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2023年2月24日星期五

谢选骏:行星上的季节变化和昼夜温差全都毫无规律



《行星上的季节变化》(NASA中文 2020年9月26日)报道:


9月22日是北半球的秋分,同时也是南半球的春分,也就是说昨天是北半球入秋第一天,南半球入春第一天。


地球上有着明显的春夏秋冬,四季分明,但不是太阳系中每颗行星都有明显的四季变化。


行星上的季节变化由两个因素引起,轴倾角(axial tilt)和轨道偏心率(orbital eccentricity)。轴倾角指的是行星的自转轴相对于轨道面的倾斜程度。水星,金星和木星的轴倾角很小,地球,火星,土星,海王星的轴倾角都是二十多度,而天王星最夸张,轴倾角82度,和其他行星兄弟相比,几乎是躺着。


轨道偏心率简单说指的是远日点和近日点的变化比,太阳系所有的行星的轨道都是椭圆,轨道偏心率决定了椭圆轨道的扁平程度。


拿我们地球来说,轨道偏心率为0.02,环绕太阳的轨道几乎是圆形,所以这点对地球上的气候影响很小。地球的轴倾角为23.5°,我们星球上的季节变化主要由它决定,当北极偏向太阳时,北半球迎来了夏天,当北极偏离太阳时,北半球迎来了冬天。


水星,金星和木星上的轴倾角很小,这三颗行星上的季节变化很小。


水星,几乎没有季节变化。水星上的一天(一昼夜)相当于177个地球日,一年相当于88个地球日。另外由于没有大气层保护,水星昼夜温差极大,面向太阳的一面,白天温度可答430摄氏度,背向太阳的一面,夜晚的温度低至零下180摄氏度。


金星有着浓厚的大气层,导致其表面温度高达470摄氏度。多提一句,大气层中的温度随着距离地面的高度而不同,在其距离地面约30英里的大气层中,温度和地球相当。


火星的轴倾角是 24°,略高于地球,但火星轨道偏心率是0.09,是地球的四倍多,火星环绕太阳的轨道在1.64 AU和1.36 AU之间,这两种情况的加持下,导致火星上的季节变化比我们地球大很多。


我们都知道,火星上的大气很稀薄,约为地球的1%。另外引起我们注意的是,火星上的大气压力随着季节发生变化,火星上冬季的全球大气压力比夏季低25%,之所以有这种情况发生,是因为火星的轨道偏心率,以及火星两极干冰冰冠和二氧化碳的交换。火星北半球在冬至比在夏至,距离太阳近约10%,火星北半球冬至时,北极冰冠吸收的二氧化碳,比南极在同期吸收的多。


天王星上一年相当于84个地球年,轨道偏心率为0.06,它环绕太阳的轨道几乎也是圆形,但天王星的轴倾角为82度,这就导致天王星上长达四分之一的时间里有着极端的季节变化,当太阳光直射天王星极区时,其他地区就陷入了漫长、黑暗、寒冷的冬天。


参考:https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/interplanetaryseasons


谢选骏指出:行星上的季节变化毫无规律,这只能说明,所谓“四季变化”只是一个瞬间的偶然。


《九大行星中昼夜温差最小的和最大的》(zmbsdu 2006-09-16)报道:


太阳系中有9大行星——分别是木星,土星,水星,金星,火星,地球,天王星,海王星和冥王星。

1、水星:水星是九大行星中最靠近太阳的行星,中国古代称水星是辰星。西方人叫它墨丘利,墨丘利是罗马神话中专为众神传递信息的使者,而水星也不愧为信使的称号:它是太阳系中运动最快的行星。水星公转平均速度为每秒48公里,公转周期约为88天。

由于水星距离太阳太近了,个头又小,人们平时很难看到它。水星的表面和月球表面极为相似。其上布满了大大小小的环形山。水星的大气极为稀薄,昼夜温差很大,白天表面温度可达427度以上,黑夜最低温度可降到零下173度左右。

水星的半径为2440公里,是地球半径的38.3%。水星的体积是地球的5.62%,质量是地球的0.05倍。水星外貌如月,内部却像地球,也分为壳、幔、核三层。天文学家推测水星的外壳是由硅酸盐构成的,其中心有个比月球还大的铁质内核。

