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太陽系的天體研究 研究員：余友竹 指導老師：湯銘勝老師 壹、研究動機 • 有一天，我在爸爸訂閱的科學人雜誌上閱讀到一篇有關土 衛六(泰坦衛星)的─甲烷迷霧。 起初，我以為那是一顆介紹地球大氣的模擬星球，仔細一 看，才知道，它是一顆具有含氧氣、甲烷的星球。 他擁有河川、大海、山嶽、火山、雲層和雷電、降雨等現 象。 看起來似乎除了溫度比地球低以外，其餘的好像和地球的 現象很相近，因此，科學家懷疑上面是否有生物，也因此 而吸引我對這顆星球的好奇。 從此，我便對太陽系各個天體產生了研究的興趣。 研究目的 •一、 •二、 •三、 •四、 •五、 探討太陽系的形成的假說 認識太陽系行星的種類 認識太陽系的行星 認識太陽系行星的衛星 認識太陽系的完整天體 研究方法 1. 資料收集與文獻探討 2. 參考現有的航太科技研究的成果 肆、研究內容 1. 2. 3. 4. 5. 太陽系的形成的假說 太陽系行星的種類 太陽系行星的介紹 太陽系行星的衛星 太陽系的天體 一、太陽系的形成的假說 •目前有關太陽系形成的假說最常見的就是星雲假 說。根據星雲假說，太陽系演化於47億年前的一 片巨大分子雲中的一小塊引力坍縮。太陽系形成 前，有一個龐大、混著塵埃的原始星雲，萬有引 力使其中的微粒聚集在一起，引力最強的中心部 份吸引的物質最多，最後就形成了太陽。其它引 力較小的則是形成行星和衛星。 二、太陽系行星的種類 • 太陽系又可分成類地行星和類木行星，類 地行星離太陽較近；因為類地行星裡的四 顆行星都很像地球，所以叫做類地行星。 類木行星離太陽較遠；因為類木行星裡的 四顆行星都很像木星，所以叫做類木行星。 註：赤道面：你 可以把地球比喻 成一顆西瓜，從 赤道切下去得剖 面極為赤道面 註2：軌道面： 地球公轉的軌 道所形成的橢 圓形面即為軌 道面 (一)、類地行星 •類地行星包含水星、金星、地球、火星。 類地行星又叫作內太陽系。這四顆行星的質 量都比較小，但平均密度卻很高，且都具有 固體的表面，此外，這一類的行星因為體積 小、質量輕、自轉慢、晝夜溫差大、赤道面 幾近為軌道面，使類地行星不易有衛星存在。 類木行星 (二)、類木行星 •類木行星包含木星、土星、天王星、海王星。 類木行星又叫作外太陽系。這四顆行星的質量 會比較大，但平均密度卻很低，有些行星甚至 比水的比重還要輕，例如土星。這類行星並沒 有固體的表面，大多是由氫、氦、甲烷、氨等 氣體及少數的冰。而類木行星最大的特色就是 擁有光環，其中以土星最為明顯，而且這些行 星的衛星很多。 表格 表格 包含行星 體 質量 積 平均密度 組成成分 衛星數量 光 環 類地行星 水金地火 較 較小 小 較大 岩石、金 屬 較少 無 類木行星 木土天海 較 較大 大 較小 氣體、冰 較多 有 三、太陽系行星的介紹 •太陽系有八顆行星 •其中是水星、金星、地球、火星、木星、土星、 天王星和海王星 •前四者是類地行星，也就是岩石行星。後四者 是類木行星，也就是氣體行星。 • 水星 • 土星 金星 天王星 火星 海王星 木星 表格 (一)、水星 • 水星是太陽系數來的第一個行星，由於被太陽的引力給吸引，使水星 的自轉速度變得很慢。水星自轉一圈稱為一個水星日，大約是58.6個 地球日，而水星公轉太陽一圈稱為一個水星年，約為88個地球年。因 為太陽的強烈引力，使水星沒有任何可以保護行星的大氣層。