空间物理课件：Moon-2010.ppt

1、 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 1凤凰传奇凤凰传奇 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 2月球，俗称月亮，古称太阴，是环绕地月球，俗称月亮，古称太阴，是环绕地球运行的一颗卫星。它是地球唯一的一球运行的一颗卫星。它是地球唯一的一颗天然卫星，也是离地球最近的天体（颗天然卫星，也是离地球最近的天体（与地球之间的平均距离是与地球之间的平均距离是3838万公里）。万公里）。摄影师拍到的罕见：融化的红月亮融化的红月亮地点：二教地点：二教307，时间，时间: 本周五晚本周五晚7-9点点 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 3月亮月亮 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 4月亮的美称与雅号月亮的美称与雅

2、号 玉兔、夜光、素娥、冰轮、玉轮、玉蟾、桂魄、蟾蜍、顾兔、婵娟、玉弓、玉桂、玉盘、玉钩、玉镜、冰镜、广寒宫、嫦娥、玉羊等。 玉兔(著意登楼瞻玉兔，何人张幕遮银阙辛弃疾)； 夜光(夜光何德，死则又育？屈原)； 素娥(素娥即月亮之别称幼学琼林)； 冰轮(玉钩定谁挂，冰轮了无辙陆游)； 玉轮(玉轮轧露湿团光，鸾佩相逢桂香陌李贺)； 玉蟾(凉宵烟霭外，三五玉蟾秋方干)； 桂魄(桂魄飞来光射处，冷浸一天秋碧苏轼)； 蟾蜍(闽国扬帆去，蟾蜍亏复团贾岛)； 顾兔(阳鸟未出谷，顾兔半藏身李白)； 婵娟婵娟( (但愿人长久，千里共婵娟但愿人长久，千里共婵娟苏轼苏轼)； 玉盘(小时不识月，呼作白玉盘李白)；(5)

3、阴历定月阴历定月的依据是月亮的运动规律：月球运行的轨道-“白道，白道与黄道两个圆面，以五度九分五度九分而斜交，月球绕地球一周，出没于黄道者两次，历27日7小时43分11.5秒，为月球公转一周所需的时间，谓之“恒星月”。而当月球绕地球之时，地球因公转而位置也有变动，为27度左右，而月球每日行13度15分，故月球自合朔，全绕地球一周，复至合朔，实需29日12时44分2.8秒，称为“朔望月”，习俗所谓一个月，即指朔望月。(6)Image of the Image of the North PoleNorth Pole With With the Moonthe Moon at its Closest

4、 Point at its Closest Point 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 7 在西方文化里，月圆之夜通常与暂时性失眠、精神病（如间歇性精神错乱、癫痫）和变狼妄想症等各种不可思议的现象联系在一起。然而，心理学家认为没有有力证据证明满月期间有客观因素影响人类的行为。 在神话中，月亮之神是象征月亮或和月亮相关的神。虽然这些神被赋予的神力取决于不同的地方文化，但相同的是他们多与太阳神一起被提及或者被认为是太阳神的敌对者。 “满月效应”涉及社会学、心理学和生理学等范畴，但这是一个不科学的理论。它认为人类的反常举动与月亮运行周期有关，把月相变化与人类行为相关联的这一观点经不起严谨的科学推

5、敲。在过去的30年里，更多的证据揭示“满月效应”只不过是伪科学。(8)上世纪80年代，美国人丹尼斯霍普发现联合国1967年制定的外层空间条约有漏洞，即在这份外太空条约中，所有联合国成员都签署并同意外 太空天体的主权不为任何一个国家所有，但该条约却没规定私人不可以拥有外太空星体。于是丹尼斯霍普(Dennis Hope, 1980) 向当地法院、美国、前苏联和联合国递交了一份所有权声 明，宣布丹尼斯霍普为月球、太阳系除地球外的8大行星及其卫星的土地拥有者。Two British estate agents Sue and Francis Williams have finally topped t

