1、五、太阳和太阳系 1，行星运动规律 2，太阳的基本情况 3，太阳活动现象和对地球的影响 4，阿尔文的贡献和获诺贝尔奖 1，行星运动规律 大約公元前400年，帕拉图提出：所有天体都以圆轨道绕地球运行。地球处於宇宙的中心，這是古老的地球中心說。但是早期的地心說解釋不了行星逆行的現象。托勒玫地球中心说 公元140年，托密勒提出他的改良版 的地心說。托密勒的宇宙觀：地球中心说 行星有两个轨道运动，一个轨道是“均轮”，而均轮中心在“本轮”的圆轨道绕地球旋转。这个理論所預測的行星位置，和实际位置的誤差在几度之內。當時的人对此已心滿意足，結果托密勒地心說主宰了西方世界約一千五百年。哥白尼太阳中心说 波兰天文
2、学家哥白尼(1473-1543)提出日心說，认为太阳是宇宙的中心，而地球只不过是围绕太阳运动的一顆行星，成功解釋行星的逆行現象。但是，这一模型对天体运动的预测也不太准。第谷和开普勒 第谷：测量行星的位置及变化，积累了大量的观测资料开普勒：第谷的助手和继承人，利用第谷的观测资料，总结出行星运动三大定律。开普勒第一定律：所有行星皆以椭圆形轨道环绕太阳运行，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律：假若在行星和太阳之间画一条直线，无论行星在什么位置，在同等时间之下，这条直线所扫过的面积皆会相等。行星越接近太阳，运行速度越高。开普勒第三定律：行星公转周期的平方与太阳平均距离的立方成正比 (公转周期
3、)2=(常数)(平均距离)3 开普勒只是从行星运动的观测数据中总结出三大定律，属于经验规律，非常正确，但不知是什么原因。牛顿 牛顿提出万有引力定律：萬物皆會互相吸引 F=G M1 M2/r2 G為引力常數，太小！（6.6711011米3千克1秒2）地球上的物體的質量太小，它們之间的引力便微不足道！地球上物体质量太小，彼此间的引力微不足道。天体(恒星、行星）的质量很大，引力就很可观了。牛顿从万有引力理论出发推导出开普勒三大定律。由天体运行总结出物理规律，成为天体物理的里程碑。万有引力定律只能在研究天体运动中发现和加以证实。太阳系演化 几十种太阳系起源的学说可分为两类。一类认为太阳系是由同一块星云
4、物质凝聚而成的，另一类则认为太阳系是一次突然的灾变中产生的。20世纪的研究，星云说占上风。1942年以后阿尔文发表了一系列的论文，并在1954年和1976年出版专著太阳系的起源和太阳系的进化，成为影响较大、比较成熟的一种。太阳系形成的拉普拉斯星云说 一团炽热的球形星云由于冷却收缩和自转离心力的作用分离出一个个气体环。收缩使自转加快，形状变扁。引力和离心力相等时停止收缩，离心力超过引力时便分离出一个圆环，最后形成行星。2，太阳的基本情况 太阳的情况 太阳是距离我们最近的恒星 中等质量的壮年恒星 日地距离149597870千米 半径比地球大109倍 体积是地球的130万倍 质量为1.991030千
5、克 是地球的33万倍 太阳是气体球 平均密度为1.409克/厘米3 太阳的结构内核：热核反应，产能区辐射层对流层光球：光亮的球层，温度6000K色球：温度比光球高,656.28纳米 红光很强日冕：温度 百万度 射电辐射来自日冕太阳结构模型太阳化学组成 太 阳 有 6 8 种 元 素 氢 78.4%氦 19.8 氧 0.8%碳 0.3%氮、氖、镍各占0.2%其余元素均在0.1%以下 “太阳元素”的发现 1868年8月18日，法国天文学家詹逊观测日全食时，发现日珥的一条橙黄色明线（D3），不能和已知的地球上任何元素的谱线相对应。命名为氦，曾称“太阳元素”。27年后，一位名叫雷姆塞的英国化学家终于在
