第三课 类地行星

秦基兴拍

主要内容
·  【水星】
·  【金星】
·  【火星】
·  【 类地行星对比】
了解/理解

• 水星基本信息：自转、表面、内部结构
  
• 金星基本信息：大气、地形、表面、热
  
• 火星基本信息：表面、季节、过去、水
  
• 类地行星对比与命运
  

从地球看向太阳系，离我们最近的是水星、金星、火星等类地行星。我们会学习它们的各种特征，理解它们的形成与演化，最终对于我们研究其它行星系有什么启示。
【水星】
水星离太阳近（～0.4 AU），只有在早晨或傍晚的时候才能看到。
半径为地球的0.38倍，质量仅为地球的0.055倍。白天的表面平均温度为700 K，晚上为100 K。
自转周期为59天，公转周期为88天，这种现象是水星长期受到太阳引力所产生的潮汐作用的结果。水星已经被太阳潮汐锁定，只是以3:2的轨道共振，而不是像月球被地球那样1:1的完全潮汐锁定。
水星轨道为椭圆轨道，在近日点公转和自转几乎完全同步。
水星的一日（太阳日：某地两次太阳过中天的时间间隔）为176天，是水星的两年。在两个公转轨道周期中，近日点受太阳直射的分别是的赤道相对的两个点，而且永远是这两个点，被称为热经度。热经度峰值温度700 K，远日点直晒550 K。
*问题：可以用哪些方法测量水星的自转?月亮总是一面对着地球，为什么水星不是一面总对着太阳?为什么水星在 3:2 的自转-公转共振态?
水星表面跟月球有一定的类似性，上面也有很多环形山，但是没有月球多。
（1）环形山比较缺乏，可能是被早期剧烈的火山岩浆覆盖。
（2）环形山比较浅，抛出物离撞击点较近：重力较大，飞溅物少/近。
（3）存在一些悬崖结构，能高几公里，并且有好多环形山砸在悬崖上。说明行星内部开始处于熔融状态，后来冷却和收缩，但外面的岩石收缩性比较小，导致挤出这些悬崖式的结构。
（3）常出现在环形山中央的坑洼：撞击掘出物中不稳定物质容易挥发，被太阳蒸发形成。特别不规整。
水星的平均密度比较大（～5400 kg/m3），仅次于地球的平均密度（～5500 kg/m3）。说明里面有一个密度比较大的铁核。
测量行星内部结构方法：月震仪；卫星绕转；行星自转的变化（月球自转摆动的测量精度可以达到0.001角秒）等。
水星的磁场比较弱，只有地球的1%。并非太阳风带来的残余磁场，是水星自身的磁场，且本身有变化。按照发电机的必要条件，说明里面可能有液态的金属核在转动。
综合平均密度、磁场等信息，可以大致推知行星的内部结构，包括固体内核、液体内核、水星幔。其中内核（铁芯）体积占水星的60%，质量占80%。
水星表面发现了残留大气。对于氢/氦来说，由水星（很高的）表面温度计算出的麦克斯韦速度远超水星表面的逃逸速度，所以看到的氢/氦来自并非水星的大气。水星光谱中的氢/氦等都来自太阳风。
一般而言，行星重元素可能的来源包括外来流星、火山爆发等。但水星光谱中的重元素是由于太阳风粒子砸到水星表面，将矿物中无机分子里的重元素打出来。与月球情况类似。
*问题：人类探测器揭示的水星表面特征和月球有何相同与不同之处?(环形山多少、次生坑洼、全局性绝壁、卡洛里盆地)
*问题：我们如何揭示水星内部的结构?其内部结构与地球、月球有什么区别?
【金星】
由于在地球上分辨不出来金星表面，过去是利用雷达测量金星自转。金星自转非常慢，要243天才能转一圈。并且自转和公转是反向的。
【如果是自转和公转是同方向，两者相加，谱线展宽就要宽一些。如果是反方向，展宽就要窄一些】
*问题4：如何测量金星的自转?能否使用紫外观测显示的特征?使用雷达回波测量时如何确认自转的方向?
通过观测金星云层反射太阳光谱，可以知道云中存在大量二氧化碳。
射电观测可穿透云层：金星发出的辐射具有黑体谱特征温度约730 K。
金星有非常浓密的大气：大气压有90个大气压。其中96.5%的是二氧化碳，剩下的有氮气和一些微量气体，如水蒸气、一氧化碳、二氧化硫、氩气等。
金星大气温度随高度升高而降低；经过对流层，到达硫酸云层后，温度开始回升，这是因为二氧化硫吸收紫外线（地球是臭氧）。



