第四讲 太阳与九大行星
一、太阳。太阳作为恒星，在浩瀚的宇宙中谈不上有什么特殊性，我们的有大约两千亿颗，而太阳只是其中中等大小的一颗。太阳的年龄约为46亿岁，正处在它一生中的中年时期。太阳内核的温度高达摄氏一千五百万度，在那儿发生着氢-氦核聚变反应。核聚变反应每秒钟要消耗掉约五百万吨的物质，并转换成能量以光子的形式释放出来。这些光子从太阳中心到达太阳表面要花一百多万年。光子从太阳中心出发后先要经过辐射带，沿途在与原子微粒的碰撞丢失能量。随后要经过对流带，光子的能量被炽热的气体吸收，气体在对流中向表面传递能量。到达对流带边缘后，光子已经冷却到五千五百摄氏度了。我们所能直接看到的是位于太阳表面的光球层。光球层比较活跃，温度约为摄氏六千多度，属于比较“凉爽”部分。光球层上有一个个起伏的对流单元“米粒”。每个米粒的直径在一千六百公里左右，它们是一个个从太阳内部升上来的热气流的顶问。就是在不断的对流活动中，太阳每秒钟向宇宙空间释放着相当于一千亿个百万吨级核弹的能量。在光球层的某些局部温度比较低，在可见光范围内这些部位就显得比其它地方黑暗，所以人们称之为“黑子”。光球层外包裹着色球层，太阳将能量通过色球层向外传递。这一层中有太阳耀斑，所谓耀斑是黑子形成前产生的灼热氢云。色球层之外是太阳大气的最外层日冕。日冕非常庞大，可以向太空绵延数百万公里，但只有在日全食时才可看到它。人们可以在日冕中可以看到从色球层顶端产生的巨大火焰“日饵”。在辐射光和热的同时，太阳也产生一种低密度的粒子流——太阳风。太阳风以每秒四百五十公里的速度向宇宙空间辐射。地球和其它某些行星的极光也是太阳风带来的。如果一段时间内太阳风异常强大，便形成了太阳风暴。太阳的磁场极其强大复杂，其范围甚至越过了冥王星轨道。
太阳质量为1.989e+30 kg，赤道半径为695,000 km自转周期为25-36 天，逃逸速度为618.02 km/sec，平均表面温度为6,000°C，主要化学成份为：氢92.1%、氦7.8%、其他0.1%。太阳已经46亿岁了，它还可以继续平静地燃烧约50亿年。50亿年后，太阳内部的氦将转变成更重的元素，亮度会增加到现在的一倍，体积也将不断膨胀，、和都将进入它的大气。在经历一亿年的红巨星阶段后，太阳将耗尽所有能源而坍缩成一颗白矮星，并通过向宇宙空间抛射物质而形成一个。
我们的地球依靠太阳的光和热才产生了生命，并使生命得以延续，一旦失去阳光的照耀，地球上所有的生命都将消亡。如果没有太阳，就是九大行星的运行也将无序，而成为宇宙间的“流浪儿”，甚至东撞西碰，最终成为陨星而消失在茫茫宇宙中间。
二、水星。水星是离太阳最近的一颗行星，水星和太阳之间的视角距不超过28度，我国古代称其为“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。水星平均日距为57,910,000 km，质量为3.303e+23 kg，赤道半径为2,439.7 km，只比地球的1/3大一点，水星的体积是地球的5.62％，质量是地球的0.05倍。自转周期为58.6462 天，公转周期为87.969 天，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。平均地表温度179°C，最高地表温度427°C。由于水星表面温度高，它不可能像它的两个近邻金星和地球那样保留一层浓密大气，因此无论是白天还是夜晚，水星的天空都是漆黑的。在水星漆黑的天空中可以看到明亮的金星和地球。水星极其稀薄的大气主要是由从太阳风中俘获的气体组成的，其密度只有地球大气的12%。主要成份为氦(42%)、汽化钠(42%)和氧(15%)等。水星表面的岩石吸收了大量的阳光，反射率只有8%，所以水星是太阳系中最暗的行星之一。九大行星中，除地球之外，水星的密度最大，可能有一个含铁丰富的致密内核，直径大约和月球相当。水星外貌如月，内部却像地球，也分为壳、幔、核三层。水星有出人意料的微弱的磁场和辐射带。