6、地球上也找到了氦。太阳的较差自转太阳赤道转得快：约26天转一圈极区转得慢：约35天转一圈太阳赤道转得快：约26天转一圈极区转得慢：约35天转一圈3，太阳活动现象和对地球的影响 太阳磁场 太阳各层大气里的磁场很不相同 日面各部分磁场相差很大 几高斯几千高斯 太阳黑子磁场是最强的磁场 太阳活动都与磁场有关 磁场是活动区最本质的特征 太阳黑子相对数变化的11年周期黑子出现蝴蝶图 每个活动周开始黑子出现在高纬区然后逐渐走向低纬区 黑子“蝴蝶”图 在11年活动周期中，黑子分布呈现蝴蝶状从高纬到低纬的变化。每只蝴蝶对应一个活动周。黑子出现在南北纬度350之间。黑子磁极性变化有22年周期日面上的偶极黑子群中
7、，前导黑子总是 与后随黑子的极性相反。在同一个活动周中，南半球的前导和后 随黑子的极性情况是一样的。南半球和北半球的情况相反。每一个太阳活动周期中，黑子群的磁极 性分布保持不变，但下一个周期的情况 则截然相反。偶极黑子群中黑子磁场极性随 太阳周期的变化 日珥 色球层的活动现象，美丽壮观。日珥比光球暗得多，也只有在日全食时或者使用色球望远镜才能看到。日珥一般高约几万公里，大大超过了色球层的厚度，进入日冕层。爆发日珥以每秒700多公里的速度喷发到日冕中去。耀斑 耀斑是太阳上最强烈活动现象。来势猛，能量大。在短短一、二十分钟内释放出的能量相当于地球上十万至百万次强火山爆发的能量总和。耀斑产生在日冕的
8、低层。耀斑和黑子有着密切的关系。太阳对地球的影响1，地球能源的提供者；2，耀斑对地球有巨大影响，耀斑产生 强大的由高能粒子组成的太阳风，吹 到地球附近，对地球产生影响：对地球上的电讯有强烈的干扰；对航天器和宇航员有致命的威胁；在地球大气高层产生极光，引起地球 磁暴。美丽的极光 来自太阳的带电粒子闯入地球高层 大气，和大气中的分子或原子碰撞 而产生的放电过程，是唯一能用肉眼 看到的高层大气中发生的物理现象 由于地球磁场的作用，太阳高能粒子 到达地球时就向地球磁极靠拢，因此 在地球上高磁纬地区能看到极光。极光的形态变化万千，颜色绚丽多彩。极光的每一次出现，都好似大自然恩赐给人类的一幅美丽画卷。凡是
9、有幸亲眼目睹过极光的人都会在他们的脑海里留下终身难忘的印象。地球上看极光 在磁纬6070的区域内，围绕地球南北磁极的两个圆环状地带。地球的北磁极在加拿大大境内。地球的磁南北极与地理南北极之间大约相距11。高纬度地区出现极光现象较多。磁纬越低的地区，只是偶而能见到极光。极光椭圆 极光发生在围绕磁极的一个近似椭圆形的环状区域。人们称之为极光椭圆。在地球磁场的作用下，从太阳来的高能粒子不能沿磁极区的磁力线作螺式下降。太阳风从太阳携带来的磁场和地球磁场相互作用，放电过程是在以磁极为中心的圆形区域的边界进行的。4，阿尔文的贡献和 获诺贝尔奖 （1）宇宙中普遍存在磁场 （2）宇宙中普遍存在等离子体 （3）
10、提出磁冻结现象 （4）阿尔文波的存在 （5）获诺贝尔奖（1）阿尔文于1937年（29岁）首先提出：“银河系的星际空间 到处都存在磁场”在那时，人们并未观测到，也不 认为银河系到处都有磁场。这一假设一直受到冷落。到40年代才发现银河系存在磁 场的迹象。到六十年代测出银河系磁场的 分布之后才最后证实阿尔文的假 设。磁场在宇宙中普遍存在 地球磁场强度约0.5高斯。太阳平均磁场约为2高斯，太阳黑子 区域的磁场约几百至几千高斯。磁星可达几千至几万高斯 白矮星磁场达到105107高斯。中子星磁场达到 1081014高斯。银河系星际空间的磁场微高斯。（2）阿尔文首先提出宇宙中 普遍存在等离子体 核外电子变为
11、自由电子的过程称为电离。电离后的物质变为正离子和电子以及未经电离的中性粒子所组成。这种状态就是物质的第四态等离子体。等离子体的形成 物体在高温条件下或受X射线、射线的照射后，原子核外的电子因获得足够的能量摆脱原子核的束缚成为自由电子，即发生了电离。电离后的物质变为正离子和自由电子，形成等离子体。总体上还是电中性的。生活中见到的日光灯或霓虹灯，就是用人工方法在真空玻璃管中制造的低温等离子体。太阳是高温等离子体球。等离子体特性 部分电离或完全电离的气体，在某些方面跟中性气体有相似之处，如描述气体的宏观物理量密度、温度、压力等对电离气体同样适用。但是，它的主要性质却发生了本质的变化，即电离气体的行为
