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天文学讲义

太阳的内部结构：

Core:核反应区

Radioactive zone:辐射区

Convective zone:对流层

太阳的外部结构:光球层(photosphere)，色球层(chromosphere)，日冕(solar corona)。光球层即我们平时看到的太阳的圆面，色球层指的是紧贴光球的大气，而日冕是太阳大气的最外层。所以在发生日全食(solar eclipse)的时候，我们可是看到的是色球层和日冕。

太阳黑子(sunspots)是存在于光球层的短暂现象，是太阳表面温度相对较低而显得较黑的区域，与地球磁场的周期(cycle)一样都是11年。太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，黑子本身并不黑，之所以看得黑是因为比起光球层，它的温度要低一、二千度，在更加明亮的光球衬托下，它就成为看起来像是没有什么亮光的暗黑的黑子了。

太阳风(solar wind),太阳风是太阳放射出的电子流（a stream of charged particles），在太阳风和地球磁场(magnetic field)的的交互作用中就产生了极光(aurora)。

从科学家的探索当中，太阳存在两个理论问题(theoretical problems):[if !supportLists]

1.     [endif]Faint Young Sun Paradox 黯淡太阳悖论 （TPO 22 lecture 2）

早期太阳的热量输出要比今天低25%到30%。换算成地球的平均表面温度，就会比现在低20℃左右，大概比水的冰点还要低10度，所以早期的太阳不足以将地球温暖成一个适宜生命存在的行星。但是地球上液态水（liquid water）的历史，却几乎可以一直追溯到地球形成之初。The Young Sun was 75% as bright as it is today. A weak star cannot sustain liquid water on Earth’s surface.

TPO22 L2当中提出了两种解释，第一种解释是虽然一开始阳光比较微弱（faint），但某种温室气体(greenhouse gas)让早期地球的大气能够囚禁更多热量。当时空气中的二氧化碳（carbon dioxide) 的含量的确比现在更高，但是还是不足以去弥补（compensate）缺乏的热量。后来，天文学家又提出另一种温室气体，氨气(ammonia)的含量也可以帮助提升热量，但是氨气会被紫外线（ultra-violet light ）破坏掉，所以也不可能。 第二种解释是光亮太阳解释(Bright Young Sun Solution)，早期太阳的质量(mass)实际上比理论中要更大一些，由于太阳风(solar wind)会导致太阳失去质量，太阳风可能比理论中更严重，导致失去的质量比我们所估计的更大。讲座中，professor是比较认可和相信第二种解释的。[if !supportLists]

2.     [endif]Corona heating problem 日冕加热理论

按照理论来说，离核反应区越近温度应该越高，但是光球层的温度在6，000开尔文（ kelvins）而太阳的大气层、即日冕的温度却在1，000，000到2，000，000开尔文。为什么离核区更远的日冕区域的温度要高于太阳表面？这是一个未解之谜（Unsolved problem）。Why is the Sun's Corona so much hotter than the Sun's surface?

目前有两种存在的可能的解释是：声波加热（wave heating），磁场重连（Magnetic re-connection theory）等造成日冕层更热。

Tpo22

月球是地球的唯一的自然卫星(natural satellite)。月球的地形主要分为：月球高地即月陆(highland)，环形山(crater)，月海(maria)，穹丘(domes)，皱岭(wrinkle ridges)等。月海并不是真的海，而是只是平原，比高地地势低。月球质量小，产生不了足够的引力，无法将气体分子吸附在月球的表面，被认为是真空环绕的。

月球的背面(far side)，从地球上始终不能完全看见，月球两个半球的特征有着显著的不同，正面有许多巨大的月海；另一边受到撞击，有着密集的陨石坑（meteor crater/impact crater），而南极－艾托肯盆地(South Pole-Aitken basin)是月球上最大的撞击坑。它也是被公认在月球上最大，最古老和最深的盆地。

此外，环形山(crater)也是月球表面的显著特征，几乎布满整个月球，环形山这个名字是伽里略(Galileo)起的。环形山的形成有两种说法：“撞击说”（meteorite impact hypothesis）与“火山说”(volcanoes hypothesis)。“撞击说” 指的是月球因被其他行星撞击而有现今人类所看到的环形山。“火山说”指的是月球上本有很多火山，最后火山爆发(eruption)而形成的环形山。

Tpo 05

类地行星 (Terrestrial planets)