水星的自转周期为58.646日,自转方向与公转方向相同。由于自转周期与公转周期很接近,所以水星上的一昼夜比水星自转一周的时间要长得多。 它的一昼夜为我们的176天,白天和黑夜各88天。

水星没有卫星,因此水星的夜晚是寂寞的,那里没有“月亮”,除了太阳以外,天空中最亮的星是金星。

2、金星:金星是距太阳的第二颗行星,是天空中最亮的星,亮度最大时为-4.4等,比著名的天狼星还亮14倍。金星是地内星系,故有时为晨星,有时为昏星。至今尚未发现金星有卫星。由于金星和地球在大小、质量、密度和重量上非常相似,而且金星和地球几乎都由同一星云同时形成,占星家们将它们当作姐妹行星。然而不久前科学家们发现,事实上金星与地球非常不同。金星上没有海洋,它被厚厚的主要成份为二氧化碳的大气所包围,一点水也没有。它的云层是由硫酸微滴组成的。在地表,它的大气压相当于在地球海平面上的92倍。

由于金星分别在早晨和黄昏出现在天空, 中国古代称它为太白或太白金星,中国史书上则称晨星为“启明”,昏星为“长庚”。 古代的占星家们一直认为存在着两颗这样的行星,于是分别将它们称为“晨星”和“昏星”。英语中,金星——“维纳斯”(Venus)是古罗马的爱情与美丽之神。它一直被卷曲的云层笼罩在神秘的面纱中。

由于金星厚厚的二氧化碳大气层造成的“温室效应”,金星地表的温度高达482°C左右。阳光透过大气将金星表面烤热。地表的热量在向外辐射的过程中受到大气的阻隔,无法散发到外层空间。这使得金星比水星还要热。金星上的一天相当于地球上的243天,比它225天的一年还要长。金星是自东向西自转的,这意味着在金星上,太阳是西升东落的。

金星的表面随机布满了许多小型陨石坑。由于金星的浓厚大气,直径小于2公里的陨石坑几乎无法保留下来。而当大型陨石在小型陨坑形成前撞击金星表面,其产生的碎片在地表产生了例外的陨石坑群。火山及火山活动在金星表面为数很多。至少85%的金星表面覆盖着火山岩。大量的熔岩流经几百公里,填满低地,形成了广阔的平原。除了几百个大型火山,100000多座小型火山口点缀在金星表面。从火山中喷出的熔岩流产生了长长的沟渠,范围大至几百公里,其中一条的范围超过7000公里。

3、地球:地球形成自46亿年前,大约在16亿年前地球每昼夜只有9个小时,比现在自转快的多,每年约有800多天;到了6亿年前,每昼夜延长到了20个小时,年缩短到440天,地球正在逐渐放慢自转速度,原因可能主要是月球的潮汐引力作用。一般认为,地球的形成起源于太阳星云分化物。46亿年来,地球从一个均质的球体演变成现在的“圈层”结构。地壳平均厚度17千米,地幔厚度约3473千米,占地球体积的83.4%,地幔温度为1000~3000摄氏度,地核厚度约3473千米,占地球体积的16.3%,物质处于液体状态,内核温度高达6000摄氏度以上,与太阳表面温度差不多!

从我们身处地球的视角看来,我们这个行星是非常巨大富饶,为似乎无穷尽的空气所包围的;然而,宇航员从太空看来,地球只是个瘦小的球体,被一层薄薄的仿佛一吹就散的大气所围绕。对一个空间旅行者来说,在深邃黑暗的空间里的地球,蓝色的海域、棕色或绿色的陆地与白皑的云是异常醒目的。

地球是距太阳第三颗行星,距离有1亿5千万千米(9320万英里)。地球绕太阳公转一天为365.256个地球日,自转一周为23.9345小时。地球的直径为12756千米(7973英里),只比金星大几百千米。我们的大气层由78%的氮,21%的氧及1%的其他成分组成。