12、主要受电磁力的支配。恒星 恒星表面的温度在5000至10000K之间，在这个温度范围内物质只能部分电离。但是到了恒星的内部，越向里去，温度越高，电离程度越来越高，在恒星核心区的物质则是100地被电离。星际气体 星际气体的温度比较低，但气体周围的恒星辐射或高速星风作用也会使其电离而成为等离子体。宇宙中几乎99的物质都是等离子体。实际上，在天文学的研究中，几乎完全依靠等离子体的辐射来获取知识。（3）阿尔文发现磁冻结现象 宇宙中既有等离子体又有磁场。阿尔文发现等离子体在磁场中运动的一个新现象，那就是磁冻结。等离子体在磁场中运动必然带着磁力线一起运动，相当于磁力线冻结在物质里面了，或者说等离子体粘连在
13、磁力线上了。磁场冻结的条件 磁场扩散非常慢 在天体物理的研究对象中，如太阳黑子、太阳及银河系等几何尺度非常大，总满足磁场扩散非常慢的条件，因此天体物理研究中的等离子体基本上是和磁场冻结在一起的。等离子体要运动必然带着磁力线一起运动。磁场的罗仑兹力电子射线管的阴极射出电子束在磁场中的偏转 等离子体在磁场中的运动 等离子体是流体要遵从流体力学的规律。等离子体在磁场中运动又要遵从电动力学的规律。仅用流体力学或电动力学都不能正确解释它们在磁场中的运动的特征。等离子体在磁场中作螺旋轨道运动 等离子体在磁场中的运动受到罗伦兹力的作用。当带电粒运动方向与磁力线垂直，罗伦兹力只改变粒子的运动方向，使它们作匀速
14、圆周运动。正离子的质量比电子的大得多，因此其回旋半径大，距磁力线要远。当带电粒子的运动方向与磁力线不垂直时，带电粒子则按螺旋状轨道运动。罗仑兹力qvB电子在均匀磁场中运动初速度方向和磁场垂直 正离子的质量比电子的大得多，因此其回旋半径大，距磁力线要远。（4）阿尔文波磁流体力学波 1942年阿尔文发现了磁流体力学波。在等离子体和磁场冻结在一起的情况下，磁力线存在着张力。弹拨乐器的弦线，在外力的作用下，就发生振动，产生沿弦线方向的横波传播。粘附着等离子体的磁力线也像一根弦线一样，当在垂直磁力线方向上受到扰动后，也会产生一种横波。阿尔文波速度公式 阿尔文波的速度仅是磁场强度（B）和密度（）的函数。磁
15、场越强，密度越小，速度越大。42BvA 无人相信阿尔文波 流体力学理论认为一般的理想流体中是没有横波的。阿尔文提出后，学术界无人相信。实验证实 阿尔文用水银作实验，磁场是1000高斯，结果得到了速度约为75厘米/秒的阿尔文波。确认阿尔文波存在，并与理论估计的一致。阿尔文瑞典天文学家太阳和宇宙磁流体力学获1970年诺贝尔奖（阿尔文波，磁冻结）阿尔文 阿尔文1908年5月30日生于瑞典。当他还是博士研究生的时候，他就创立了一个关于宇宙辐射起源的理论。阿尔文善于提出新概念、新思想，从天文现象中发现新的物理规律，并用理论解释复杂的天文现象。他是太阳和宇宙磁流体力学新学科的奠基人。瑞典天文学家阿尔文因为
16、对宇宙磁流体动力学的建立和发展作出的卓越贡献而荣获1970年度诺贝尔物理学奖，这是对他近40年科学生涯最公正的评价。阿尔文出版专著1948年阿尔文出版宇宙动力学，1963年又出版宇宙电动力学专著。总结了磁流体力学的基本原理和在天体物理学中的应用。第四章要求第四章要求1，天体距离的单位：天文单位、光年和秒差距，三者的换算。2，测量天体距离的周年视差法和变星测距法。3，恒星的颜色和温度4，连续谱、发射线和吸收线5，视星等和绝对星等的定义6，视星等和绝对星等之间的关系 第五章要求1，评说托勒玫地球中心说和哥白尼的日心说。2，开普勒行星运动三大定律和牛顿万有引力定律。3，太阳的结构（层次、温度）。4，太阳活动现象和黑子的活动规律。5，对阿尔文的如下贡献有定性的了解 （1）宇宙中普遍存在磁场 （2）宇宙中普遍存在等离子体 （3）磁冻结现象 （4）阿尔文波