类地行星包含水星 (Mercury)、 金星(Venus)、地球(Earth)、火星(Mars)。类地行星主要组成成分是rock 和metal。金星、地球、火星表面都覆盖一层大气层atmosphere。所有类地行星表面都有陨石坑(impact craters)和一些表面构造特征(tectonic surface features)比如裂谷(rift valleys)，火山(volcanoes)。

火星 (Mars)

火星是太阳系中第二小的行星，天文学中把地球与火星称为兄弟行星，自转轴倾角（axial tilt）、自转周期(rotation period)均与地球相近，公转(revolution around the sun)一周约为地球公转时间的两倍。火星表面富含氧化铁(iron oxide)，这使它表面看起来是微红的(reddish)。所以在听力中我们也经常听到使用“red planet”来代指火星。火星大气层主要含有二氧化碳(carbon dioxide)。火星表面布满火山(volcanoes)、裂谷(rift valleys)。 火星有两个小型的自然卫星(natural satellites/moons)，火卫一(Phobos)与火卫二(Deimos)。

地球和火星         

火星的轨道 (orbit) 是椭圆形(oval, elliptical)。火星的大气密度(density)只有地球的大约1%，非常干燥，温度低，表面平均温度零下55℃，水和二氧化碳易冻结(freeze)。但由于缺少地球的板块运动(tectonic plate movement)，火星无法使二氧化碳再次循环到它的大气中，从而无法产生意义重大的温室效应(green house effect)。因此，即使把它拉到与地球距太阳同等距离的位置，火星表面的温度仍比地球上的冷得多。

关于火星是否存在液态水，是否存在生命的问题一直是天文学界的热议话题，同时也是托福考试的高频话题。2013年12月9日，美国“好奇”号火星着陆探测器（robotic rover Curiosity）有重大发现科学家想象中的火星液态水，在火星上发现了存在古湖泊的证据，湖里的水可能是可以饮用的淡水。这是当地曾经长期存在湿润环境，并有简单生命出现的证据。2015年9月28日，美国航天局NASA由火星勘测轨道飞行器（MRO，Mars Reconnaissance Orbiter）提供的强有力的数据表明，目前在火星表面存在流动的流动水（flowing water）。火星侦察轨道器环绕火星运行，对火星进行化学分析。人们发现有深色条斜坡纹线季节性出现在图像里，对黑色条纹进行化学分析后发现，这是从火星的山上留下的盐水。盐水会在深春出现，流过夏季，在秋季消失。

Tpo30 L3

金星 (Venus)

金星没有自然卫星。 大小和地球差不多，和地球一样有含铁核心 (iron core) ，很厚的硅酸盐地幔 (silicate mantle)，极厚的大气层 (substantial atmosphere) ，其中96%是二氧化碳，少量的氮气Nitrogen。金星在夜空中亮度仅次于月球，排第二。它有时清晨出现在东方天空，被称为"启明星"。

金星大气层中的二氧化碳carbon dioxide和含有二氧化硫的厚云thick cloud of sulfur dioxide产生强烈的温室效应greenhouse effect，这使金星表面温度超过400摄氏度，成为太阳系中温度最高的行星。所以科学家认为，金星曾经可能有水，但由于后期剧烈的温室效应导致温度变高而蒸发掉了。所以金星上现在是没有地表水（surface water）的。金星上地质特征也很丰富，有峡谷(canyons)，山谷(ripped valleys)，陨石坑(craters)，火山(volcanoes)。

金星没有自然卫星。 大小和地球差不多，和地球一样有含铁核心 (iron core) ，很厚的硅酸盐地幔 (silicate mantle)，极厚的大气层 (substantial atmosphere) ，其中96%是二氧化碳，少量的氮气Nitrogen。金星在夜空中亮度仅次于月球，排第二。它有时清晨出现在东方天空，被称为"启明星"。

金星大气层中的二氧化碳carbon dioxide和含有二氧化硫的厚云thick cloud of sulfur dioxide产生强烈的温室效应greenhouse effect，这使金星表面温度超过400摄氏度，成为太阳系中温度最高的行星。所以科学家认为，金星曾经可能有水，但由于后期剧烈的温室效应导致温度变高而蒸发掉了。所以金星上现在是没有地表水（surface water）的。金星上地质特征也很丰富，有峡谷(canyons)，山谷(ripped valleys)，陨石坑(craters)，火山(volcanoes).