地球是太阳系中唯一一颗有生命定居的行星。它的快速自旋与炽热的镍铁内核产生了足够的磁场,与大气配合保护我们,抵御来自太阳与其他星球的辐射。大气层还保护我们免遭流星的侵袭,它们中的大多数会在到达地球表面前烧毁。

从多次星际旅行的成果中,我们对我们这个行星已有了较多深入的了解。美国第一颗人造卫星探索者1号(Explorer 1)发现了现被称为范艾伦辐射带的强辐射区,这一气层由被赤道地带环形地磁场捕获的快速移动的电子组成。来自其他卫星的信息则显示由于太阳风的作用,地磁场被扭曲成了水滴形。我们同样了解到原先以为平和静止的上层稀薄大气实际上是非常活跃的--白天膨胀夜晚收缩。由于受太阳活动的影响,上层大气层导致了地球天气与气候的变化。

除了影响地球的天气情况,太阳活动还使大气产生奇异的视觉现象。当来自太阳风的电子被地磁场捕获时,它们与地球两极大气中的空气分子结合在一起。这些空气分子随即发光,即产生极光。

4、火星:火星是太阳系的第四行星。由于火星上的岩石、砂土和天空是红色或粉红色的,因此这颗行星又常被称作“红色的星球”。

火星有很多特征与地球相似。它和地球一样有着一年四季的变化;它自转周期比地球多半个多小时,公转周期比地球长一倍,约为687日。火星的直径约为地球的一半,火星大气比地球的稀薄,其中95%是二氧化碳,氮占3%,还有数量极少的氧和水份。

在干燥的火星表面上遍地都是红色的土壤和岩石。火星土壤中含有大量氧化铁,由于长期受紫外线的照射,铁就生成了一层红色和黄色的氧化物。

火星上曾有过洪水,地面上也有一些小河道,十分清楚地证明了许多地方曾受到侵蚀。所以火星表面存在过水,甚至可能有过大湖和海洋.

5、木星;木星,太阳系九大行星中最大的一颗,按离太阳由近及远的次序为第五颗。中国古代就认识到木星约12年运行一周天,而把周天分成十二份,称十二次,木星每年行经一次,用木星所在的星次可以纪年,因此木星被称为岁星。是天空中的第三亮星,最亮时达-2.4等,只有金星和冲日时的火星比它亮。木星有众多的卫星,截止到1990年,已发现16颗。1979年,行星际探测器“旅行者”1号还发现木星有一个很暗的光环。木星在椭圆轨道上绕太阳运行,轨道半长径为5.205天文单位,离心率为0.048,它在近日点同太阳的距离比远日点近约0.5天文单位。木星的轨道面与黄道面的交角很小,只有1.3°。木星绕太阳公转的周期为4332.589天,约合11.86年,平均轨道速度为13.06公里/秒。木星是太阳系内自转最快的行星,赤道上自转周期仅9小时50分30秒,两极地区的自转稍慢。由于高速自转,使得它的扁率相当大,达0.0648。木星的自转轴几乎是垂直于公转轨道道的,二者的交角达86°55′。木星的赤道半径为71400公里,是地球的11.2倍,体积是地球的1316倍;质量为1.9×1030克,比地球的质量大300多倍,是其他八大行星总质量的2.5倍,平均密度只有1.33克/厘米3,赤道上的重力加速度为27.07米/秒2,两极为23.22米/秒2。木星有着浓密的大气,主要成份是氢和氦,还含有少量的氨、甲烷和水。用望远镜观测木星,可以看到大气中有一系列与赤道平行的明暗交替的云带,云带的形状随时间不断变化。这表明木星大气中存在着激烈的运动。木星表面的温度很低,根据理论计算,它表面的有效温度应为105K,但地面观测和行星际探测器测得的结果均高于理论值,对木星的红外观测也表明,木星辐射的热能为它接收到的太阳热能的两倍,这说明木星内部存在着热源。木星还有着比地球更大更强的磁层和辐射带。木星磁层比地球磁层大100倍。它可分为三个区域。内区(离木星表面20个木星半径的范围内)具有与地球辐射带相近的强辐射带;中介区(从20个木星半径到100个木星半径)的磁力线被离心力歪曲。内区和中介区都按约10小时的自转周期转动。外区(60-90个木星半径范围内)的磁场很弱,到磁层边界处已趋于零。除很靠近木星表面的部分外,木星的磁场是偶极场,但场的方向与地磁场相反,即地球上指北的罗盘到木星上变为指南。木星的磁轴与自转轴间的交角为10.8°。离木星3个木星半径以内的磁场是4极或8极的,场强为3-11×10-4特斯拉。木星表面大红斑,位于赤道南侧,长达2万多公里,宽约1.1万公里,略呈蛋形。发现于1660年,300多年来尽管它的颜色和亮度不断变化,但形状和大小几乎没有变,大红斑沿逆时针方向绕中心转动,而且在经度方向上有漂移运动,因而肯定不是固体的表面特征。现在认为它很可能是一个大旋涡,或者说它是一团激烈上升的气流。旋涡或气流中含有红磷化合物,大红斑的颜色可能是因此产生的。至于大红斑能长期存在的原因,目前尚不清楚。