水星與 太陽的平均距離約為5790萬公里 [ 0.387AU ] 水星白天的溫度相當 於攝氏430度，而晚上的溫度則是相當於攝氏零下180度，由此可見水 星的日夜溫差很大。水星的質量很小，約是0.055個地球質量，赤道 直徑大約是4879公里( 相當於0.382個地球直徑 )，水星上面沒有任 何衛星。 金星 (二)、金星 • 與太陽的距離約為一億八百萬公里的金星，可以說是地球的雙胞胎行 星。和地球的大小、密度、運行狀況與組成結構最類似的行星，金星 的質量約是0.815個地球質量，赤道直徑約是12,100公里(約是0.95個 地球直徑)。金星的大氣壓比地球還大了九十倍，有著濃密的二氧化 碳及碳酸雲，因前提原因，使金星的溫室效應造成了攝氏465度的高 溫地表。雖然有著強烈的火山，但是從來沒有發生過類似地球的上板 塊移動的現象。金星的自轉方向和其他鄰近的行星的自轉方向不太一 樣，自轉的赤道面與軌道面夾角為177度，以地球地角度看，金星是 倒立著在黃道上繞著太陽公轉，金星公轉太陽一圈約是224.7個地球 日，也就是一個金星年，而且金星自轉速度非常的慢，甚至比公轉速 度還慢，約為243個地球日，也就是一個金星日。金星是沒有衛星的 行星。 火星 (三)、火星 • 火星與太陽的平均距離約為兩億三千萬公里，因為地表土壤中含有大 量的氧化鐵等物質而呈現出是一個「紅色行星」。繞行太陽公轉一圈 約是687個地球日，也就是一個火星年。火星質量約是0.1075個地球 質量，赤道直徑約為6,790公里。火星自轉一圈稱為一個火星日，約 為24小時37分鐘，火星赤道面與軌道面夾角約為24度，有約地球一半 厚度的大氣層，且擁有春夏秋冬四季，火星的表面溫度在攝氏120度 至攝氏25度間、可能在初期時有大量的水存在，這些物質生存條件與 地球頗為相近，因此常被質疑有生物存活過。但火星沒有版塊運動， 也沒有火山爆發的現象，地函內部岩漿的流動似乎也停止了，僅有局 部的微弱地磁可被測量到，大氣中大部分都是由二氧化碳所組成的。 火星有兩顆衛星，名為火柏斯 (Phobos)和迪莫斯(Deimos)。 木星 (四)、木星 • 木星與太陽的平均距離約是7億7,800萬公里，質量約是地球質量的 318倍。木星的赤道直徑大概是142,980公里，目前已知大約有16顆衛 星。其中，有四顆和行星一樣大的衛星，稱之為伽利略衛星，這是伽 利略在1610年時發現的。這四顆衛星的表面比月球還要活躍，有些衛 星甚至有火山活動。木星繞太陽公轉一圈稱為一個木星年，約11.86 個地球年。木星自轉一圈稱為一個木星日，大約是9小時55分。木星 上有很多呈現東西條紋或眾多大小不一的斑點，而「大紅斑」就是最 著名的標誌，它是一個超過地球三倍面積的螺旋狀暴風雲，大氣層表 面雲上端溫度約為攝氏零下150度。木星的赤道面與軌道面夾角度約 為3.1度。 土星 (五)、土星 • 土星的赤道直徑約為120,540公里，這顆巨大行星的主要 成分是由氫所組成的，密度輕到可以浮在水上。木星的質 量大約是地球質量的95.18倍。土星繞太陽公轉一圈稱為 一個土星年，大約是29.5個地球年，而土星自轉一圈稱為 一個土星日，大約是10小時14分鐘，土星大氣雲上端溫度 約為攝氏零下180度，它的赤道面與軌道面的夾角度大約 是26.4度。土星是目前八大行星裏最多的為星環繞的行星， 目前已知有22顆行星圍繞著它，土星最著名的特色就是土 星環，成分大概是由一些冰塊及灰塵組成的。 天王星 (六)、天王星 • 天王星的赤道直徑約是51,120公里，天王星與太陽的平均 距離約為28億7千萬，天王星公轉一圈叫作一個天王星年， 約為84個地球年，但天王星自轉的方向和其他的行星不一 樣，牠的赤道面與軌道面的夾角度大約是97.7度，從地球 的方向來看，它簡直是橫躺在黃道面上。