来自《今日天文》

金星大气流动特别迅速（高空急流），能达到数百公里每小时（300-400 km/h），4天绕金星一圈。高空大气密度低，温度梯度可以驱动得非常快。
*问题：地球观测者如何知道金星大气的性质?金星为什么是金黄色的?没有磁场的保护，金星如何保有浓密的大气?如何看穿浓密的大气测量金星表面的性质?
*问题：金星大气的温度结构是什么?金星为什么这么热?与地球大气结构有什么不同?金星大气为什么没有逆温层?
由于金星自转很慢，所以没有磁场。因此金星的大气也在慢慢的被太阳风剥离（通过电荷交换等方式，中性粒子变为带电粒子，从而由电磁作用带走；并非几何碰撞带走，因为几何截面很小）。但现在金星的大气非常浓厚，太阳风粒子无法到达地表。
穿过金星大气观测地表，会发现高地占表面的8%，低地占27%，起伏平原占65%。这与地球差别巨大（地球表面四分之一为陆地，四分之三为海洋）。
高地上相交山脊的表面有反复的压缩和弯曲，来自于幔层对流造成的巨大壳层压力。
金星上有火山，但与地球火山的原因不同。地球火山活动主要与板块边界相关，而金星没有全球板块构造，没有板块运动。金星的大多数火山被称为盾状火山：熔岩通过地壳中的“热点”涌出，连续的火山喷发和熔岩流维持很长一段时间。
金星表面过去很活跃。现在依然可能有火山活动：云层上方二氧化硫水平的巨大频繁的波动；类似地球火山导致的射电能量爆发。
金星如此热或温室效应失控的原因：地球大气里的二氧化碳溶于水，形成水成岩；火星中水蒸气被太阳风/太阳紫外辐射蒸发，二氧化碳只能存在于大气中。相比于地球，离开金星表面逃逸到太空的红外辐射的比例小得多，导致了强大的温室效应，造就了如此高的温度。

*问题：金星有哪些火山活动的表现?金星火山与地球火山有什么不同?金星为何没有类似地球的板块运动?
*问题：最近新闻报道的金星上的生命特征是怎么回事?有什么其他解释?如何进行进一步检验?


【火星】
从地面可以看到火星地表的结构。因此不需要雷达，直接通过连续观测就可以得到自转周期，大约是25小时。自转平面与公转轨道的夹角为24度，与地球的23.7度类似。
但火星的轨道为椭圆，与地球很不同。南半球的夏季出现在其近日点附近，北半球的夏季在远日点附近，因此南半球明显比其北半球的夏季更温暖。
*问题：从地球上观测火星能知道哪些信息?有无磁场?为何是红色的?火星上有没有四季?和地球四季有什么区别?为何地表会出现季节性变化?
火星平均温度比地球低50度，即237 K。
从地球上和地球轨道对火星进行的光谱观测发现，极冠不断变化，大多是冷冻的二氧化碳（即干冰），而不是地球北极和南极那样的水冰。
【低于150 K为干冰，高于150 K就变成气态的二氧化碳】