6、土星:土星是太阳系里第二大行星,是一颗美丽的行星,最漂亮的要属它的光环了,光环的直径非常宽,也很明亮,如果你手边有一个20倍以上的望远镜,有时候晚上就能看见它。土星的光环其实可分成几个不同的部分,最明亮、宽阔的是 A 环和B 环,较暗的是 C 环。光环的各部分之间有明显的裂缝。

先锋11号在1979年首先去过土星周围,同年又被旅行者1号和2号访问。现在卡西尼飞行器也已在途中了,预计将在2004年到达土星,它将肩负着探索土星及其卫星木卫六的任务。

土星大气的主要成份是氢,另外还有少量的氢和甲烷。土星是最疏松的一颗行星,它的密度竟比水的还要小。

这里不能不提的是土星的卫星,它拥有的卫星可不算少了,总共有十八颗被命名的,还有一些小卫星将在不久被发现。

7、天王星:天王星(类木行星),最大亮度为5.6等,当它在天顶附近时,眼力好的人用肉眼勉强可以看到它。西方用希腊神话中的天神称呼它。天王星的赤道半径约为25400公里,体积是地球的65倍,仅次于木星和土星,居第三位。它的质量是地球的14.6倍,比木星、土星、和海王星小,居第四位。1977年发现天王星也有光环。

天王星自转一周为15.5小时。密度只有1.19克/立方厘米,表面重力加速度比地球略大,物体要有21.22公里/秒的速度才能脱离天王星,由于逃逸速度大,气体很难得到这样大的速度而跑掉,因此,天王星能把大量的大气束缚住,使其表面有厚厚的大气。从地面探测和空间探测得知,天王星表面大气层的主要成分是氢和氦。其中很大部分是氢,氦的含量为10%~15%,此外,还有少量的其他气体。

在行星世界里,天王星有独一无二的特征,即它的赤道面与它的轨道面倾角为97度55分。这就是说,天王星的自转轴与它的轨道面交角很小,几乎是躺倒在它的轨道上,可以想像,以这样的姿态运动,就使天王星上的四季和昼夜现象复杂化了。首先天王星的南北两极基本上在其轨道面上,赤道面则与轨道面基本垂直。当它的南极朝向太阳地,南半球为夏季,南极点几乎受到太阳光直射,南半球见到的太阳,随纬度的减低太阳的地平高度也降低,而且,在天王星自转过程中,这时南半球见到的太阳是不落的,也就是南半球基本都是白天。相反,此时在它的北半球正是冬季,而且太阳总不升出地平线,过着漫长的黑夜。天王星绕太阳运行的圈子大而速度慢,绕太阳公转的轨道半长径约为19.27天文单位,轨道的偏心率约为0.046;绕太阳运动的周期约84个地球年。可见,对天王星两极来说,基本上相当于地球上42年的白天和42年的黑夜。

8、海王星:海王星是距离太阳远近顺序的第八颗行星,通过它对天王星轨道的摄动作用而于1846年9月23日被发现。计算者为法国天文学家勒威耶。德国天文学家J.G.伽勒是按计算位置观测到该行星的第一个人。这一发现被看成是行星运动理论精确性的一个范例。

