第二章  宇宙中的行星  内容提要
一、 太阳系的特征
1.太阳系组成的特点
太阳系(solar system)是由太阳、8颗大行星、卫星以及无数的小行星、彗星及陨星组成的。据估计太阳的质量占了整个太阳系99.85%,而行星的总质量只占0.15%                     
由于太阳引力的作用,每个行星都有一个椭圆形的运动轨道,它们具有相同的运动方向。最靠近太阳的水星有最快的轨道运动速度48公里/每秒),最短的运动周期(88天)。离太阳最远的冥王星(己被开除)轨道运动速度5公里/每秒,周期248年。
1)类地行星与类木行星特征
类地行星有水星、金星、地球及火星,离太阳较近。它们的共同特征是密度大(>3.0/立方厘米)、体积小、自转慢、卫星少,内部成分主要为硅酸盐,具有固体外壳
类木行星有木星、土星、天王星、海王星,离太阳较远。它们的共同特征是其密度小(平均密度相当于1.5
水的密度),而且类木行星都有很厚的大气圈,其表面特征很难了解,一般推断它们都具有与类地行星相似的固体内核。
二大类行星最明显的区别是它们的大小,最大的类地行星(地球)的直径只有最小的类木行星(海王星)直径的1/4,而地球的质量仅为海王星的1/17,因此类木行星也常称为巨星。
2)组成二大类行星的物质特点
组成二大类行星的物质依据它们的熔点可分为三种:气体、岩石、冰。
气体  主要是氢、氦,它们的熔点接近绝对零度(-273ºC)或可能更低的温度。
岩石  主要是硅酸盐矿物和金属铁,熔点超过700ºC
  还包括NH3CH4CO2H2O,熔点居中(如水的熔点为0ºC)。
类地行星主要组成有岩石、金属物质和少量的气体。类木行星含有大量的气体(主要是氢和氦)及数量变化的冰(主要是水、氨、甲烷),这些特点使类木行星具有较低的密度。
3)宇宙速度的几个概念和意义
第一宇宙速度(V1
航天器沿地球表面作圆周运动时必须具备的速度,也叫环绕速度。第一宇宙速度两个别称为航天器最小发射速度和航天器最大运行速度。按照力学理论可以计算出 V179公里/秒。
航天器在距离地面表面数百公里以上的高空运行,地面对航天器引力比在地面时要小,故其速度也略小于V1
第二宇宙速度(V2
当航天器超过第一宇宙速度V1达到一定值时,它就会脱离地球的引力场而成为围绕太阳运行的人造行星,这个速度就叫做第二宇宙速度,亦称脱离速度。按照力学理论可以计算出第二宇宙速度V金星资料2112公里/秒。
由于月球还未超出地球引力的范围,故从地面发射探月航天器,其初始速度不小于10848公里/秒即可。
第三宇宙速度(V3
从地球表面发射航天器,飞出太阳系,到浩瀚的银河系中漫游所需要的最小速度,就叫做第三宇宙速度,亦
称逃逸速度。按照力学理论可以计算出第三宇宙速度V3167公里/秒。
需要注意的是,这是选择航天器入轨速度与地球公转速度方向一致时计算出的V3值;如果方向不一致,则所需速度就要大于167公里/秒了。可以说,航天器的速度是挣脱地球乃至太阳引力的唯一要素,目前只有火箭才能突破宇宙速度。
第四宇宙速度(V4
    预计物体具有110 km/s120km/s的速度时,就可以脱离银河系而进入河外星系,这个速度叫做第四宇宙速度。
行星保持大气的能力取决于行星的温度和质量。简单地讲,当气体分子的运动速度达到脱离速度时,气体将逃逸行星。 地球上任何的物质包括岩石,当运动速度达到为11公里/每秒的速度时,将离开地球进入太空。   
4)类木行星为何拥有浓密的大气层?
