简明天文学教程第二版第七章答案 余明主编

第七章太阳系
1.托勒密的宇宙地心体系的要点是什么？现代人的评价如何？
答：要点：
（1）地球位于宇宙中心静止不动。

（2）每个行星都在一个叫"本轮"的小圆形轨道上匀速转动，但地球不是均轮中心，而是与圆心有一定的距离。

他用这两种运动的复合来解释行星运动中的顺行、逆行、合、留等现象。

（3）水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的连线上，本轮中心在均轮上一年转一周；火星、木星和土星到它们各自的本轮中心的连线始终与地球到太阳连线平行，这三颗星每年绕其本轮中心转一周。

（4）恒星都位于被称为"恒星天"的固体壳层上，日、月、行星除上述运动外，还与恒星一起每天绕地球转一周，以此解释各种天体的每天东升西落现象。

现代人的评价：托勒密的宇宙地心体系是错误的，是唯心的。

但是，在当时条件下，它所推算出的行星位置与实际观测结果，是相当符合的。

当时认为这个宇宙体系似乎是合乎情理的完美的数学图解。

只是后来被教会所利用，成为上帝创造世界的理论支柱。

2.哥白尼的宇宙日心体系的要点是什么？现代人评价如何？
答：要点：
（1）地球不是宇宙的中心，太阳才是宇宙的中心。

太阳运行的一年周期是地球每年绕太阳公转一周的反映。

（2）水星、金星、火星、木星、土星五颗行星同地球一样，都在圆形轨道上匀速地绕太阳公转。

（3）月球是地球的卫星，它在以地球为中心的圆轨道上每月绕地球转一周，同时月球又跟地球一起绕太阳公转。

（4）地球每天自转一周，天穹实际不转动，因地球自转，才出现日月星辰每天东升西没的周日运动，是地球自转运动的反映。

（5）恒星离地球比太阳远得多。

现代人的评价：由于科学水平及时代的局限，哥白尼的日心体系也有缺陷。

主要有三个：①把太阳作为宇宙的中心，且认为恒星天是坚硬的恒星天壳；②保留了地心说中的行星运动的完美的圆形轨道；③认为地球匀速运动。

然而哥白尼是第一个以科学向神权挑战的人，他的历史功绩在于确认了地球不是宇宙的中心，从而给天文学带来了一场根本性革命。

哥白尼的宇宙日心体系是人类对天体和宇宙的认识过程中的一次飞跃，是唯物主义认识的胜利。

3.太阳的基本结构如何？有何特点？
答：太阳从中心到边缘可以分为核反应区、辐射区、对流区和太阳大气几个组成部分。

太阳大气由里向外又可分为光球、色球和日冕三个层次。

（1）核反应区是太阳的产能区。

这里进行着四个氢核聚变成一个氦的热核反应。

在反应中损失的质量变成了能量，这样才能连续不断地维持着太阳辐射。

（2）辐射区辐射从内部向外部转移过程是多次被物质吸收而又再次发射的过程。

因此，从太阳核心到表面的行程，就逐步降低它的频率，变为硬X射线，软X射线，远紫外线，最后以可见光的形式和能量更低的其它形式向外辐射。

从太阳内部向外部的温度变化必须保证各层次的辐射压强和重力的平衡，才能维持太阳整体的平衡和稳定。

（3）对流区能量主要靠对流向外传播。

在这里，由于外层氢的电离造成此层内气体比热增
加，破坏了辐射平衡所要求的温度梯度，从而破坏了流体静力学平衡，产生流动，进而发展为湍流，湍流区会产生噪声，即低频率的声波。