海王星由于距离遥远,光度暗淡,即使用大型望远镜也难看清其表面细节,因而不能依靠观测表面标志的移动来定出自转周期。1928年,通过观测谱线的多普勒位移测出自转周期为15.8+-1小时,现在采用的自转周期是M.贝尔通等从分析约300次红外观测中定出的。

海王星的快速自转使它的扁率达1/50(即赤道半径比极半径约长500公里)。1968年4月7日,海王星掩恒星,通过对这一事件的观点观测,得出它的赤道直径为50950公里,与目前的最新数据相差很小。

海王星用望远镜看略呈绿色,1932年证明出海王星光谱红外区的强吸收线为甲烷引起。它的大气中含有丰富的氢和氦,大气温度大约为-205摄氏度,这个值高于从太阳辐射算得的期望值,说明要么海王星大气下层存在温室效应,要么它有内在的热源。

1846年,W.拉塞尔发现逆行的海卫一,据计算它正接近海王星,将来也许会碎裂成为海王星的环,1949年发现海卫二。

海王星云层的平均温度为零下193摄氏度至零下153摄氏度,大气压约为1-3帕,是太阳系九大行星之一,按同太阳的平均距离由近及远排列为第八颗,绕太阳运转的轨道半径为45亿千米,公转一周要165年。海王星的亮度为7.85等,只有在望远镜里才能看到。它的直径为49,400千米,是地球的3.88倍。它的赤道半径比极半径约长641公里。

海王星的体积约为地球体积的57倍,质量为地球质量的17.22倍,平均密度为1.66克/立方厘米。表面重力加速度比地球的略大,在两极为1,180厘米/平方秒,在赤道上约为1,100厘米/平方秒。表面上物体的逃逸速度为23.6公里/秒。

海王星有6颗卫星,5条光环。由于海王星是一颗淡蓝色的行星,人们根据传统的行星命名法,称其为涅普顿。涅普顿是罗马神话中统治大海的海神,掌握着1/3的宇宙,颇有神通。

9、冥王星:冥王星是太阳系九大行星中同太阳的平均距离最远,质量最小的一颗行星。冥王星在远离太阳59亿千米的寒冷阴暗的太空中跚跚而行,这情形和罗马神话中住在阴森森的地下宫殿里的冥王普鲁托非常相似,因此,人们称其为普鲁托。冥王星有一卫星,名叫查龙。冥王星的直径约为2,400千米,比月球还小,而查龙的直径为1,180千米,它与冥王星直径之比是2:1,是九大行星中行星与卫星之比最大的。冥王星的质量是地球质量的0.0024倍,这不仅比水星质量小,甚至比月球质量还小;它的密度为每立方厘米1.8-2.1克,反照率为50%-60%。冥王星于1930年1月21日被汤博发现,而洛韦尔对冥王星的发现有不可磨灭的贡献。

1978年发现冥王星有一个卫星(Charon)。这个卫星的表面看上去似乎与冥王星不同,它的表面覆盖着的冰似乎比固态的甲烷还多。由于它的轨道被冥王星的引力所固定,所以它们两个始终以同一半球相对。

由于还没有宇宙飞船访问过冥王星,因此它至今还是一颗神秘的星球。因为冥王星与太阳的距离是如此遥远,致使它表面的温度几乎接近零下240摄氏度。在冥王星上,太阳看上去只是一颗明亮的星。

地面观察显示,冥王星的表面覆盖着固体的甲烷,它有一层薄薄的大气。随着冥王星渐渐远离太阳,这层薄薄的气体将逐渐在地表凝固。美国宇航局计划于2001年向冥王星发射宇宙飞船,使得科学家们能够在它的大气凝固前研究这个遥远的星球。

也许还有着第10大行星,但还没有被人们发现,等待着我们人类的探索。


谢选骏指出:不仅行星上的季节变化毫无规律,行星上的昼夜温差也是毫无规律——这再次证明,我们所说的“宇宙法则”经常只是“地球上的东西”,而且,仅仅局限于目前的瞬间。


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