类木行星有较大的表面重力,它比地球有一个较高的“脱离速度”(21公里/每秒-60公里/每秒)。
又由于类木行星远离太阳,表面温度较低。具有较低温度的气体是难以获得较高的“脱离速度”的,因而类木行星拥有较浓密的大气层。
5)为什么月球表面缺乏大气层?
月球具有较小的表面重力和相对较温暖的星球,具有较小表面重力的月球有较低的“脱离速度”,是不能够维持最重的气体的;较温暖的月球表面气体容易获得较高的运动速度,因此月球表面缺乏大气层。 
2.太阳系的起源
太阳系形成至今至少有46亿年,这一点已被公认。太阳系由何而来?有五十多种不同的假设,大致可归结为两大阵垒:灾变说和星云说。灾变说认为太阳系是在一次突然的巨大的剧变中产生的,太阳的形成先于行星和卫星;而星云说则认为整个太阳系包括太阳都是由同一块星云物质凝聚而形成的。   
1)灾变说(布丰灾变说和金斯灾变说)。
在十九世纪末到二十世纪四、五十年代大约出现过二十多种不同的灾变说。最早的灾变说是法国动物学家布丰(Buffon)在1745年提出的。
布丰灾变说:布丰认为太阳形成后,曾经有一个彗星掠碰(擦边而过)到它,使太阳自转起来,同时碰出了不少物质。这些物质一部分落回太阳,一部分脱离太阳的引力飞走了,还有一部分则绕太阳旋转起来,后来形成了行星。
    根据现在对彗星的认识,这种观点显然是不成立的,但在布丰的时代,彗星被认为是质量巨大的天体。
金斯灾变说:最著名的灾变说是英国天文学家金斯(Jeans)于1916年提出的。金斯认为当另一颗恒星接近太阳时,在太阳的正面产生了很大的潮;它的反面的潮比正面的小得多并很快衰落。正面的潮很大,物质被经过的恒星拉出来形成一个长条。在这一恒星离开太阳时,长条内形成了所有的行星。长条的中部较粗,两头较细,所以,由中部物质形成的木星、土星较大。
2)星云说(康德微粒假说和拉普拉斯假说)。
德国哲学家康德(I .Kant)(1755)和法国数学家拉普拉斯(Laplace)(1796)二位科学家独立提出了太阳系起源的星云假说。他们都从科学的角度来说明太阳系的一些主要特征,都认为太阳系是由一团星云物质通过万有引力等自然规律作用而逐渐形成的。康德学说(1755年)比拉普拉斯学说(1796年)早41年提出,当时康德的观点是以匿名形式发表的,而且仅仅只印了几十本,其中哲理多于科学,因而鲜为人知。直到拉普拉斯用数学和力学定律再一次提出该学说时才使它风靡一时,并取得了空前的成功。
康德微粒假说:宇宙中散布着微粒状的弥漫物质,称为原始物质。原始物质在万有引力的作用下,较大的微粒吸引较小的微粒,并逐渐聚集加速,结果在弥漫物质团的中心形成巨大的球体,即原始太阳。周围的微粒在向太阳这一引力中心垂直下落时,一部分因受到其他微粒的排斥而改变了方向,便斜着下落,从而绕太阳转动。最初,转动有不同的方向,后来有一个主导方向占了上风,便形成一扁平的旋转状星云。云状物质后又逐渐聚集成不同大小的团块,便形成行星,行星在引力和斥力共同作用下绕太阳旋转。
拉普拉斯假说:太阳系是由一个灼热的气体星云冷却收缩而成的。原始的灼热星云呈球状,直径比今天太阳系直径大得多,缓慢地自转着;由于冷却而收缩,其自转速度逐渐变快,同时因赤道附近的离心力最大,故星云逐渐变扁。一旦赤道边缘的离心力大于星云对它的吸引力,赤道边缘的气体物质便分离出来,形成一个旋转的气环。由于星云继续冷却收缩,上述过程重复发生,又形成另一个旋转的气环,最终形成了与行星数相等的气环(称拉普拉斯环)。星云的中心部分最后形成太阳,各环在绕太阳旋转的过程中逐渐聚集形成行星。行星也同样发生上述作用形成卫星。土星的光环可能就是由尚未聚集成卫星的许多质点构成的。