对流区及其下面部分是看不见的，合称为太阳内部或太阳本体。

它们的性质只能靠同观测符合的理论计算来确定，对于太阳大气，其性质主要由观测来确定。

（4）光球层实际上是一个非常薄的发光球层。

就是我们用肉眼看到的太阳圆盘。

光球中布满米粒组织，在光球的活动区，有太阳黑子、光斑。

（5）色球层实际上是由一种细长的炽热物质构成的。

色球的亮度只有光球的万分之一。

由于磁场的不稳定性，色球经常产生激烈的耀斑爆发，以及与耀斑共生的日珥等，色球层随高度增加，密度急剧下降。

（6）日冕是极端稀薄的气体层，它的亮度比色球更暗。

它主要是由高度电离的离子和高速的自由电子组成，日冕物质以很高的速度向外膨胀，形成所谓的"太阳风"。

4.根据大行星的特性，简述行星有几种分类？
答：行星的划分有三种：
（1）以地球轨道为界，以内的叫地内行星，以外的叫地外行星；
（2）以小行星带为界，以内的叫内行星，以外的叫外行星；
（3）根据行星的各种理化性质，过去人们把九大行星分成两类，即"类地行星"--包括水星、金星、地球和火星；"类木行星"--包括木星、土星、天王星和海王星。

冥王星属于哪类有不同的看法。

最近有人把行星分为三类，即水星、金星、地球和火星仍为"类地行星"，木星和土星为"巨行星"，天王星、海王星和冥王星均为"远日行星"。

5.太阳系中有特色的卫星举几例。

答：至2003年统计数据，人类发现的太阳系卫星有131颗，很多很有特色，例如：
（1）月球是地球的天然卫星。

（2）火卫一和火卫二的外形很像两块马铃薯。

它们自转与公转周期相同。

（3）木卫一近球体，是一颗干燥的星球，有广泛的平原和起伏不平的山脉，它的最大特点是有一些活火山。

木卫二是颗由厚厚冰层覆盖着的岩石球体。

木卫三不仅是木卫中最大的卫星，也是太阳系卫星中最大的一颗。

木卫四表面布满环形山。

木卫十三，被认为太阳系中最小的卫星。

（4）土卫六，是最先发现的一颗比月球还要大的土星卫星，也是太阳系中目前所知的唯一有大气的卫星。

土卫二，属于太阳系表面亮度最高的卫星。

（5）天王一至天王五属于规则卫星，但逆行。

（6）海卫一和海卫二，它们一大一小、一近一远、一逆行一顺行、一个轨道圆一个轨道扁。

（7）冥王星的卫星转动周期与冥王星的自转周期相同，是同步卫星。

6.太阳系小天体有哪些？有何特性？
答：太阳系中的小天体包括小行星、彗星和流星体等。

（1）小行星大多数分布在火星和木星轨道之间，构成小行星带。

它们绕太阳沿椭圆轨道运行，偏心率和与黄道的交角都比大行星大，而比彗星小。

小行星的大小和质量都是很小的。

小行星的表面反照率有很大的差异。

此外，还有一些不在小行星带内的小行星，如近地小行星。

近地小行星按轨道特点可以把它们分成三类：①阿坦型，其轨道半长径小于1.0天文单位；②阿波罗型，其轨道近日距小于1.0天文单位；③阿莫尔型，其近日距小于1.3天文单位。