水星只在黎明或白天出现，因此在地球上观测水星较为困难。这一状况直至20世纪70年代中期美国发射了“水手”号探测器才有所改变。“水手10号”发回的图片显示水星的表面与月球极其相似，上面布满了深浅不一的陨石坑。这表明水星也遭受过陨石接连不断的轰击。但水星表面也有广阔的平原，这表明水星在形成初期可能是液态的，后来逐渐冷却凝固成了一个岩石星球。曾经有一些大型的陨石险些把水星打碎，使从裂开的地壳涌出的熔岩流在水星表面到处流淌。水星表面还纵横交错地分布着一些非常长的悬崖峭壁，最高的可达三千多米。水星有一个主要由铁和镍构成的核，水星幔和壳的主要成份则是硅酸盐。它是太阳系含铁量最高的行星。水星上没有液态的水，但1991年在其北极地区观测到一个亮斑。据推测，这个亮斑可能是由于贮存在水星表面或地下的冰反射了阳光造成的。仅管水星表面温度极高，但在其北极的一些陨坑内终年不见阳光，温度常年底于-161摄氏度。这足以使来自水星内部或宇宙空间的水份以冰的形态保存下来。
科学家通过对水星的考察，提出了六大疑问，疑问之一：水星密度为何如此大？水星的体积与月球相似，而其密度则比月球大得多，仅比地球略低，在太阳系内部的类地行星中位居第二。而如果没有行星自身引力对内部的压缩作用，水星的密度将比地球更大。科学家们曾根据其密度推测，水星中有６５％是富含铁等金属的内核，这一比例约相当于地球的２倍。有科学家认为，水星在形成之初可能与地球更为相似，但太阳释放出的巨大热量或来自其他天体的巨大撞击，使水星后来部分丧失了外部的原始岩石层。疑问之二：水星有过怎样的地质史？１９７４年和１９７５年，美国“水手１０”号飞船曾对水星４５％的表面区域进行了拍照，照片上的水星表面古老并布满了坑，与月球表面颇为相似。但“水手１０”号所拍照片并未提供有关水星表面形成机制的足够细节。疑问之三：水星内核结构如何？“水手１０”号曾意外地发现，水星拥有分布于整个星球的磁场。在其他类地行星中，只有地球具备相同特征。地球磁场据认为由外层地核中液态岩浆的运动所形成，体积比地球小得多的水星，照理说其内核早就应该冷却并完全固化。现今的水星磁场是该行星早期原始磁场的残余物，还是说水星内核并非完全是固体从而导致了磁场的形成？疑问之四：水星磁场有何特性？地球磁场会对太阳风和太阳耀斑等太阳活动做出反应，经常产生高度动态的变化。“水手１０”号曾发现水星磁场也会有类似动态变化，但该飞船的探测结果未能很好揭示出水星磁场的特性。疑问之五：水星两极到底存在什么不寻常的东西？水星是距离太阳最近的太阳系行星，表面温度最高可达４５０摄氏度，但其两极巨大的环形山内侧却永远照不到阳光，那里的恒定温度低于零下２１２摄氏度。１９９１年，科学家们首次根据雷达观测图像发现，水星两极环形山内侧具有很强反射能力，最为普遍的一种看法认为，这些区域存在着冰。但也有科学家推测水星两极的沉积物可能由其他材料构成。疑问之六：水星上哪些挥发物至关重要？水星拥有极为稀薄的大气层，水星大气层中已知存在氢、氦、氧、钠、钾和钙等６种元素，这些元素据认为来自于各种渠道，通过不同方式进入水星大气层，到底是哪些元素发挥了重要作用。
为了寻找答案，美国“信使”号飞船从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地启程，前往水星。据美国宇航局专家介绍，“信使”号此次水星之行重在为六大问题寻找答案。破解这些疑团不仅有助于研究水星，也会促进科学家们更深入了解地球等类地行星的形成和演化。
三、金星，太阳系九大行星之一，按距离太阳由远到近的顺序排列第二。中国古代称“太白星”，为除日、月之外全天最亮的星，最亮时达-4.4等。由于金星位于地球轨道内侧，所以总是出现在太阳附近，它与太阳的角距不大于48°，当位于太阳西方时为晨星，位于太阳东方时为昏星，古代的人为它们分别命名，称晨星为“启明”，称昏星为“长庚”。金星的公转轨道是一个很接近正圆的椭圆，其离心率仅0.007，轨道倾角为3.4°。与太阳的平均距离为0.723天文单位，平均轨道速度约35公里/秒，公转周期224.7日。金星与地球间的距离变化相当大，最近时仅4×107公里，最远时可达2.57×108公里。