6、he weird property market by selling 4,000,000 worth of land on the moon. 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 9(10) 平均赤道半径平均赤道半径: ae = 1738.0公里公里平均半径平均半径: a = 1737.4 公里公里赤道重力加速度赤道重力加速度: ge = 1.618 米米/秒秒2平均自转周期平均自转周期: T = 27.32166 天天扁率扁率: f = 0.006质量质量: M = 0.07348 1024 公斤公斤月心引力常数月心引力常数: GM = 4.9027934551012 米米3/秒秒2平均密

7、度平均密度: e = 3.34 克克/厘米厘米3地月质量比：地月质量比： E/M = 81.30068离地球平均距离离地球平均距离: R = 384400 公里公里逃逸速度逃逸速度: v = 2.38 公里公里/秒秒表面温度表面温度:t = -120 +150表面大气压表面大气压:p = 1.3 10-10帕帕（晚上）（晚上） p = 1.0 10-7帕帕（白天）（白天） 大气成分： Ar,He,Na,K,H,Rn月球的基本参数月球的基本参数(11)(12)月球环绕地球运行的轨月球环绕地球运行的轨道并不是一个圆形，而道并不是一个圆形，而是一个椭圆形，因此月是一个椭圆形，因此月球每次环绕一周时，

8、地球每次环绕一周时，地球中心与月球中心的距球中心与月球中心的距离是不断变化的。当月离是不断变化的。当月球抵达近地点时，与地球抵达近地点时，与地球的球的 距离为距离为363300363300公公里时，在地球上月球呈里时，在地球上月球呈现出最大的满月现出最大的满月; ;当月球当月球抵达远地点时，与地球抵达远地点时，与地球的距离为的距离为405500405500公里时，公里时，在地球上月球呈现出最小的满月。最小在地球上月球呈现出最小的满月。最小 满月比最大满月满月比最大满月小小14%14%，但亮度却增加，但亮度却增加30%30%。实际上最大满月和最小满月。实际上最大满月和最小满月之间并不是月球体积变

9、大，只是它与地球的距离发生变化之间并不是月球体积变大，只是它与地球的距离发生变化而已而已。 远地点远地点 近地点近地点1.6 x 1.14 - 1.82 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 13钱塘潮钱塘潮14太阳、月球、地球在同一直线可接近同一直线，而月球的本影长度足够长，那就会发生日全食，几乎每年都会发生日食，但日食的区域很小，并且经常会落在海洋 上，所以一般人很少可以看到日食，而日全食的区域更小。平均一个地区要400年才会发生一次日全食。酒泉.金塔, 2008年8月15The Moon passing in front of the Sun, from the STEREO-B spac

10、ecraftThe 1999 solar eclipseThe Sun, the Moon, Antarctica, and two photographers all lined up in 2003 Antarctica during an unusual total eclipse of the Sun. Credit: Fred Bruenjes 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 16(17)14世纪之末万户，人类第世纪之末万户，人类第一个试图一个试图“飞天飞天”人人1969年年7月月20日人类在月球上第一日人类在月球上第一个脚印个脚印.第一个登月人是第一个登月人是Neil Arms

11、trong（ Apollo 11, 1969年7月20日 ），到目前为止最后一人是到目前为止最后一人是Eugene Cernan （ Apollo 17， 1972年12月）(18)世界第一个实现靠近飞月计划的是前苏联的“月球1号”。但据美国火箭学家赫伯特S基姆(HerbertSZim)在1945年出版的火箭和喷气发动机记载，人类第一次有记录的“登月计划”则来自中国明朝的木匠万户。火箭和喷气发动机介绍说:“约当1414世纪之末，有一位中国的官吏叫万户，世纪之末，有一位中国的官吏叫万户，他在一把座椅的背后，装上他在一把座椅的背后，装上4747枚当时能买枚当时能买到的最大火箭。他把自己捆绑在椅子的

