第2章 地球的宇宙环境.ppt

第二章 地球的宇宙环境 地球与空间 *1地球与空间 一、宇宙物质形态的总体特征 二、宇宙的基本“细胞”一恒星 三、银河系和星系 四、恒星的演化 五、宇宙的演化 第一节 我们的宇宙及其演化 Date2地球与空间 （一）宇宙是物质的 1.宇宙物质以多种形式存在： 电磁波 星际物质（气体、尘埃、粒子）弥散态天体 暗物质 积聚态天体（行星、恒星、星云） 一、宇宙物质形态的总体特征 Date3地球与空间 l2.天体系统 l天体常常聚集成群，组成一个个天体群 或集团这样的天体群或天体集团，称为 天体系统 l（1）天体系统有不同的级别 Date4地球与空间 （二）物质是运动的 宇宙物质因其质量和万有引力的存在而互相吸引 并相互绕转，构成不同等级的天体系统： Date5地球与空间 l（2）在我们的宇宙中，质量主要集中在 积聚态天体和天体系统中 l问题：在我们的宇宙中彼此相距非常遥 远的积聚态天体和天体系统是如何形成的 ？天体或天体系统会无限地收缩吗？ l由于万有引力的作用，我们的宇宙中的 物质或天体趋于积聚或聚集在广漠的空间 的一个个分离的小局部 Date6地球与空间 二、宇宙的基本“细胞”：恒星 1.恒星的基本特征 （1）由炽热气体组成，能自身发光的球状或类球状 天体。

（中心温度700万K以上） （2）化学组成主要以氢、氦为主 （3）质量巨大； （4）密度差异巨大 （5）距离地球遥远，看上去静止，实际速度极高 Date7地球与空间 l2.恒星的内部结构和物理过程 l 恒星的内部结构大体呈对称结构，或 同心圈层结构 Date8地球与空间 l恒星的斥力或膨胀因素 l恒星的缩合力量----自引力或重力 l恒星作为炽热的气体球，生存于这两种 主要力量的抗衡之中 Date9地球与空间 l3.不同恒星的差异与 分类 l赫罗图是丹麦天文学 家赫茨普龙及由美国天 文学家罗素分别于1911 年和1913年各自独立提 出的 l赫罗图是恒星的光谱 类型与光度之关系图， 赫罗图的纵轴是光度与 绝对星等，而横轴则是 光谱类型及恒星的表面 温度，从左向右递减 Date10地球与空间 Date11地球与空间 l恒星在赫罗图上几个区域的分布，还具 有重要的恒星演化的意义 l（1）恒星质量与光度的关系 l（2）赫罗图右上方的红巨星或超巨星的 温度较低，但光度却较高或很高 l （3）赫罗图中下方的白矮星，温度不低 ，光度很低 l 致密星----白矮星、中子星、黑洞 l（4）主星序：左上角至右下角。

Date12地球与空间 1.银河系的组成 由众多恒星及星际物质组成像太阳这样的恒星 有2000多亿颗 恒星：双星 聚星 星团（球状星团、疏散星团） 星际物质 弥漫在恒星之间的星际气体和尘埃 三、银河系和星系 Date13地球与空间 l2.银河系的结构 l（1）核球：银河系中心物质最密集的部 分 l（2）银盘：内厚外薄，内有旋臂结构 P61 T2-5 l（3）银晕：银盘上下两侧物质较为稀薄 的部分 Date14地球与空间 l3.银河系的形状 l侧视：像个中间厚四周薄的铁饼 l俯视：像个大漩涡，四条旋臂从中心伸 出 l4.银河系的大小 l银河系的直径约10万光年 Date15地球与空间 Date16地球与空间 Date17地球与空间 侧面：中间凸起的大透镜（大多数恒星和星际物质 密集在银河系中心平面附近） 银河系侧面图 更远地看 Date18地球与空间 银河系正面图 银河系正面看 像一个庞大的车 轮状的漩涡系 统，有四条旋 臂从中间伸出 Date19地球与空间 Date20地球与空间 5.太阳系的位置 Date21地球与空间 由众多恒星及星际物质组成像太阳这样 的恒星有2000多亿颗 银河系的直径约10万光年 侧视：像个中间厚四周薄的铁饼。