金星是太阳系内唯一逆向自转的大行星，也就是说，在金星上太阳是西升东落的。金星的自转非常缓慢，周期为243日，比它的公转周期还要长。金星上的一昼夜相当于117个地球日。金星的大小、质量、密度与地球都很接近，其半径约6050公里，是地球赤道半径的95%；质量为4.87×1027克，是地球的81.5%；平均密度约为地球的95%。金星有一层非常浓密的大气，表面气压相当于地球的90倍，主要由二氧化碳组成，占97%以上，此外还有少量的氮、氩、一氧化碳、水蒸气，氯化氢和氟化氢等。至今尚未发现金星有卫星。
金星大气中还存在着频繁的放电现象。由于有浓密的大气保护，金星表面较为平坦，环形山的数目很少，有一些不太高的山或山脉。金星表面不存在任何液态水，由于严酷的自然条件，是不可能有生命存在的。金星没有磁场和辐射带，太阳风、紫外线和Ｘ射线可以长趋直入，直达大气深处，在离表面附近的地方形成薄薄的电离层。由于行星大气中的二氧化碳和水气可以让可见光和紫外线顺利通过，对于红外线却相当于不透明。太阳辐射的可见光和紫外线可以穿过它们加热行星表面，行星向外辐射的热能(主要是红外线)却被吸收和阻挡，最终又返回到行星表面，这样，行星的表面温度会不断升高，要在较高的温度下才能达到热平衡。金星大气非常浓厚，而且97%以上是二氧化碳，因此温室效应非常强烈，表面温度达480℃左右，而且基本上无地区、昼夜季节的差别。
金星的浓厚的云层至今仍是妨碍科学家揭开金星表面奥秘的主要原因。射电望远镜和射电摄影系统的出现使我们能够看到厚厚的云层下面的金星表面。金星的表面比较年轻，是300至500万年前才形成的。科学家们正在研究是何原因导致这一现象的。金星的地形主要是覆盖着熔岩的广阔平原和受地质活动破坏的山脉或高原。位于Ishtar地区的Maxwell山是金星上最高的山峰。Aphrodite地区的高原几乎占据了赤道地区的一半。通过麦哲伦计划获得的金星2.5公里以上高原区图像显示它存在明亮的潮湿土壤。然而，在金星表面，液态水是不可能存在的。有一种假设认为这些明亮的区域可能是由于金属化合物。研究显示，这些金属可能是硫化铁。它无法在平原地区存在，但在高原地区是可能的。这些金属也可能是外来的，它导致的效果是一样的，但浓度要低一些。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。
金星基本上没有磁场(强度不到地磁场的万分之一)，也未发现有辐射带。太阳风、紫外线和 X射线均可穿入大气深处，使部分大气电离，造成一个很薄的金星电离层，它离金星表面很近。在夜间电离层的电子密度很小。
1961年以来，苏联和美国先后发射了14个行星际探测器飞向金星。最早是前苏联在1961年2月发射“金星”1号。美国在1962年8月27日发射的于同年12月24日到达金星附近,与金星最近距离为34,833公里。前苏联在1967年6月发射的“金星”4号的飞行舱于同年10月18日首次进入金星大气，撞在金星的表面上。1975年6月前苏联发射的“金星”9号和“金星”10号，分别于同年10月22日和25日到达金星，并在金星表面上实现了软着陆，获得了第一批金星全景遥测照片。1978年，美国发射了“先驱者－金星”1号和2号，苏联发射了“金星”11号和12号。这四个行星际探测器都在1978年12月到达金星附近,共发出7个着陆舱降落到金星表面进行综合科学考察，大大增加了人们对金星的知识。前苏联的“金星”号探测器在20世纪70年代和80年代取得了金星表面外貌和组成的详细信息。，金星平原上遍布扁平的岩石，以及颜色较暗的细颗粒状土壤。“金星”13号和“金星”14号探测器所测定的表面成分近似于地球上的玄武岩。在“金星”号以及美国的“先锋”号、“麦哲伦”号的任务中，用雷达绘制的金星地貌图显示出复杂的地质结构和多变的地形地貌金象征 表面的大部分是绵延起伏的平原，另有几处低洼地带和两处大陆规模的高原。在伊希塔尔大陆的东部有一串巨大的高山称为麦克斯韦山脉，比金星表面的平均高度高出1万米以上。其他的地貌有陨石撞击的环形山，大裂谷，断层、裂缝、火山等等。其中许多地形结构均与火山活动有关。总的来看，金星地貌不像是那种使地球大部分表面成形的地壳板块构造的活动。证据表明，金星和地球一样，现正是一个地质流动体。