天王星以每秒約 6.81公里的速度繞行太陽，一般認為是太陽系形成初期被 隕石碰撞所造成的。天王星自轉一圈稱為一個天王星日， 約為17小時14分鐘，天王星大氣層雲上端溫度大約是攝氏 零下220度。目前我們知道天王星行星的數量是21顆。 海王星 (七)、海王星 • 海王星距離太陽約 44 億 9 千萬公里，它的大氣層充滿暴風雲， 和木星一樣有明顯的斑點。在它的南半球有個「大藍斑」，正 可媲美於木星南半球的「大紅斑」。 海王星自轉一圈為一個 「海王星日」，約為 16 小時 7 分。海王星自轉所呈現的赤道 面與軌道面夾角約為 28.8 度， 海王星以平均每秒約 5.43 公 里的速度繞行太陽。 海王星繞行太陽一圈為一個「海王星年」， 約為 164.793 個地球年 (約 60,189 個地球日) 。 因為距離 太陽遙遠，海王星大氣層雲上端溫度約在攝氏零下 216 度， 但海王星大氣層下覆蓋著廣大的溫水與氣體以海神為名恰如其 份。 海王星質量約為 17.24 個地球質量，赤道直徑約 49,530 公里。 表格 表格 與太陽 的平均 距離 直徑 ( km ) 質量(M/M 密度 (g/cm3) 表面溫 度(℃) 公轉週 期 水星 0.39AU 4880 0.06 5.4 -173 到430 87.97 地球日 58.6地球日 金星 0.72 AU 12,100 km 0.95 5.2 450 226地 球日 243地球日 地球 1 AU 12,760 5.976*10 24 kg 5.497 -50 至 50 365.26 天 24地球日 火星 1.52 AU 6,800 0.53 3.9 22 至169 686 地 球日 24小時 37分 鐘 木星 5.20 AU 143,80 0 317.89 1.3 -110 11年 321地 球日 9小時 56分 鐘 土星 9.54 AU 120,00 0 95.15 0.7 -180 29年 168地 球日 10小時 14分 鐘 天王星 19.2 AU 52,300 14.54 1.2 -220 84.01 年 約17小時 14 分鐘 海王星 30.06 AU 49,500 17.23 1.7 -216 164.79 年 16小時 30分 鐘 地球) 自轉週期 四、太陽系行星的衛星 • 我是找地球的衛星，以及五顆太陽系最大 的衛星 (一)、月球 •月球的近日點是363,104 公里，遠日點是 405,696 公里。月球的平均公轉速度大約是以 1.022 公里／秒的速度旋轉，而他赤道面與軌道 面的夾角度約是6.687°。月球的平均半徑約是 1,737.103 公里；赤道半徑則是1,738.14 公里。 體積是:2.1958×1010 km³；質量是: 7.3477×1022 公斤；平均密度是3,346.4 kg/m3 。月球的平均 表面溫度是220K。 (二)、土衛六(泰坦星) •泰坦星的平均直徑是5150km，質量是 1.345×1023 kg；平均密度是1.88 g/cm3 •泰坦的氮含量有94%，甲烷含量有6%。 (三)、伽利略衛星 名稱 直徑 (公里) 木衛一 3643 木衛二 3122 木衛三 5262 木衛四 4821 平均軌 道 半徑(公 里) 公轉 周期 類型 2 421,800 1.77天 火山型 4.8×1022 671,100 3.55天 海洋型 1.48×102 1,070,4 00 7.16天 海洋型 1,882,7 00 16.69天 海洋型 質量 (公斤) 8.93×102 3 1.08×102 3 五、太陽系的天體 •我把所有太陽系的天體整理成一個表格， 並且把大數算了出來，排除彗星，大約有 399341個。 •由於彗星的數量太多了，並且有些不可靠 的證據，所以我並沒有把彗星排出來。 •我發現原來除了大家知道的恆星、行星、 衛星外，太陽系內還有許許多多的小行星、 彗星…等 •小行星是太陽系內類似行星環繞太陽運轉， 但體積和質量比行星小得多的天體。 表格 行星 小行星 總計 分類 個數 衛星 備註 恆星 1 － 太陽 類地行星 4 類木行星 4 小行星帶 390333 60 位於外太陽系及內太陽系之間 阿登群 441 5 近地小行星 阿波羅群 2512 16 近地小行星 阿莫爾群 2170 6 近地小行星 半人馬群和 黃道離散天體 213 8 近木小行星 外海王星天體 1075 火星特洛依群 4 0 位於火星的小行星 木星特洛依群 2320 2 近木小行星 海王星特洛群 5 0 位於海王星的小行星 其他類型 259 0 399341 8 399 332 3 163 29 166 126 292 水星、金星、地球和火星 木星、土星、天王星和海王星 位於海王星附近的小行星 伍、研究心得 • 經過這次的獨立研究，讓我對太陽系有了一層更深的了解 ，並且讓我知道，太陽系不只有恆星和行星，其實還有更 多的天體。其實我一開始的主題，只有研究太陽系的行星 ，但是，當我看到了那些行星的資料，讓我想更了解太陽 系的其他天體，因此，我後來才會去繼續研究其他的資料 ，。 • 我在做這個報告時，由於我的隨身碟不見，所以讓我失去 了很多資料，還有一次資優班跳電，使我打了很久的報告 都不見了，這件事讓我知道備份跟隨時存檔的重要性。但 是，當我想到做這個報告可以讓我得到更多的額外知識時 ，我就會覺得打了這麼久的報告，一切都值得了。 陸、參考資料 • • • • • • Google Yahoo 維基百科 月球參網 Nasa網站 Aeea網站 註釋 • 註一 : 分子雲是星際雲的一種，它的密度和大小允許分子──最常 見的是氫分子(H2)──的形成。 • 註二 ： 引力坍縮是天體物理學上恆星或星際物質在自身物質的引力 作用下向內塌陷的過程，產生這種情況的原因是恆星本身不能提供足 夠的壓力以平衡自身的引力，從而無法繼續維持原有的流體靜力學平 衡 ( 註八 ) ，引力使恆星物質彼此拉近而產生坍縮。 • 註三：萬有引力是來自於「牛頓萬有引力定律」牛頓描述宇宙中的每 個質點與其他質點之間， 都存在著一種由質量引起的引力性交互作 用其引力的大小與兩質點質量 (m1 和 m2 ) 乘積成正比、 與其間的 距離 r 的平方成反比， 這種交互作用稱為「重力 (Gravity)」。 • 註四：質量就是物質（構成某種東西的東西）的多少。質量多也就是 構成的物質就多體積會比較重。 • 註五：比重也稱相對密度，固體和液體的比重是該物質的密度與在標 準大氣壓、3.98℃時純水下的密度（999.972 kg/m3）的比值。 • 註六： AU又稱天文單位，是地球到太陽的距離，是 149,597,870,691±30公尺 • 註七：K：熱力學溫標的英文縮寫，或稱絕對溫標，是國際單位制中 的溫度單位。換算公式為：K = °C + 273.15，°C = K - 273.15。 • 註八：流體靜力學平衡，是指當由於地球重力產生的壓力和由壓力梯 度形成的與前者方向相反壓強梯度力之間的平衡。這兩種力之間的平 衡也稱爲靜力學平衡、流體靜力平衡。