太阳系天体地质概况
太阳是银河系中一颗中等恒星，以太阳这颗恒星为核心组成了太阳系，它主要由太阳、八大行星、一些矮行星、卫星及无数的小行星、彗星等组成。太阳系是地球依存的、且相距最近的天体系统，目前对其天体的地质资料也积累得最为丰富。
（一）太阳
太阳的直径为139.2×104 km，为地球直径的109 倍，体积为地球体积的130 万倍，质量为地球质量的33.3万倍，密度却只有地球密度的1/4。
太阳表面温度达6000 ℃，内核温度从理论上推测高达2000×104～3000×104℃。所以太阳上的物质不可能凝固，而是一个炽热的气体球，既没有岩石圈也没有水圈。
根据光谱分析，太阳大气中有73种元素。太阳最多的元素是氢，按质量占71%；其次是氦，占26.5%；氧、碳、氮、氖等气体约占2%；镁、镍、硅、硫、铁、钙等约占0.4 %以上；其余60多种元素不足0.1%。这些元素在地球上都存在。
据现代研究，太阳内部结构由表层向内可分为光球、对流区、辐射区和中心核四个圈层。中心核具有极高的压力和温度，在此环境下元素的原子结构将遭到破坏，因而发生热核反应，成为太阳能的发源地；中心核产生的巨大热能经电磁作用吸收一部分储存起来，而大部分通过辐射区送到对流区；热量在对流区以对流方式传送到光球转变为光能，并向四周辐射（表11-1）。
表11-1 太阳内部结构模式
（据李叔达，1983）
光球层是太阳表面光彩夺目的一个圈层，即通常说的日面，该层的厚度约300 km，它不断地发出光和热。在日面上可以看到物质的流动。有时有成群的黑色斑点称黑子（sunspot）。黑子是光球上的旋涡，它的温度比日面温度低1000 ℃以上，因此看起来是黑暗的。黑子大小极不相等，大者直径可达59200 km。黑子的大小经常改变，位置也在不断地变动，变化周期平均是11年。太阳黑子有很强的磁性，所以当出现很多的太阳黑子时，地球上就出现极光现象以及引起地球磁场的剧烈扰动和磁暴。
（二）行星
太阳系的八大行星可分为两大类。水星、金星、地球和火星称为类地行星，它们距太阳近，体积小，质量小，密度大，自转慢，卫星少；木星、土星、天王星和海王星称为类木行星，它们距太阳远，体积大，质量大，密度小，自转快，卫星多，多具星环。目前，人们主要对类地行星的地质特征了解较多，类木行星因距地球遥远而了解较少。
1.行星表层的地形与地质
类地行星的地形，除地球外，大都保留了原始状态，很少经过后期的改造。其显著特点是均分布有大小不等的冲击坑。水星的冲击坑较多，有年轻新鲜的、也有较老的。金星的冲击坑较少，一般直径不超过20 km。行星表面已发现的地形单元，有平原、盆地、山脉、裂谷等。水星的平原多分布在大型冲击坑之间，在水星表面至少有一个大型的多环状盆地，还发现了扇状悬崖，高约3 km，延伸长达几百千米。金星表面上有山脉，高度小，并有穿越赤道的南北向大裂谷。
20世纪60年代中期以来，人类开始用宇宙飞船探索火星，因而目前对火星表面了解较多。火星地表形态大致有如下几种类型：①环形山、环形坑及其构成的环形与多环圆形盆地：是火星上最主要的一类地表形态，小者直径数百米，大者可达几百千米，大约占火星表面一半的面积，其形成一般与不同规模的陨击作用有关，即属冲击形成（图11-2）。②火山平原和火山锥：火星表面广泛覆盖着火山岩，形成火山平原，约占其表面积的1/3；此外，还分布有大小不等的火山锥（熔岩锥），有的火山锥直径达600 km，高达3000 m（图11-3）。③“运河网”：在火星所摄得的图像中，已判别出许多又长又宽的河道，称为“运河”，其河床被认为是过去某个时期流水（或液体）作用的结果，不少“运河”都有大的曲流，并有向下游倾斜的趋势。④风成沙丘：火星上的风速可达70 m/s以上，风的地质作用十分重要，由于风蚀碎屑的沉积，形成许多沙丘，因此火星表面上风成堆积十分发育。⑤峡谷和悬崖：火星表面分布有大的峡谷，常数个相连。还分布有许多悬崖峭壁，其中不少高达2000 m，延伸达1000 km以上。
