。由于尘粒绕太阳公转因尘粒本身远离太阳而减速,所以自然地形成弯曲彗尾。它多成黄色,是微尘反射的太阳光。

2-20 哈雷彗星的轨道

2-21 彗尾总是背向太阳

一般地说,彗星在距太阳仅两个天文单位时,才显现其可察觉的彗尾。对于肉眼观测来说,即使最明亮的彗星,也只有当它通过近日点前后才是可见的:或者黄昏时出现在西方天空,彗尾向东;或者在黎明前出现在东方天空,彗尾向西。特别明亮的彗星,甚至在白昼也清晰可见。过了近日点,随着彗星离太阳远去,彗尾和彗发渐次消失,恢复彗核原状。总之,彗星在本质上就是在偏心率很大的轨道上绕太阳运动的冰冻物质,其奇特的外貌,只是通过近日点前后的暂时现象。

比较起来,彗星是一种“短命”的天体。彗星每次通过近日点,总要被太阳烤熟,并损耗一部分物质。因此,经过千百次接近太阳以后,彗核中的冰冻物质消耗殆尽,残存的固体颗粒崩解成为流星体群,继续绕太阳运动。

最著名,也是最早被发现的周期彗星是哈雷彗星。其轨道的半长径为17.95AU,偏心率是0.967;远日距35.3lAU,近日距0.59AU。它的公转是逆转,周期为76年(这是唯一的周期短于100年的明显彗星)。其最近一次的回归是1986年。

§204-5 流星和流星体

流星体是存在于太阳系中的微小颗粒,环绕太阳运动。在经过地球附近时,流星体因受地球引力的摄动,改变轨道,向地球接近。当它们闯入地球大气时,同气体分子和原子发生猛烈摩擦而燃烧发光,在天空中划出一道闪亮的余迹,叫做流星。亮度超过-5等的明亮的流星,又叫火流星。特别明亮的火流星,甚至在白天也是清楚可见的。

流星通常是单个出现的,这样的流星叫做偶发流星。一个目视观测者,夜间平均每小时可看到10颗流星。通常,下半夜的流星比上半夜多而且明亮,其原因在于:下半夜的流星是与地球迎面相遇(速度高),或地球赶上流星(出现频率高);而上半夜出现的只是追上地球的流星(图2-22)。有时,人们在一定的天空区域,在特定季节,会发现流星的数量有显著的增加,甚至像雨滴一般密集,因而被称为流星雨。我国古代,曾经有过“星陨如雨”的记载(见《春秋左传》庄公七年)。在近代,1833年曾经有过每小时出现35 000条流星的天空奇观。

流星雨的出现是同流星群有关的。所谓流星群,其实是指流星体群,就是许许多多沿着相同的轨道绕转太阳的流星体。它们的共同轨道在一定的宇宙空间同地球轨道相交。地球一年一度经过这一空间,并在同一天空区域造成流星雨。所有的流星似乎是从天球上同一点辐射出来的。正是这一现象说明流星体的轨道是相同的。这种情况之所以会发生,是因为流星体群的形成,是一个彗星的瓦解的结果。例如,比拉彗星(Biela comet)的分裂和瓦解,造成了仙女座的流星雨。

流星体的质量很小,在它们进入大气以前,一般只是沙粒或小石砾那样的东西。这样的流星体在燃烧过程中化为气体和尘埃,全部陨灭。但是,个别特别巨大的流星体,在持续燃烧过程中,穿过整个大气层,一直降落到地面,这叫做陨星。按照化学组成的不同,陨星分为石陨星(亦叫陨石)、铁陨星(亦叫陨铁)和石铁陨星。石陨星主要由硅酸盐组成,铁陨星主要由铁镍金属组成,石铁陨星介于二者之间。在所有陨星中,石陨星约占92%。1976年降落在我国吉林境内的石陨星,是迄今世界上最大的石陨星;它在降落过程中分裂成许多块,其中最大的一块重1770kg。世界最大的铁陨星是非洲纳米比亚的戈巴陨铁,重约60t。我国的新疆大陨铁(参见末页照片)重30t,名列第三。

最大的陨星,事实上就是太阳系的小行星,最小的陨星是宇宙尘。在小行星、流星体和宇宙尘之间,自然界并不存在绝对的界线。

在进入地球大气以前,流星体本来是在绕转太阳的,因而具有很高的轨道速度。如果它们是迎面进入地球大气,其速度甚至可达到每秒72km。由于速度高,流星体具有很大的动能,因而具有很大的杀伤力(远超过普通的枪弹和炮弹),只是由于大气的作用,人类才能基本上免遭流星的袭击。正是由于大气对于流星的阻力,流星体的动能大都转化成热能,并且使得流星体本身熔化或气化。但是,尽管在大气中发生减速,巨大而且结实的流星体,在它们作为陨星降落地面的时候,仍然具有很大的动能,并且造成大而深的陨星坑。

§204-6 太阳系起源的星云假说

太阳系起源理论的提出,是科学史上一定阶段的产物。从哥白尼创立日心体系后,他的后继者开普勒发现行星运动定律,完满地廓清了行星轨道的几何性质;牛顿继而以他的运动定律和万有引力定律,成功地解释了行星运动的物理原因。至此,太阳系的结构完全搞清楚了。人们很自然地就会探索这种结构的成因,即太阳系如何起源?