（2）彗星由冰物质组成。

呈云雾状的较小天体，一般肉眼看不到。

彗星可分为周期彗星和非周期彗星，对于周期彗星又有长短之分，一般以长于200年周期的称为长周期彗星。

一个
发育完整的、运行到太阳附近的彗星则由彗核、彗发和彗尾组成。

（3）流星体的质量一般较小，大多数流星体只是很小的固体颗粒。

有些流星体是成群地沿着相似轨道绕太阳公转，只是过近日点先后不同，构成流星群。

当流星体在轨道运行中经过地球附近时，受地球引力的影响，就会高速闯入地球大气，跟大气摩擦而把动能转化为热能，使流星体燃烧发光，呈现为"流星现象"。

若流星体与地球大气摩擦燃烧未尽，落入地面则成为陨星，而地面坑称为"陨石坑"。

陨星一般分为三类，石陨星、铁陨星和石铁陨星。

7.说明狮子座流星雨的成因。

答：由于坦布尔--塔特尔彗星瓦解物构成的流星群在轨道运行中接近地球，受地球引力的影响，高速闯入地球大气。

人们在地球上观测好似从天空狮子座射出的流星雨，我们就以这个星座命名，称为狮子座流星雨。

因该流星群绕日周期约为33～34年，所以狮子座流星暴大约也是33～34年，但若受木星和土星引力摄动影响很大，流星群轨道会发生偏移，大规模的流星雨可能就不出现。

8.试说明地球与太阳系其它行星比较有那些独特的地方？。

答：首先它与太阳的距离适中，加上自转与公转周期相当，使得地球能均匀地接收适量的太阳辐射。

其次，地球的质量虽不大，但密度较大，由重元素组成，具有一层坚硬的岩石外壳，能贮存液态水。

第三，在地球引力作用下，大量气体聚集在地球周围，形成包围地球的大气层。

第四，地球大气中含氧丰富，高空氧在太阳紫外线作用下形成臭氧层，臭氧层吸收太阳紫外线辐射，使之不能到达地表。

第五，地球磁场在太阳风的作用下形成了磁层，它对太阳风带来的高能粒子具有阻挡及捕获作用，使地球上的有机体免受侵害。

第六，在类地天体上存在多种地质过程，地球是太阳系行星中唯一发生板块构造运动的星体。

第七，在月地系统中，月球对地球旋转轴的倾斜度起着稳定作用，这在其它行星中也是独有的。

可以说，目前地球是太阳系中唯一适合生命演化和人类发展的"得地独厚"的星球。

9.康德-拉普拉斯星云说的要点是什么？现代人如何评价？
答：康德星云说要点：太阳系的所有天体是从一团由大小不等的固体尘埃微粒所构成的弥漫物质形成的。

万有引力使得微粒互相接近。

天体在吸引力最强的地方开始形成。

先形成中心天体--太阳。

外面的微粒在太阳吸引下，向中心下落时与其他微粒碰撞，便斜着下落，绕太阳转动起来。

开始有不同的转动方向。

后来，有一个方向占了上风。

于是在太阳周围形成了一个转动着的固体微粒云。

这些转动着的微粒又逐渐形成几个引力中心，这些引力中心最后形成了朝同一方向绕太阳公转的行星。

行星的自转是由于落在行星上面的微粒把角动量加到行星上而产生的。

卫星的形成过程与行星类似。

离太阳越远的行星，密度越小。

提出了行星轨道偏心率和倾角的起源、行星的质量分布，卫星的形成、彗星的形成、土星的光环的形成等，比如认为土星光环是由于土星过近日点时，太阳的热使其轻物质上升，后来这些轻物质形成了土星环。

