个人介绍
太阳系中的有趣科学

主讲教师:周煦之 田晖

教师团队:共2

  • 周煦之
  • 田 晖
课程介绍
人类的现代科学启蒙是从对太阳系的观测开始的:牛顿定律的提出,很大程度上正来自于人类对行星运动规律的总结。现代科学和技术的出现促进了人类对太阳系的进一步探索,而另一方面,这些探索本身也为各学科的发展做出了巨大的贡献。本课程面向各学科背景的同学(包括文科生和理科生),有针对性的选择一部分太阳系研究中有趣的观测现象,在介绍这些有趣现象的同时,探寻其背后的科学原理。因此,开设本课程的目的绝不仅仅是展示多姿多彩的太阳系,更多的则是借助太阳系这个平台,展现现代科学研究的逻辑和批判性思维的力量:当遇到未解之谜的时候,我们应该如何去解决它?
教师团队

周煦之

职称:博士生导师

单位:北京大学

部门:地球与空间科学学院

田 晖

职称:博士生导师

单位:北京大学

部门:地球与空间科学学院

探索太阳系的奥秘

太阳系是以太阳为中心,和所有受到太阳的引力约束天体的集合体。包括八大行星(由离太阳从近到远的顺序:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星 )、以及至少173颗已知的卫星、5颗已经辨认出来的矮行星和数以亿计的太阳系小天体。

广义上,太阳系的领域包括太阳,四颗像地球的内行星,由许多小岩石组成的小行星带,四颗充满气体的巨大外行星和充满冰冻小岩石被称为柯伊伯带的第二颗小天体区。其中目前太阳系有八大行星,分别是水星,金星,地球,火星,木星,土星,天王星,海王星。



距离太阳最近,是太阳系中质量和体积最小的行星。水星常常隐藏在太阳的光芒里,常和太阳同时出没,中国古代称它为“辰星”。由于距离太阳最近,大气又非常稀薄,所以水星上的温差是整个太阳系中最大的。



金星是除太阳、月球外最亮的星,在中国古代,金星有很多名字。比如太白星或者太白金星;它有时是晨星,黎明出现于东方天空,被称为“启明星”;有时又是昏星,黄昏后出现西方天空,被称为“长庚星”。金星在太阳系中非常奇特,因为它是唯一一个逆向自转的行星,并且它的自转周期和公转周期几乎相同。由于金星厚达数千米的大气层主要由二氧化碳组成,所以金星的温室效应特别明显,表面温度高达400多,是太阳系中温度最高的行星。



我们生存的家园,也是太阳系中唯一有生命的星球。由于散射作用,地球呈现出蓝色,被称为“蓝色星球”。据太阳的距离第三,十分适合生物生存的一个星球,充满奇迹和生机。

 


火星的体积和质量与地球很像,但火星的表面没有海洋,而有大量的氧化铁,氧化铁是红棕色的,所以整个火星也是橘红色的,因此火星被称为“红色星球”。火星在地球的外侧,有少量的CO和水蒸气.火星上有云、雾、霜和大风,有四季交替的气候变化,平均温度-60℃,昼夜温度差达100多度,再加磁场弱,不能阻隔太阳风、宇宙线和紫外线等的直接照射。在火星环境中,老鼠、乌龟、青蛙、蜘蛛和甲虫,分别只能活几秒钟、6小时、25小时和几个星期。



       

太阳系行星中质量最大的一颗,它的质量是地球的300多倍,体积是地球的1300多倍。被称为“行星之王”。木星是太阳系中拥有天然卫星最多的行星,多达66颗卫星。木星上的风暴是最为著名的景观,持续了漫长的岁月。大气层也被发现相当紊乱,这表明由于它内部的热量使得飓风在大部分急速运动,不像地球只从太阳处获取热量。木星表面云层的多彩可能是由大气中化学成分的微妙差异及其作用造成的,可能其中混入了硫的混合物,造就了五彩缤纷的视觉效果,但是其详情仍无法知晓。




太阳系最美丽的行星,独特显眼的环,是他的特征,也有行星具有环。中国古代称之镇星或填星。土星的自转很快,仅次于木星,由于快速自转,使得它的形状变扁,是太阳系行星中形状最扁的一个。



  

天王星是太阳系最冷的行星(虽然它离太阳的距离比海王星离太阳的距离要近),平均温度-263摄氏度,接近绝对零度(-270摄氏度)大多数的行星总是围绕着几乎与黄道面垂直的轴线自转,可天王星的轴线却几乎平行于黄道面,因此天王星的南极几乎是接受太阳直射的,所以天王星是太阳系中唯一一个躺着自转的行星。




海王星是离太阳最远的行星,但温度没有天王星冷,可温度也有约-210度,上面刮着太阳系最大的风,足以把珠穆朗玛峰吹断。海王星最大的特点在于海王星上的风暴是太阳系中最快的。


火星是太阳系内,除地球外,最适宜人类居住的行星,所以火星是学术研究的焦点和外星殖民的候选地之一。另一个殖民候选地月球虽然距离地球较近,但是只有16%的重力,相对而言,火星38%的重力更加接近地球的重力。而且,火星具备稀薄的大气层和丰富的水资源。上述因素令火星压倒月球,成为最适宜殖民的星体。



     “从长远来看,人们不可能生存在一个星球上,未来某一天,虽然我不知道是何时,但总有一天,住在外星球上的人类会比地球上的多。”

  • 人口爆炸

  • 资源匮乏

  • 地球终将毁灭?