*问题：你认为火星极冠组成是什么?如何确认?季节性极冠体积大小如何估计?为什么南北极冠不对称?为什么北部残存极冠反而大?
火星大气非常稀薄，只有地球大气的千分之6左右。最大量的是二氧化碳，95%；另外包括氮气、氩气，非常少量的氧气、一氧化碳、水蒸气等。
大气结构：二氧化碳冰云比水冰云轻，所以在水冰云上方。火星大气里没有吸收紫外线的臭氧、二氧化硫等，所以没有逆温层。
火星有大规模高速沙尘暴。一般来自南方，一方面因为南方比北方平均高几公里，另一方面因为有对流（南半球温度高）。速度高是因为大气稀薄。
火星存在水冰雾。太阳光加热峡谷底部，驱动水蒸气，接触到火星地表冷空气时，再次冷凝，形成了临时水冰雾。并非水云，因为温度只有250 K，没有到达270 K。

*问题：火星大气成分有哪些?火星上有什么云?这些云为什么能到 30-50 km高?
火星北半球主要是火山平原，最著名的火山是奥林匹斯山，跨度700公里，高约25公里。南半球存在大量高地，最有名的有塔尔西斯隆起和附近的水手谷。
地球的地质活动比火星剧烈，然而由于火星小、重力小，因此会有比地球高得多的火山。
北部平原的环形山比南部高地少得多。北部年龄可能是30亿岁，而南部有40亿岁。在许多地方，南部高原和北部平原之间的边界相当清晰——表面高度可以在100 km的水平距离上下降多达4 km。多数科学家假设南部地形是这个星球的原始壳层。而北半球的大部分为何会高度降低，随后又被熔岩充斥，依然是一个谜。
*问题：火星地表有哪些全局和局部特征?火星山脉如何形成?为什么那么高? 大峡谷如何形成?为什么火星壳层没能发展出板块运动?
火星过去存在水：（1）很多像树叶型的平原，可能是以前有水留下的痕迹；（2）水成岩。
火星极冠存在季节性变化。夏季极冠变小，因为干冰减小，二氧化碳增多。北极冠存在水冰。太阳蒸发会升华变成水蒸气。
北部极冠比南部极冠高50 K：冰比较脏，反射率低，吸收热量多，温度高。南方的沙尘暴降到北方后，导致北方的水冰更脏。
火星地下存在水冰：陨石坑的“泼溅”形状；雷达；就位探测。
而且，1999年至2005年期间，火星的一个环形山内发现某种白色条纹，可能是某种液体流过表面。
火星曾经有温暖湿润的过去，甚至有海洋，但是现在变得又冷又干、比较硬，连板块运动都没有。这在很大程度上是从火星失去大气开始的。
（1）火星引力较弱造成大气泄露。
（2）火星没有全球性磁场，虽然转的快，但是硫化铁的固态核，所以没有磁场。缺少磁层保护导致被太阳风剥离。
（3）被频繁的大天体相撞事件所驱逐。
大气慢慢失去，同时以前有水，二氧化碳融入水生成碳酸盐，大气里的二氧化碳也变少，导致降温。进一步导致水蒸气也没有了。二氧化碳也被冻成干冰，成了现在的模样。

*问题：为什么说火星有一个温暖湿润的过去?火星地表现在有水么?有没可能有地下液态水?可能存在形态是什么?如何探测?(火星地下湖)
【 类地行星对比】
类地行星应该同时形成，而今天命运极度不同。
水星、金星、火星、地球、月亮的类比：
（1）组成：核心、幔、壳。比例、固液态等
（2）自转周期
（3）磁场
（4）板块运动：只有地球有板块运动，其它没有这种由于地幔对流导致板块在上面不稳定、到处跑的表现。没有板块不是说没有火山，比如火星。
（5）大气
（6）大气成分
（7）水


造成不同的主要因素有：
（1）大小
（2）到太阳距离
（3）太阳系的年龄
开脑洞：如何改造金星、火星？（怎么产生磁场？）
*问题：水星、金星、火星有磁场么?为什么?没有磁场的保护，金星为什么能保有浓密的大气?
*问题：如果把地球推到金星或火星处，会发生什么?