拉普拉斯星云说的要点：太阳系是一个气体星云收缩形成的。

星云最初体积比现在太阳系所占的空间大得多，大致呈球状。

温度很高，缓慢地自转着。

由于冷却，星云逐渐收缩，由于角动量守恒，星云收缩时转动速度加快。

在中心引力和离心力的联合作用下，星云越来越扁。

当星云赤道面边缘处气体质点的惯性离心力等于星云对它的吸引力时，这部分气体物质便停止收缩。

停留在原处，形成一个旋转气体环。

随着星云的继续冷却和收缩。

分离过程一次又一次地重演。

逐渐形成了和行星数目相等的多个气体环。

各环的位置大致就是今天行星的位置。

这样，星云的中心部分凝聚成太阳。

各环内，由于物质分布不均匀，密度较大的部分把密度较小的部分吸引过去。

逐渐形成了一些气团。

由于相互吸引，小气团又聚成大气团，最
后结合成行星。

刚形成的行星还是相当热的气体球，后来才逐渐冷却、收缩、凝固成固态的行星。

较大的行星在冷却收缩时又可能如上述那样分出一些气体环，形成卫星系统。

土星光环是由没结合成卫星的许多质点构成的。

现代人的评价：在康德时代，所掌握的太阳系的知识是很不充分的。

只发现了六颗大行星。

小的卫星、小行星都还没有发现。

对中心天体太阳，还不知道能源来自氢氦聚变，只认为它是一团火，在这样知识的基础上，康德得出太阳系起源的理论是很不容易的。

就康德星云说的主要观点来看，认为太阳和整个太阳系是由一团弥漫物质遵循力学规律，由内部的矛盾运动逐渐形成的，这个基本观点是正确的。

在今天看来仍是一个有科学根据的设想，仍然是今天天体演化学说的出发点，但康德对行星公转成因的论点则是错误的。

由于碰撞的随机性，很难出现公转一个方向占优势的倾向。

即使有一个方向占一些优势，获得的速度也一定很小。

它的离心力不足以克服中心吸引力，而这个问题在拉普拉斯的学说中解决得比较自然。

康德的星云说和拉普拉斯的星云说基本观点是一致的，都认为太阳系所有天体都是由同一原始星云按照客观规律逐步演变形成的。

由于科学水平的限制。

这两个学说也有不少的缺点和错误，他们都没有说明太阳系角动量分布异常的问题。

另外，拉普拉斯假定星云开始是热的也与现在的观测事实不符。

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，然后太阳星云变成星云盘，最后是星云盘中产生太阳和行星。

10.灾变说为什么不能正确地说明太阳系的起源问题？
答：灾变说有十几个，他们的共同点是都认为太阳系这样一个天体系统是宇宙间某一罕有的、巨大变动的产物。

第一个灾变说出现在星云说之前，是法国的动物学家布封于1745年提出的，他受到1680年大彗星扫过太阳的启发。

认为太阳形成后，有一巨大彗星掠碰到太阳边缘，使太阳旋转起来，同时碰出一些物质也绕太阳旋转，最后形成行星。

当时欧洲宗教反动势力还很强大，这个学说一发表就受到反动势力的迫害。

他被迫于1751年宣布放弃其看法。

这个学说否认上帝创世。

但它的科学内容是错误的。

大多数的灾变说都出现在康德和拉普拉斯星云说之后，他们企图以外来因素解决太阳系角动量的特殊分布问题，比较著名的学说有1900年美国地质学家章伯伦提出的"星子说"。

同年美国天文学家摩尔顿发展了这一学说。

他们认为，以前有一颗恒星运行到离太阳几百万公里的地方。

使太阳正面和反面激起两股巨大的潮，正面抛出的物质沿恒星离去的方向偏转，反面抛出的物质则相反方向偏转，它们逐渐化合成环绕太阳的星云盘，然后凝聚成许多固态质点，再聚成星子，最后形成行星。

1916年，英国天文学家金斯提出了著名的"潮汐说"。

他假定有一巨大的恒星接近太阳。

在它的作用下表面产生了很大的潮。

反面潮比正面潮小得多。

很快衰落。

正面潮相当大，物质被经过的恒星拉出来，逐渐脱离太阳，形成了个雪茄烟形的长条。

在恒星离开太阳的时候，它对长条的吸引使长条朝恒星离去的方向弯曲，并获得了角动量，以后这些物质就一直绕太阳转动，长条内气体凝聚，集结成各个行星，长条中部较粗，所以由中部物质形成的木星、土星较大。

金斯以后，又提出了不少灾变说，其中每一个都增加了更多的偶然因素。

如1929年捷弗里斯的"碰撞说"认为，另一颗恒星与太阳擦边相碰，这使太阳自转起来，碰出的物质形成了行星。

1936年里特顿发展了美国罗索的想法，提出了"双星说"认为太阳的伴星被第三颗恒星碰撞后，伴星和那个恒星朝不同的方向弹开了，中间拉出一长条物质，被太阳俘获，形成行星系。

1945年霍意尔提出"超新星说"，认为太阳的伴星是超新星，爆发后由于反弹作用离开了太阳，它抛出的一部分物质被太阳俘获后形成了行星，超新星抛出的物质包含许多重元素，这样可以说明地球和行星里重元素的来源，还有一些灾变说，都是为了说明观测事实，假设了许多因素。