    美国SpaceX太空公司创始人埃隆·马斯克在英国伦敦皇家航空学学会演讲也宣布了一个惊人的火星殖民计划。穆斯克石破天惊地宣称,在未来15年到20年,美国SpaceX公司计划将8万名地球人送往火星殖民,他们将在火星上过上自给自足的生活,并在火星上休养生息,繁衍后代。每位火星“殖民先驱”都必须为这趟火星之旅支付50万美元的“旅费”。第一批火星探险者将不会超过10人,他们的任务是在充满灰尘的火星荒漠上建立一个密封透明的穹顶形大型增压建筑。穆斯克称,8万人殖民火星计划如同给地球上的所有生命买了一个意外灾难“人寿保险”。

该公司火星殖民计划的第一步,是在15年到20年将首批人类送上火星;计划的第二步,是设计出一种“快速和可循环使用”的垂直升降火箭,这种垂直升降火箭将成为火星大规模殖民计划的关键步骤。穆斯克称,这种垂直升降火箭将是该公司“猎鹰9号”火箭的升级演化版,穆斯克已经为该测试火箭的原型取名“蚱蜢”,它已经通过两次短暂的测试飞行。SpaceX太空公司的科学家计划在未来几个月中,“逐步增加该测试火箭的飞行高度和飞行速度”,直到该测试火箭能够直接飞入地球轨道,然后再重新安全返回地球。


将火星改造为一个适合地球生命居住的星球。

目前,火星上气温过低,人类根本无法适应与生存。若要使火星温度达到人类能够接受的水平,最好的方法是往火星大气层内补充二氧化碳气体。虽然目前火星大气内几乎完全被二氧化碳充斥,但其中的二氧化碳层实在太过于稀薄,起不到保暖作用。增大火星大气层内二氧化碳浓度的方式主要由两种,一是挖掘火星上已有的二氧化碳资源,将它们转化为气体形式;第二种方法是人为地往火星上充二氧化碳,这便需要从地球上调二氧化碳。

第一种方法,科学家曾在火星南北极找到了一些白色的极冠,这些极冠主要由干冰构成。科学家原本计划往干冰上铺洒一些物质,例如深色灰尘,让干冰吸收更多热量,将二氧化碳挥发出来。但是,即便是将火星南北极内现存的二氧化碳都挥发到空气中,火星的大气压也只能从0.6%标准大气压上升到1.2%大气压。哪怕将火星的土壤内、岩石中蕴含的二氧化碳全都挥发到空气中,火星大气压最多也只能达到6%标准大气压,还远远起不到保温的作用。

第二种方法,大多数科学家都认为,将地球上的二氧化碳调往火星实在太困难。而且,若实施第二方法,可能还会影响到地球上二氧化碳的浓度,给人类生存造成影响,得不偿失。

最终,科学家只能遗憾地认为,改造火星,改变火星大气实在过于困难。未来,若真要在火星上生活,估计只能在火星上建起真空防护罩,人类寄居在防护罩内。

因此,将火星改造为地球的难度极大,未来人类殖民火星希望渺茫。


“费米悖论”隐含之意是,理论上讲,人类能用100万年的时间飞往银河系各个星球,那么,外星人只要比人类早进化100万年,现在就应该来到地球了。换言之,“费米悖论”表明了这样的悖论:A.外星人是存在的——科学推论可以证明,外星人的进化要远早于人类,他们应该已经来到地球并存在于某处了。B.外星人是不存在的——迄今,人类并未发现任何有关外星人存在的蛛丝马迹。


由美国天文学家法兰克·德雷克(Frank Drake)于1960年代在绿岸镇提出的一条用来推测“可能与我们接触的银河系内外星球高智文明的数量”的公式。

法兰克·德雷克认为可以根据一个新的方程式计算外星文明数量,但是该公式中有一个变量在当时还不得而知,即系外恒星存在行星的可能性有多少。过去的二十年内,系外行星的发现报告如同雨后春笋般涌出,其中开普勒望远镜的发现占据了相当大的比例,该探测器自2009年发射后,已经发现130多个系外行星世界,等待确认的数量达到3000颗左右,显然系外行星在恒星周围是普遍存在的。

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