康德的假说可以解释行星的运行轨道具有共面性、近圆性、同向性等特点,但解释不了太阳系的角动量来源。拉普拉斯的假说同样能解释行星运行轨道的各项特点,以及组成太阳、行星和卫星的元素一致性,也能解释太阳系角动量的由来,但解释不了角动量分配的特点。
目前人们已经探知宇宙中许多星云的温度并不高,收缩不是由于冷却,而是由于吸引力引起的;星云在收缩过程中,温度不是降低而是升高的。
3)太阳系起源的其他假说:
1945年德国物理学家魏扎克(Weizcker) 提出的旋涡学说,强调了湍流在太阳系形成中的作用。这个理论不但能说明行星的公转和自转,而且能够说明行星间的距离。
1955年英国的霍伊尔(F.Hoyle)假说       
1962年~1976年瑞典的阿尔文(H .Alfven)和我国已故的著名天文学家戴文赛于1977年~1978年提出的新星云说
20世纪60年代,前苏联天体力学家Safronov 星子假说,该学说自上世纪70年代以来得到了快速的发展,至今已发展成了一个被当今科学界广泛接受的星子碰撞吸积理论。
3.地球卫星的特征
月球是地球的唯一卫星。体积约为地球的1/49,质量约为地球的1/81,月球的直径为3475千米,约1/4地球
的直径。月地间的平均距离为384400千米。
月球的平均密度为3.34/立方厘米,只有地球平均密度的0.6倍,故月球的引力较地球小,月球内部铁核较小可以来解释这些特点。   
月岩的年龄为3146亿年,月球上没有更年轻的岩石。说明月球的地质活动至今仍停留在星球演化的早期阶段。月球周围没有磁场,月球上没有发生过为地球所特有的造山运动。
1)月球的表面特征
月球表面存在二种不同的地形:月海和月山(高地)。月球的正面是高地和月海各一半。而月背表面主要由高地和撞击坑组成,少量的月海且相对较小,到现在为止,宇航员没有在月背上着陆过,只是轨道飞船对其进行了考察。
月海是月球表面较光滑的、呈现黑暗的区域。月海中并没有水,也没有曾经有水的迹象,由于它有较平滑的底面和像玄武岩一样黑的岩石,比粗糙的月山(高地)反射较少的阳光。近距离地观察月海发现,月海中有数千个细小的撞击坑,并且这些坑是月球上熔岩硬结后被撞击形成的。这说明月球上曾经有过火山喷发。
月山是月球上比较粗糙的、较明亮的高地。高地分布的区域中最高的月峰接近于8公里,仅比珠峰低1公里。
月球表面没有水、没有大气、没有生物,因此也没有像地球那样的侵蚀和搬运作用以及在水中的沉积作用。
2 陨石坑(Craters)
陨石坑是月球表面上最明显的特征,而且数量众多,较大的陨石坑直径250公里。大多陨石坑是由陨石快速撞击形成的,这一现象说明太阳系早期阶段陨石撞击作用比现在要频繁得多。较年轻的陨石坑周围呈现放射状亮纹条带,这些放射状条带向处延伸可达数百公里,这些条带是由最初从撞击坑中弹出的岩屑物质、撞击过程中形成的玻璃珠,以及撞击过程中形成的更小的、次一级的陨石坑组成的。而地球上能够被识别的陨石坑仅有一打,月地之间的这一差异应归结于:(1)地球存在大气层;(2)形成于地球早期历史阶段的陨石坑痕迹己被侵蚀作用和构造作用所消除。