太阳系起源的理论,基本上是一些揣测的看法。没有人能目睹行星的形成。迄今为止,人们能够直接观测到的行星系统,只有我们自己的太阳系;而且,所能了解的主要是它的现状,缺乏它早期的历史资料。所以,对于这个理论的探索,虽然已有二百余年历史,至今还只是一种假说。

地质学上有句名言:“现在是过去的钥匙”。人们正是根据太阳系的现状,设想它的形成过程。太阳系的整个图象表明,它的结构具有某些统一的特征:

——共面性:行星绕太阳运动的轨道平面,都很接近黄道面;卫星的轨道平面,也都接近各自行星的赤道面。就整体来说,太阳系是很“扁”的。

2—22下半夜的流星多而且明亮

——同向性:太阳系的天体大致朝同一方向运动。行星绕太阳运动,概无例外地都与地球公转的方向相同;卫星除极个别的例外,也是如此;行星绕轴自转,除金星和天王星以外,也都同地球绕轴自转的方向一致;还有,太阳本身也作同样方向的自转。

——近圆性:行星轨道形状都接近圆形。除冥王星轨道的偏心率稍大外,其余行星轨道的偏心率都很小。

根据这些特征,天文学上最合理的推测是,行星系统是由同一薄层物质所形成的。1755年,年轻的德国哲学家康德(1724—1804)根据牛顿的万有引力理论,第一个提出了太阳系起源的星云假说。这个假说的基本论点是:其一,太阳系是由弥漫星云物质,即大团的气体和尘埃演化而来;其二,形成太阳系的动力是自引力,即星云各部分之间相互吸引的力。1796年,法国天文学家拉普拉斯(1749—1827)独立地提出了另一个星云假说,细节上稍有差异,但两者的基本观点一致。因此,人们通常把它们合称为康德-拉普拉斯星云假说。

继康德和拉普拉斯之后,形形色色的太阳系起源和演化理论不断涌现。但是,这些假说没有一个被普遍接受,而康德-拉普拉斯星云说的基本论点经受住时间的考验。最近几十年,随着恒星演化理论的发展,星云说被赋予新的科学内容:第一,康德认为,形成太阳系的是银河星云的整体。现在看来,形成太阳系的仅仅是银河星云的一个很小的碎块。星云的质量远大于一般的恒星,约为太阳质量的100—1000倍,而它的球状碎块的质量,大体上与一颗普通恒星相当。其次,拉普拉斯认为,形成太阳系的星云物质是炽热的。现在看来,形成太阳系的星云物质是低温的,它的温度仅比绝对零度高出10—100度。因此,从星云到太阳系的历史是由冷变热的历史,而不是由热变冷的历史。

按照今天的理解,从星云到太阳系的过程,首先是在银河星云中产生太阳星云,然后是太阳星云变成星云盘,最后是在星云盘中产生太阳和行星(图2—23)。

银河弥漫星云因自引力而收缩,在收缩中产生旋涡。旋涡使星云碎裂而成大量的碎块。每一碎块具有一个恒星的质量,以后分别形成恒星。其中形成太阳系的碎块,就是太阳系的原始星云,称为太阳星云。

 

2—23 太阳系起源e示意图1.太阳星云,2.星云变成扁球形,3.原始太阳和圆环体,4.太阳和行星的形成.5.太阳系

在自引力的作用下,太阳星云进一步收缩,使本来是在旋转着的太阳星云旋转加快,因而产生更大的惯性离心力。由于惯性离心力的作用,太阳星云的收缩是不等速的。赤道上的收缩是最慢的。随着引力收缩的持续进行,太阳星云愈来愈扁;同时,由于体积愈来愈小,它的旋转就愈来愈快,所产生的惯性离心力也愈来愈大。当惯性离心力足以全部抵消自引力的时候,赤道上的物质就在原地停留下来。这一过程的长期持续进行,使得太阳星云变成一个中部厚而四周薄的又圆又扁的天体。这就是星云盘。

在进一步收缩中,星云盘的中心和主要部分变成原始太阳。在星云盘的总质量中,它占有绝大部分。原始太阳因为持续收缩而不断增温,当内部温度升高到几百万度时,开始热核反应,成为自行发光的恒星。同时,在星云盘的周围部分,通过碰撞和吸积,进行着行星的形成过程。行星周围的残余物质,在较小范围内重演行星形成的过程,产生了卫星。它们都可能是太阳形成的“副产品”。

恩格斯曾高度评价康德的星云说:在“僵化的自然观上打开第一个缺口”,“关于第一次推动的问题被取消了;地球和整个太阳系表现为某种在时间的进程中逐渐生成的东西”

复习与思考

●太阳的距离、大小和质量是怎样测定的?

●何谓太阳大气?什么是“太阳风”?何谓太阳活动?太阳活动对地球产生什么影响?

●哥白尼“日心”体系的基本思想与重要意义是什么?什么是开普勒定律?牛顿如何发展开普勒的行星运动定律?它对天文学的发展有何贡献?

●设某行星距太阳为25天文单位,那么,它绕太阳公转的周期应有多长?设某小行星绕太阳公转的周期为8年,问:它与太阳的平均距离是多少?

●行星如何分类?比较地内行星与地外行星、内行星与外行星的差别;比较类地行星与类木行星,它们的物理性质与化学组成有何差异?

●彗星的本质特征是什么?什么是流星体和流星?如果地球没有大气,地面上仍能看到彗星吗?仍能看到流星吗?

●康德“星云说”的基本论点和它的重要意义是什么?

 

 

 

 



科学上取 C+原子质量的十二分之一为原子质量的单位。
在高温下原子变为离子的过程叫电离。离子就是原子得到电子或失去电子。太阳大气的主要成分是电子和氢原子核(质子)。电子带负电,质子带正电,但从总体上看,正电量和负电量相等,所以叫等离子体。
该公式的推导参见附录三。
马克思恩格斯全集.第一版.北京:人民出版社.1956.第一卷.657.
恩格斯.自然辩证法.北京:人民出版社,1971.12.