12、前边，到的最大火箭。他把自己捆绑在椅子的前边，两只手各拿一个大风筝。然后叫他的仆人同两只手各拿一个大风筝。然后叫他的仆人同时点燃时点燃4747枚大火箭，其目的是想借火箭向枚大火箭，其目的是想借火箭向上推进的力量，加上风筝上升的力量飞向前上推进的力量，加上风筝上升的力量飞向前方，他的目标是月亮方，他的目标是月亮”于北大物理楼10/28/09(19)l第一个飞越月球的探测器第一个飞越月球的探测器Luna12 January 1959 l第一个硬着月的探测器第一个硬着月的探测器Luna2on September 14, 1959l第一个月球背面照相的探测器第一个月球背面照相的探测器Luna3onOc

13、tober7,1959l首次在月球表面软着陆首次在月球表面软着陆Luna-9onFebruary 3, 1966l第一个环月探测器第一个环月探测器Luna10March 31, 1966l美国于美国于1968年年12月发射的月发射的Apollo8，是第一艘载人的环月飞，是第一艘载人的环月飞船船；这是人类眼睛第一次看见月球背面。；这是人类眼睛第一次看见月球背面。l1969年年7月月20日，美国日，美国Apollo11号载人飞船成功登月，并从号载人飞船成功登月，并从月球带回月球带回21.7kg的土壤和岩石样品，这是人类首次踏上月球。的土壤和岩石样品，这是人类首次踏上月球。 U.S. Preside

14、nt John F. Kennedy proposed the national goal of landing a man on the Moon. Speaking to a Joint Session of Congress , he said First, I believe that this nation should commit itself to achieving the goal, before this decade is out, of landing a man on the Moon and returning him safely to the earth. N

15、o single space project in this period will be more impressive to mankind, or more important for the long-range exploration of space.第一张月球背面照片第一张月球背面照片(20)l建造新的飞船建造新的飞船”乘员探索飞行乘员探索飞行器器”(CEV)l利用航天飞机的推进技术利用航天飞机的推进技术,研制新型研制新型运载火箭运载火箭l2018年将年将4名宇航员送到月球名宇航员送到月球The Apollo 11 crew portrait. Left to right are

16、 Neil ArmstrongNeil Armstrong, Michael Collins, and Buzz AldrinBuzz Aldrin. .阿波罗13号终于安全返回 (NASA)(21)朝向地球 背向地球 （月海很少）(22)(23)l图中兰色区域为图中兰色区域为AitkenBasin，直径，直径2500km，深，深12km，是太阳系最大的撞击是太阳系最大的撞击坑坑(24)l大的暗区称为大的暗区称为“月海月海”;l月面上有月面上有22个月海，其中有个月海，其中有19个个在朝向地球的半个月球在朝向地球的半个月球;l月陆又常称作月陆又常称作高地高地，是月面上亮，是月面上亮的一些区域，

17、比月海高的一些区域，比月海高公公里，约占月球表面总面积的里，约占月球表面总面积的4/5;l月球布满大大小小的陨击坑。月球布满大大小小的陨击坑。与地球火山相比，月球火山可 谓老态龙钟。大部分月球火山的年龄在30-40亿年之间；典型的阴暗区平原，年龄为35亿年；最年轻的月球火山也有1亿年的历史。而在地质年代中，地球火 山属于青年时期，一般年龄皆小于10万年。地球上最古老的岩层只有3.9亿年的历史，年龄最大的海底玄武岩仅有200万岁。年轻的地球火山仍然十分活跃， 而月球却没有任何新近的火山和地质活动迹象。月球的地心引力仅为地球的1/6。(25)l月球表面覆盖着的碎月球表面覆盖着的碎岩和细尘覆盖层称为

18、岩和细尘覆盖层称为“月壤月壤”，而月壤中，而月壤中的细尘的细尘(小于毫米小于毫米)另另称作称作“月月尘尘”或或“月月土土”（Lunarsoil）。）。l月壤完全不同于地球月壤完全不同于地球土壤，不是风化过程土壤，不是风化过程形成的，也不含腐植形成的，也不含腐植质，而是基岩被陨击质，而是基岩被陨击的溅射碎屑沉积的连的溅射碎屑沉积的连绵覆盖层。绵覆盖层。 月壳由多种主要元素组成，包括：铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝 及氢。(26)l没有大气，表面也无没有大气，表面也无液态水液态水l昼夜温度变化很大，昼夜温度变化很大，表面最高温度高达表面最高温度高达123 C，白天平均温，白天平均温度为度为