图11-2 火星表面位于西80、南50附近的环形盆地与环形山
（据W.K.汉布林，1980）
类地行星的表层物质，大多由火山岩组成，化学成分以硅酸盐为主。有的表面还有碎屑物覆盖，如水星表面覆盖有一层与月球表土相似的浮土；金星表面有一层厚度不到1m的覆盖物。
在火星和水星上，都发现有断裂系统。火星的“运河”把火星表面切割成直径500～600 km的多边形块体，最长的“运河”长达500 km，宽200～300 km，一般认为可能属于深大断裂性质。水星上的悬崖及线性构造，一些研究者也认为具有断裂的特征。类地行星的断裂大多是在星体发展的初期或稍后阶段形成的。
从类地行星广泛分布火山岩说明，这些行星天体在发展历史中火山活动普遍存在。据研究，水星的火山活动在30 亿年前已经结束，金星延续至较晚时期，而火星至今还可能有小规模的、微弱的火山活动。
2.行星的内部构造
据目前研究成果，类地行星的内部构造大体与地球相似，类木行星的内部构造了解相对较少。行星的内部构造一般均可分为星壳、星幔和星核三个圈层。但不同行星由于其演化过程不一样，其星壳、星幔和星核的厚度比及体积比是不同的。星核一般主要由较重的元素（Fe，Ni，Si，C 等）组成，密度较大；星壳一般主要由较轻的元素（Si，O，H，He等）组成，密度较小；星幔具有过渡性质。水星和金星的核可能为高温的熔融体，而火星和木星可能具有固体的核。类地行星的幔体大多为固体；它们的壳层也均为固体岩石层，且一般较地球厚（表11-2）。
图11-3 火星上的奥林匹斯火山
主火山口四周有由火山喷出物形成的陡崖，中央为破火山口
表11-2 八大行星及月球内部结构模式
（据李叔达，1983，有修改）
（三）卫星
卫星是围绕行星运行而本身不发光的天体。迄今为止，已发现火星有卫星2个，木星有16个，土星有23个，天王星有5个，海王星有2个。月球是地球唯一的卫星，与地球相距近，目前了解最多。这里主要简单介绍月球的地质特征。
1.月球的表面地形、地质特征
月球的直径大致是地球的3/11，质量约为地球的1/80，其地面引力只有地球的1/6。月球上没有水体，因而也没有河流、湖泊和海洋，全部为陆地；月球上也没有大气，基本处于真空状态。因此，月球上没有动物和植物，连细菌也难以生存。
月球上地形起伏，高差很大。它的地表形态（图11-4）主要有：
图11-4 全月球表面形态简图
1—洋、海、湾；2—岛；3—类月海；4—山链；5—山脉
（1）月海
月海地势低平广阔，是月面上大型的圆形盆地。因反照率低，平时肉眼观察为暗黑色斑块。已知的月海有22个，绝大多数分布在月球的正面（向着地球的一面）。月球正面的月海，约占半球面积的1/2。月海的直径一般为数百千米，最大的是风暴洋，直径达1740 km，面积约5×106 km2。月海面普遍比月球平均水准面低，最低的是雨海，深达6000多米。月海盆地周围，大多为环形山围绕，盆地内部也分布有不少山岭。月海的成因一般认为与大规模陨石或小行星冲击有关。因大规模陨石的撞击，形成巨大的坑穴，伴随在周围引起山崩和断层；然后因陨石冲击而诱发岩浆流溢，其表面被熔岩覆盖，遂形成了现在所见的月海盆地。
（2）月陆
月海周围的高地称为月陆，是正地形单元，因反照率强，肉眼看去比较明亮。在月球的正面，月陆面积和月海面积几乎相等。但在月球的背面，月陆面积则大得多。月陆一般比月球平均基准面高2000～3000 m，地形起伏较大，还分布有高大的山脉。月陆形成的年代比月海要老。
（3）月坑
月球上遍布环形的坑，称为月坑。直径小者几米，大者超过1 km。月坑总数在3 万个以上，其中直径超过1 km的月坑约占月球表面积的7%～10%。月坑的深度自几十米到6000 m不等，但底部很平坦，其内侧陡，外侧较缓。一般认为月坑是由陨石（或小行星）撞击而成的爆炸坑。