尽管探测过金星的飞船已经有26艘，但许多重要问题目前仍不清楚，金星仍是一个神秘的世界。
（1）为什么金星的大气层含有那么多的二氧化碳？二氧化碳是金星大气层的主要成分，占96％，而地球大气中的二氧化碳只占0.033%。地球大气中一度存在的二氧化碳，现在几乎全部禁锢在碳酸盐岩石（如石灰石）中，其数量与金星大气中的二氧化碳数量相当。为什么金星的大气层中的二氧化碳一直以气态形式存在于大气层中呢？两个原本性质相近的行星又何以演化为南辕北辙的两种世界？
（2）金星历史上曾经有液体海洋吗？有一种理论认为，金星曾经比较冷，有过海洋。在金星演变的某个时期，温度升高，逐渐蒸发海洋。水分蒸发进入上层大气，在那里被太阳加热逐渐分解。其中的氢逃逸到空间。海洋中的二氧化碳逐渐进入大气中，使大气变厚，阻碍大地向太空散发热量，从而引起地面气温升高，产生温室效应。为了证实金星曾经有液体海洋的理论，需要详细探测金星大气层中氘（氢的同位素）的含量与分布。
（3）金星上现在有活火山吗？根据美国“麦哲伦号”的探测，科学家们确认金星曾经是太阳系中火山活动最频繁的行星。几十亿年以来，火山不断爆发。但其爆发的原因仍然是个谜。也许爆发仍在继续，大气中的有毒气体硫不断增加。但目前还没有获得火山仍在喷发的证据。
（4）金星上有生命吗？一般人们认为，金星地表温度太高，大气压力也太大，大气中含有大量极具腐蚀性的酸蒸气，不适合生命的存在。但美国得克萨斯州大学的一个研究小组动摇了这一结论。他们的研究表明，金星实际上可能有生命。他们发现金星大气里有神秘的斑块在旋转，经过分析，认为这些斑块可能是细菌群体。这些微生物云可能在金星大气50公里上空的云中生存着，因为这儿的环境相对柔和，有水滴存在，温度是70℃，大气类似地球。他们在分析以往探测器的资料之后，发现金星上出现了化学上的怪事，只能用有活的微生物存在来解释。他们原本期望在这些资料里找到大量由太阳光和闪电造成的一氧化碳，结果发现了硫化氢和二氧化硫，这两种气体一般不会一起被发现，除非有某种东西在产生它们。他们也发现了硫化碳酰，这是一种很难通过无机化学方式产生的气体，一般认为它的出现和活的有机体有关。因此他们分析金星上可能有一种我们还不知道的产生氢和硫化碳酰的方法，但产生这二者都需要催化剂。在地球上最有效的催化剂就是微生物。他们认为这些微生物可能利用太阳的紫外光作为能源，这就可以解释为什么在金星的紫外图像上存在着这些奇怪的暗斑了。尽管如此，许多科学家还是怀疑他们的结论。因此，需要对金星大气进行深入的探测才能得到某种可靠的答案。
（5）金星大气“超旋”之谜。金星云层中自东向西刮着每秒80米至110米的大风，比地球上的台风要强得多。金星赤道自转速度为每秒1.81米，仅相当于最大风速的60分之一，故科学家们将这一疾风称为“超旋”现象。发现此现象虽已40多年，但仍是不解之谜。
为了解开金星之谜，2005年10月26日欧洲宇航局的“金星快车”探测器将从拜科努尔航天发射场启程前往金星。“金星快车”探测金星的主要任务是：（1）氪和氙等重的惰性气体的含量，涉及到金星的起源与演变；（2）微量气体及其同位素的含量，有助于类地行星环境的比较研究；（3）表面性质，包括地质特征、陨石坑分布；（4）挥发性物质在内部演变过程中的作用；（5）金星温室效应的机制；（6）大气层闪电；（7）中层大气成分和动力学；（8）热层动力学；（9）电离层结构、成分和动力学。并在空中对金星表面进行扫描、研究金星大气的构成、研究金星上火山活动情况。科学家们称，金星上有剧烈的火山喷发活动，这导致金星表面近90%的地方全被淹没在火山熔岩中。“金星快车”还将研究金星两极地区的旋风。预计，该探测器将对金星进行至少两年的探测。
(待续) |
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