19、107C，夜间平，夜间平均温度为均温度为-153C，夜，夜半球温度最低达半球温度最低达-233 C。(27)l对月球的起源，大致有四大派，对月球的起源，大致有四大派，但仍未定论。但仍未定论。一、分裂说一、分裂说这是最早解释月球起源的一种假设。早在1898年，著名生物学家达尔文的 儿子乔治-达尔文就在太阳系中的潮汐和类似效应一文中指出，月球本来是地球的一部分，后来由于地球转速太快，把地球上一部分物质抛了出去，这些物质脱 离地球后形成了月球，而遗留在地球上的大坑，就是现在的太平洋。如果月球是地球抛出去的，那么二者的物质成分就应该是一致的。可是通过对“阿波罗12号”飞船从月球上带回来的岩石样本进行化

20、验分析，发现二者相差非常远。二、俘获说二、俘获说这种假设认为，月球本来只是太阳系中的一颗小行星，因为运行到地球附近，被地球的引力所俘获。三、同源说三、同源说这一假设认为，地球和月球都是太阳系中浮动的星云，经过旋转和吸积，同时形成星体。在吸积过程中，地球比月球相应要快一 点，因此体积和质量大一些。 四、碰撞说四、碰撞说这一假设认为，太阳系演化早期，形成一个原始地球， 同时也形成了一个相当于地球质量0.14倍的天体。这两个天体在各自演化过程中，分别形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐构成的幔和壳。由于这两个天体相距 不远，一次偶然的机会，那个小的天体以每秒5千米左右的速度撞向地球。剧烈的碰撞不仅改变了

21、地球的运动状态，使地轴倾斜， 而且还使那个小的天体被撞击破裂，硅酸盐壳和幔受热蒸发，膨胀的气体以及大的速度携带大量粉碎了的尘埃飞离地球。 飞离地球的气体和尘埃，并没有完全脱离地球的引力控制，通过相互吸积而结合起来，形成全部熔融的月球，或者是先形成几个分离的小月球，在逐渐吸积形 成一个部分熔融的大月球。(28)Wan-Hoo(crater)Coordinates948S 13848W Diameter52 km(29)已经命名的陨石坑有已经命名的陨石坑有8千多个！千多个！1. 从从Apollo计划带回的月球岩石分计划带回的月球岩石分析表明析表明陨石坑的年纪在陨石坑的年纪在38亿年到亿年到41亿年

22、之间；亿年之间；2. 这一事实偏向支持月球的形成这一事实偏向支持月球的形成 的的大大The radiometric ages of impact-melted rocks collected during the Apollo missions cluster between 3.8 and 4.1billion years old: this has been used to propose a Late Heavy Bombardment of impacts 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 30(31)A NASA radar aboard Indias Chandrayaan-I

23、lunar orbiter found 40 craters, ranging in size from 1 to 9 miles across, with pockets of ice. Scientists estimate at least 600 million tons of ice could be entombed in these craters.(32)三种可能：一是来自撞击月球的彗星或小行星;二是撞击事件释放了困于月表下面的水；三是携带氢原子的太阳风，氢原子与月球土壤中的氧原子结合 形成水。(33)月球发现有水证据：一吨土壤含月球发现有水证据：一吨土壤含900900克水克水

24、( (图图) )H+O+H = H2O携带氢原子的太阳风，氢原子与月球土壤中的氧原子结合 形成水。如果真是太阳风，那还意味着太阳系中没有大气的地方也可能有少量水，比如水星和小行星。想像一下月球上一瓶矿泉水的价值？想像一下月球上一瓶矿泉水的价值？一瓶矿泉水价值一瓶矿泉水价值35万人民币！万人民币！(34)这是月球勘测轨道飞行器2009年10月1日飞经阿波罗11号着陆地“静海基地”(Tranquility Base)时拍摄的画面。1969年7月20日，美国宇航员尼尔阿姆斯特朗(Neil Armstrong)和埃德温奥尔德林(Edwin Buzz Aldrin)首次踏上月球表面，在那里停留了不足一天