俯视：像个大漩涡，四条旋臂从中心伸出 位于银河系的一条旋臂上，距银河系中心 约3万光年 银盘、核球、银晕 Date22地球与空间 6.星系和总星系 浩瀚的宇宙中，银河系只是普通一员， 在银河系以外，还有许多象银河系一样，是 由千百亿颗恒星组成的，天文学家称它们为 “河外星系”或“星系” Date23地球与空间 仙女座星系 Date24地球与空间 猎户座大星云 Date25地球与空间 室女座河外星系 Date26地球与空间 唧筒旋涡星座 Date27地球与空间 宝瓶座环状星云 Date28地球与空间 互扰星系 Date29地球与空间 望远镜里看起来星系的形态各异，有 的椭圆，有的像巨大的旋涡现在已知的 ，无边无际的宇宙中大约有10亿个河外星 系星系离我们都很远，最远的超过100亿 光年 宇宙---总星系 银河系 河外星系（星系） 约10亿个 太阳系 其他恒星世界 地月系 其他行星世界 地球 月球 Date30地球与空间 四、恒星的演化 1.弥漫星云阶段：星云物质在凝聚作用下形成密集气体球 2.主序阶段：质量密集，升温后点燃核火 3.红巨星阶段：核心收缩，升温点燃氦的热核反 应； 外层膨胀，体积增大。

4.白矮星阶段：白光，高温，逐渐冷却 Date31地球与空间 Date32地球与空间 宇宙最初的形态 五、宇宙的演化 Date33地球与空间 1.大爆炸中诞生的宇宙：3分钟造就一个宇宙 Date34地球与空间 简言之 早期 现在 温度：极高 降低 密度：极大 变小 体积：极小 变大 物质：基本 各样 粒子 恒星 形态 体系 物质 宇宙 中子衰变 化学元素形成 气体凝成气云 如同一次规模巨大的爆炸 Date35地球与空间 宇宙最初演化史 — 3分45秒 l宇宙年龄 = 0.01秒 温度 1011K 一团混沌 l宇宙年龄= 1.1秒 温度 1010K 出现电子、中子、质子 l宇宙年龄 = 3分钟 温度 109 K 开始形成元素氢、氦 l宇宙年龄 = 3分45秒 宇宙基本成形 Date36地球与空间 l大爆炸后30万年后：约3000度，化学结 合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为 气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成 密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系 统 Date37地球与空间 约在大爆炸后50 - 100万年 l热核爆炸 l首先由电子和质子合成氢原 子 l接着是氦原子也大量生成 l随后其他所有元素的原子从 轻到重依次聚合而成(达到1% 以上的元素铁钴镍为极限) Date38地球与空间 爆炸后100万年到20亿年 l逐步形成各类天体星 系 Date39地球与空间 l2.太阳的诞生及其对地球起源意义 l大约在50亿年前，银盘内一条悬臂中的 一块较大的星云，很可能是在附近一颗超 新星爆发的激波冲击下开始收缩，并瓦解 城很多小云。

其中一块大约1—2个太阳的 小星云成为太阳的前身，且太阳最终未与 其他恒星结合成双星或聚星 Date40地球与空间 l太阳诞生的时间和环境对地球起源意义 l（1）太阳诞生时，宇宙空间已有足够多 的较重元素和放射性元素，得以形成太阳 系各类天体 l（2）太阳是一颗单星 Date41地球与空间 一、太阳 二、行星及其环绕天体 三、太阳系中的小天体 四、太阳系的演化和地球的起源 第二节 太阳和太阳系 Date42地球与空间 一、太阳 1.太阳综述 太阳——具备普通恒星所有的一切特征 （氢和氦，气体物质组成；极大的质量；炽热 ） （但对地球来说，其为重要） 1）巨大的引力使地球绕日公转 2）地球上能量的主要来源（光、热、煤炭、石油 、天然气、水力、风力） 3）太阳决定了自然地理环境的形成、演化，维持 生态系统的平衡 Date43地球与空间 太阳与太阳系 Date44地球与空间 1）日地距离：1672年法国天文学家卡西尼根据克普勒第三 定律测算出日地距离：1.5亿公里 现代测算：日地距离为149597892公里 2）根据太阳视半径和日地距离计算出太阳半径 R=69.6万公里 太阳表面积与体积计算见讲义P38 3）根据万有引力定律算出它的质量 M=1.989×1027吨（1989亿亿亿吨） 4）太阳的平均密度：1.41g/cm3 太阳的距离、大小和质量 Date45地球与空间 1）总热能：以日地距离为半径的球表面积乘以太阳常数 E=4πR2·K =3.826×1026J/s R日地距离 太阳常数K=8.25J/cm2·min（1AU天文单位） 2）地球得到的太阳热能E=πR 2·K =1.74×1017J/s R地球半径 仅占太阳总能量的22亿分之一 3）太阳的温度： 光球表面温度：5770K （5500℃） 核心温度： 1500万K 色球温度： 10万K 日冕温度： 100万K 太阳的热能、温度和热源 Date46地球与空间 这是美国宇航局于2007年3月21日发布的由“太阳-B”观测 卫星拍摄的太阳图片，揭示了太阳光球和日冕之间色球层的动 态特性。