金星没有像地球那样的可移动的板块构造（moving tectonic plate），但是却有大量的有规律的火山喷发(volcanic eruption)遍布金星表面。金星上可谓火山密布，是太阳系中拥有火山数量最多的行星。火山造型各异,除了较普遍的盾状火山，这里还有很多复杂的火山特征，和特殊的火山构造。盾状火山(shield volcanoes)，因其形状看着像战士的盾牌shield而得名。TPO24 Lecture4 当中就对此进行了考查，盾形火山是由于岩浆反复从一个地方喷出地表而形成的。并且强调了magma 和 lava的区别，magma是在地下热的熔化了的岩石，流出地表后称为lava。并与地球的火山进行了对比，地球上火山分布比较集中，而金星上火山分布十分随机（randomly scattered），这说明金星没有移动的地质板块。而地球上也存在盾形火山，在太平洋的夏威夷岛。并且科学家无法肯定金山上的火山是否是活火山（active volcano），因为目前为止没有人真正的见到过金星的火山爆发。

Tpo 24 L4

气体巨行星(Gas Giants)

气体巨行星又称类木行星(Jovian planets), 类木行星的体积和质量要比类地行星大很多，类木行星的主要成分是气体(gas)。 木星(Jupiter),土星(Saturn)主要由氢气(Hydrogen)和氦气(Helium)组成。

天王星Uranus，海王星Neptune主要由甲烷Methane和氨气Ammonia组成，并且主要以冰ice的形式存在，所以也称为ice giants.类木行星都有环 (rings) ，其中土星Saturn的环可以从地球上明显观察到。

土星(Saturn)

土星周围有一圈环状物rings，气体组成成份和木星类似，主要由氢气Hydrogen和氦气Helium组成。环状物rings主要包含一些小冰块和岩石颗粒 (rock particles)。土星的卫星(moon)总共有62颗，其中土卫六(Titan)是土星系统中最大和太阳系中第二大的卫星。土卫六上的表面重力极低，和月球相当，但又拥有浓厚大气层。土卫六比水星还要大很多，有着广阔的大气层，主要成分是氮气(nitrogen)和一点点甲烷(methane) 和乙烷(ethane), 所以需要用雷达观测它。在它的表面，科学家发现了湖泊，但是这块地方并不是液态水，它实际上是甲烷。

人类研究发现，土卫六就是45亿年前的地球。 泰坦具有两个生命偏爱的特征，那就是沸腾的有机化合物和浓密的有保护性的大气层(atmosphere)。泰坦(Titan)是太阳系唯一拥有合格大气层的卫星(moon)，也是太阳系4个仅有的有着浓密大气层的岩石质星球之一，其它几个分别是地球、火星和金星。在某些方面，泰坦的大气层最像地球。它的大气主要由氮气组成，气压略高于地球。它上面甚至有云，只是这些云的成分是甲烷和其它碳氢化合物，而不是水。很多太空生物学家渴望把土卫六大气作为地球大气的原型去研究，希望能够发现地球生命出现前，复杂有机分子是怎样产生的。

土卫六上的氰和烃在一定情况下可生成腈，再被星球上的水冰水解，生成羧酸和胺类物质，而这两者还可以生成具有重大意义的氨基酸 (amino acid)。不过，土卫六上也存在制约生命存在的重要因素。一是温度过低，二是尚未发现液态水 (liquid) 的存在，三是土卫六没有磁场(magnetic field)的保护，所以当它有时运行在土星的磁气层外时，便直接暴露在太阳风之下，辐射可能使生命无法存在。

小行星带(Asteroid Belt)与彗星（Comets）

小行星带坐落于火星Mars和木星Jupiter之间，小行星的成分和类地行星相似，由rock和metal组成。谷神星Ceres是小行星带中最大的一颗，现在被称为矮行星dwarf planet。Ceres在1801年发现的时候被误认作行星planet，1850年的时候被重新归为小行星，2006年的时候被划为矮行星。

彗星(Comets)与小行星类似，但是组成成分中所含甲烷或氨等冰质比较多，所以整个结构比较松散。

比小行星小的太空岩石碎屑一般统称为流星体(meteoroids)，流星体根据他们进入地球的状态又分为流星(meteors)与陨石(meteorite),在TPO13lecture4 与TPO26Lecture3中进行了考查：

流星(meteors)：主要是指我们在夜晚星空中看到的流星体进入地球大气后，与大气摩擦生热的现象，而不是指流星体本身。

陨石(meteorites)：如果流星体的一部分碎屑熬过地球大气的煎熬，最终着陆于地球，这些坠落的石块碎屑称为陨石。