25、时间，其中徒步勘测只进行了2.5小时。照片中央的一个大亮点是登月舱(LM)下降段，图片中依稀 可以看到舱体的四个脚架痕迹。登月舱四周的黑色光环是宇航员负留下的深深脚印。从图中还可以看到几处实验装置，以及阿姆斯特朗向“小韦斯特” (Little West)陨石坑跋涉时右侧留下的足迹。2.“阿波罗阿波罗”痕迹痕迹(35)月球表面的沟槽看起来很像河槽。研究人员把与这张图里类似的沟槽称作“蜿蜒”谷，它们一般非常弯曲。“蜿蜒”谷的形成原因至今仍是个谜。不过有人认为它有多种不同的形成机制，例如远古岩浆流和地和地下熔岩管道坍塌。下熔岩管道坍塌。月球的轴只有一点点倾斜，因此位于极地的一些最高处几乎永远有阳光照

26、耀。科学家利用月球勘测轨道飞行器的地形精确测量结果，已经绘制出详细地图，并找到一些日光可见度高达96%的地方。这些地方几乎一年243天都受阳光持续照射，完全黑暗的时间永远都不会超过24小时http:/ 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 36(37)The Earth 3rd planet from the Sun1 AU = 150 million kmTravel time:By light -8 minutesBy Solar Wind- 100 hrs水星金星地球火星木星土星海王星海王星天王天王星星冥王星冥王星水星金星地球火星木星土星天天王王星星海海王王星星 北京大学北京大学宗秋刚宗秋

27、刚 p. 38(39)(40)40电离层的发现引起通信革命！EdwardV.Appleton1947 Nobel Prize in Physics1924 Appleton began a series of experiments which proved the existence of that layer in the upper atmosphere now called the ionosphere. (41)41磁层辐射带的发现开始空间时代(42)（1 1）科学意义：）科学意义：能量转换能量转换与释放过程是空间等离子与释放过程是空间等离子体物理研究的核心问题，体物理研究的核心问题

28、，其中磁重联与粒子加速过其中磁重联与粒子加速过程一直是空间物理研究的程一直是空间物理研究的热点课题等等；热点课题等等；（2 2）应用意义：）应用意义：近地空间近地空间是关系到人类，通信，导是关系到人类，通信，导航，全球定位和航天活动航，全球定位和航天活动最主要的区域；近地空间最主要的区域；近地空间环境的变化特征是空间天环境的变化特征是空间天气研究的重要课题；深入气研究的重要课题；深入理解辐射带变化机理，建理解辐射带变化机理，建立动态辐射带模型对保障立动态辐射带模型对保障我国的航天活动和航天器我国的航天活动和航天器安全具有重要意义安全具有重要意义。(43)处于剧烈的扰动处于剧烈的扰动状态，这一过

29、程统称为状态，这一过程统称为“地球空间暴地球空间暴”或或“近地空间暴近地空间暴”.”.Airlines and Space Weather Airborne Survey Data Collection: $50,000 per day Marine Seismic Data Collection: $80,000-$200,000 per day Offshore Oil Rig Operation: $300,000-$1,000,000 per day (Courtesy R. Barker)GPS Global Production Valueexpected growth:2003

30、- $13 billion 2008 - $21.5 billion2017 - $757 billionIndustrial Technology Research Institute (ITRI) Mar 2005Global Positioning SystemSpace Radiation Hazards and the Vision for Space Exploration(44)科学家揭示地球磁层空间“杀手电子”产生机制(45)空间环境如何影响空间飞行器空间环境如何影响空间飞行器 锁锁(46)太阳黑子与太阳活动的关系太阳黑子与太阳活动的关系(47)The major X+ Cla

31、ss flares of the past few days illustrate that Earth has also been avoiding just the right combination of small and easily variable factors that would produce the “perfect” geomagnetic storm. Long-term climatology indicates that we have experienced on average 2Superstormspersolarcycle(orevery11years