银河系里恒星的空间密度很小，平均每35立方光年体积才有一颗恒星，所以两颗恒星接近到能起潮的机会是很小的。

经计算大约每两千亿年才有一次，能够碰撞的机会就更少了。

可是发现银河系内的行星系统可不是罕见的现象，观测表明，在离太阳相当
近的恒星中，就已经发现了十来颗恒星的周围有看不见的伴星，其中一部分伴星很可能是行星。

因为它们质量小，与行星差不多。

而灾变说只以机率很小的偶然因素解释行星系统的产生是普遍规律。

金斯说："地球和生命都是宇宙间例外的现象。

"事实上，这些灾变说也不能解释太阳系角动量特殊分布问题从太阳分出的物质很容易扩散，不可能凝聚成行星。

因此，这些学说都逐渐被否定了。

11.戴文赛的新星云说的要点是什么？他如何解释太阳系的主要特征？
答：要点：（1）银河星云靠自引力而收缩，内部出现旋涡流，便使这个原始的星云碎成上千个小云，其中的一个就是形成我们太阳系的原始星云--太阳星云。

（2）原始星云一面自转，一面因自吸引而收缩，在收缩过程中由于角动量守恒，自转逐渐加快，使星云逐渐变扁，当原始星云赤道处自转速度大到惯性离心力等于中心部分的引力时，这部分物质便不再收缩，而留在该距离处绕中心部分转动，原始星云的其他部分在继续收缩，不断有物质留在赤道附近，于是形成了扁扁的，内薄外厚的连续的星云盘。

原始星云在收缩中密度变大，最后演化为太阳，并且发出辐射。

（3）当星云盘中的固体微粒很小时，随着气体分子一起作布朗运动，相互碰撞，结合成较大的颗粒（称碰撞吸积），便可以在星云盘内形成薄薄的尘层。

当尘层物质密度增加到足够大时，就会出现引力不稳定性，尘层分裂瓦解为许多粒子团，粒子团可以经过自吸引而收缩，很快形成星子。

最大星子就成为行星胎，再进一步吸积小星子及残余物质而形成行星。

对太阳系主要特征的说明：
（1）行星轨道运动和自转：行星绕太阳公转轨道的共面性、同向性和近圆性，是它们在转动着的茫茫的尘层中形成的必然结果。

在尘层内刚形成的星子，起初绕太阳在近圆形的轨道上作开普勒运动。

因为太阳和行星是由同一星云组成的，所以太阳自转与行星公转方向必然相同。

行星自转起源于星子的撞击，即星子把角动量带给行星，一般说来，许多星子撞击的统计结果是行星顺向自转。

但是，如果行星形成晚期，有个质量为金星3%的大星子，从它原自转的反方向掠碰它的赤道面，就可使金星产生逆向自转，对于天王星，若有质量为其5%的大星子在它形成晚期掠撞它，就可使其变为侧向自转。

（2）行星的大小、质量和密度的分布：类地行星靠近太阳，温度高，星云盘中冰物质都挥发掉了，只有土物质凝聚，因此该区形成的行星密度大，质量小。

巨行星区温度比较低，只有一部分气物质挥发，土物质和冰物质都凝聚，因此该区形成的行星密度大，质量小。

巨行星区温度比较低，只有一部分气物质挥发，土物质和冰物质都凝聚，固体核吸积周围大量的气物质。

由于形成巨行星的原料多，且行星区宽度大，因此密度最小。

远日行星区离太阳最远，温度低，气体逃逸速度小，气物质很容易跑掉，而形成远日行星的物质主要是土物质和冰物质，所以它们的质量和密度都属于中等。

（3）太阳系角动量分布的说明：太阳角动量分布可用沙兹曼机制和磁耦合机制说明。

太阳在慢动力收缩阶段大量抛射带电粒子，这些物质在原太阳质量中虽占小部分，但却能带走绝大部分角动量。

太阳抛射出的物质，绝大部分并未进入星云盘。

（4）星子集聚形成行星过程中，星云盘内某区域的星子聚集成该区的行星。

因为星云盘的面密度自内向外减小，所以外边的行星区的宽度要比里边大才能有足够的物质来形成行星。