美国宇航局当日发布一批“太阳-B”观测卫星拍下的 高质量太阳图片，并称这些“前所未见”的太阳观测图像显示 ，太阳磁场比人类此前知道的要狂暴得多、动态得多 Date47地球与空间 l2.太阳内部圈层结构和太阳能的产生与输送 l根据物理属性分为： l核心 l辐射层 l对流层 l太阳表层 Date48地球与空间 Date49地球与空间 （ 1）日核 太阳的中心核反应区约占太阳半径的 20 ％，集中 了太阳质量的一半高温高压使这里的氢原子核聚 变为氦 （ 2）辐射区 范围：0.25 ~ 0.86 太阳半径，边缘温度约为 70 万k 辐射：射线→ X 射线 →极紫外线→紫外线逐渐 变为→可见光和其他形式的辐射 Date50地球与空间 （ 3）对流层 ：在辐射区外侧，太阳气体呈对流的 不稳定状态，厚度大约 14 万km 温度、压力和密度变化梯度很大，物质径向对流强 烈又不均匀，可产生低频声波，将机械能通过光球 传输到太阳的外层大气 （ 4）表层 ： Date51地球与空间 太阳大气的结构 Date52地球与空间 3.太阳外部圈层 l（1）光球层 ：厚度为500km的不透明的黄色 气体薄层，温度约 5770 k（太阳的平均有效温度 ）。

l光球层发射几乎全部可见光 l光球层上最显著的现象是太阳黑子 l在光球层有“米粒”、“超米粒”组织， “米粒”组 织直径约 1000 到 2000 公里 ，寿命约十分钟；“ 超米粒”组织，尺度达 三万公里 左右，寿命约 20 小时 Date53地球与空间 （ 2）色球层 红色的色球层厚度约1500km 色球层温度： 4500 k——8000 k——50000 k 日珥——色球上玫瑰红色的舌状气体如烈火升腾，大 的日珥高于日面几十万公里 色球上有许多挺拔的针状物、彩色的谱斑、细细的网 纹、冲天的日浪、耀斑 耀斑——在色球与日冕之间有时会突然发生剧烈的爆 发现象 Date54地球与空间 （ 3）日冕 太阳的最外层大气 由高温、低密度的等 离子体组成日冕温 度达一二百万开高 温使气体获得克服太 阳引力的动能，形成 不断发射的较稳定粒 子流太阳风，是造成 彗星尾背向太阳的主 要动力 日全食时看到的日冕 Date55地球与空间 太阳风 Date56地球与空间 这是美国宇航局2007年3月21日发布的由“太阳-B”观 测卫星拍摄的太阳图片，显示太阳黑子垂直上方磁场向外 扩散的情形 Date57地球与空间 （扰动太阳时，产生的光、磁、电、热等能量突变现象） 1.太阳活动最明显标志——黑子（出现的时间较长） （1）是巨大的气体漩涡、温度偏低，约4500K； （2）在太阳赤道两侧成对出现； （3）由于太阳自转，基本表现为匀速位移； （4）有以11年为周期的盛衰变化。

2.太阳活动最剧烈的能量爆发——太阳耀斑（出现时间短） 来势猛，能量大，时间短暂 对地球的影响：电离层骚动；磁暴；极光现象 3.其它太阳活动表现形式：光斑、日珥等 4.太阳活动 Date58地球与空间 周。