32、). It has now been over 14 years since the last Superstorm of March 13-14, 1989. John Kappenman - Metatech 北京大学北京大学宗秋刚宗秋刚 p. 48(49)l科学意义科学意义l月球资源月球资源l技术意义技术意义l军事意义军事意义(50)l月球的起源与演变月球的起源与演变l月球的空间环境月球的空间环境l在月球轨道观测在月球轨道观测地球的空间环境地球的空间环境l月球天文台月球天文台l在月球上监测近地在月球上监测近地小行星小行星Earth as viewed from the Moon duri

33、ng the Apollo 8 mission, Christmas Eve, 1968. Africa is at the sunset terminator, both Americas are under cloud, and Antarctica is at the left end of the terminator.南非南非(51)l核聚变材料核聚变材料氦氦3l极区存在的极区存在的水冰水冰l稀有矿物资源稀有矿物资源月球土壤中还含有丰富的氦3，利用氘和氦3进行的氦聚变可作为核电站的能源，这种聚变不产生中子，安全无污染，是容易控制的核聚变，不仅可用于地面核电站，而且特别适合宇宙航行。据

34、悉，月球土壤中氦3的含量估计为7.15万吨。(52)l为更远的深空探测做技为更远的深空探测做技术准备术准备火星，火星，金星金星l验证一些新技术验证一些新技术大功率火箭，月球车，深空推大功率火箭，月球车，深空推进器，深空通信进器，深空通信etcl推动高技术的发展推动高技术的发展等离子体推进器，各种探测器，等离子体推进器，各种探测器，深空通信深空通信etc(53)l在月球上监视在月球上监视地球地球l验证新的军事验证新的军事技术技术l月球导弹基地月球导弹基地l月球反导月球反导弹系统弹系统(54)l飞越（飞越（flyby）l硬着月或软着月硬着月或软着月l环月环月l由登月舱取样返回由登月舱取样返回l载人

35、登月载人登月l建立永久性的基地建立永久性的基地 http:/ 在年召开的第三届月球探测学术会议上，北大地空学院的焦维新、濮祖荫和傅绥燕老师明确地提出了嫦娥计划嫦娥计划的概念。http:/ 教育部的深空探测实验室（包括月球）设置在北大3. 北大承担月球轨道空间环境的研究(56)l第一步第一步：于：于2007年发射环月探测卫年发射环月探测卫星，对月球表面进星，对月球表面进行三维成像，探测行三维成像，探测近月空间环境，探近月空间环境，探测月球矿物分布；测月球矿物分布；l第二步第二步：机器人在：机器人在月球表面软着陆，月球表面软着陆，对月球表面进行实对月球表面进行实地探测；地探测；l第三步第三步：从月

36、球取：从月球取样返回。样返回。(57)(58)嫦娥二号卫星（简称：嫦娥二号，也称为“二号星”）是嫦娥一号卫星的姐妹星，由长三丙火箭发射。但是嫦娥二号卫星上搭载的CCD相机的分辨率将更高，其它探测设备也将有所改进，所探测到的有关月球的数据将更加翔实。“嫦娥二号”于2010年10月1日18时59分57秒在西昌卫星发射中心发射升空，并获得了圆满成功。(59)嫦娥三号卫星简称嫦娥三号，是嫦娥绕月探月工程计划中嫦娥系列的第三颗人造绕月探月卫星。“嫦娥三号”要携带探测器在月球着陆，实现月面巡视、月夜生存等重大突破，开展月表地形地貌与地质构造、矿物组成和化学成分等探测活动。根据中国探月工程三步走的规划，中国将在2012年左右实现月球软着陆探测自动巡视勘查。 嫦娥四号卫星简称嫦娥四号，是嫦娥绕月探月工程计划中嫦娥系列的第四颗人造绕月探月卫星，主要任务是接着嫦娥三号着陆月球表面、继续更深层次更加全面地科学探测月球地质、资源等方面的信息，完善月球的档案资料。(60)人类如何在月球居住？如何建房子？人类如何在月球居住？如何建房子？北大物理楼观测月亮较好的时机: 11月14日20日。14日18：30月亮过正南方，20日22：00过正南方。于北大物理楼于北大物理楼10/28/09