（4）山脉和峭壁
月球表面的山脉主要分布在月陆，山势险峻，连绵延续，长可达数千千米，一般高3000～4000 m。最高达9000 m，可与地球上的最高峰珠穆朗玛峰相媲美。目前在月球上已发现高度在1000 m以上的高峰300余座，其中6座高度超过6000 m，20座高达5000 m，80座高达4000 m。除山系外，月球表面还发现四条长达数百千米的峭壁。
月球表面的褶皱构造不发育，主要是月海盆地内分布的堤形隆起。有的研究者认为，可能是由于岩浆侵入使上覆岩层向上拱起而形成的。
断裂构造在月面上较为常见，已发现有延伸数百千米的深大断裂及长200～300 km的弧形断裂。月球上的断裂和裂隙，往往具有明显的方向性，主要有北东-南西和北西-南东两个方向。这两组断裂交叉发育，形成了格子状构造。月球上断裂的规模远比地球上的断裂小，这可能与月球体积小、自转速度慢（比地球慢27倍）、构造活动弱有关。
2.月球的内部构造及物质组成
通过放置在月球表面上的仪器对月震的探测，了解到月球的内部构造和地球类似，具有三层结构，即月壳、月幔和月核（图11-5）。
图11-5 地球及月球内部构造比较
月壳是月球最外面一层，厚60～65 km，大致以25 km深度为界，分为上月壳和下月壳。上月壳主要由玄武岩组成，其顶部1～2 km，为岩石碎块和月壤；下月壳由富含斜长石的辉长斜长岩及斜长苏长岩组成。65 km 以下为月幔，深度延至1000 km深处，它们的物质大致与地球的基性岩和超基性岩（橄榄岩、辉石岩和榴辉岩）相当。月球的岩石圈将近1000 km厚，包括了月壳和月幔。1000 km至月心为月核，可能部分处于熔融状态，大致与地球的软流圈相似，其温度为1000 ℃左右，据推测，月核由富含铁的硅酸盐组成。
太 阳
太阳是太阳系唯一的恒星，在银河系里只是一颗中等大的恒星。太阳外部大气有73种元素，主要是氢(71%)，其次是氦(26%)。太阳的半径是695 990千米，为地球的109倍，重量是地球的332 959倍。 太阳围绕银河系运动的公转周期是2.5亿年。太阳表面的重力是地球的27.94倍，即地球1千克的物体在太阳上为27.94千克。
水 星
距太阳最近的行星，距离约0.58亿千米。公转周期87.96天。半径2 439千米，是地球的0.38倍。重量为地球的0.055倍，表面重力为地球的0.378倍。几乎没有大气，表面温度为-160℃～450℃。虽然称为水星，但实际上水星并没有水。
金 星
距大阳1.08亿千米，公转周期244.68天。半径6 052千米，是地球的0.95倍。重量是地球的0.815倍，表面重力是地球的0.89倍，表面压力是地球的90倍，表面温度480℃。大气厚，主要成份是二氧化碳。
地 球
地球是太阳系中唯一有生命的星球。地球距大阳1.5亿千米，公转周期365天。 半径6 378千米，重量是5.974*10的21次方吨。表面温度-30～45℃。大气成份主要是氮气和氧气。
火 星
距大阳2.28亿千米，公转周期1.88年。半径3 397千米，是地球的0.5326倍。 重量是地球的0.71倍，表面重力是地球的0.38倍。表面温度－130～30℃。大气稀薄，成份主要是二氧化碳。
木 星
太阳系中最大的行星。 距大阳7.78亿千米，公转周期11.86年。半径71 398千米，是地球的11.194倍。重量是地球的317.89倍，表面重力是地球的2.54倍，表面压力是地球的0.5倍，表面温度-145℃。大气厚，成份主要是氢和氦。
土 星
太阳系中一颗最美丽、密度最小的行星。距大阳14.27亿千米，公转周期29.46年。半径60 000千米，是地球的9.41倍。重量是地球的95.17倍，表面重力是地球的1.07倍，表面压力是地球的0.5倍，表面温度-150℃。大气厚，主要成份是氨气和氢气。
天 王 星
距大阳28.71亿千米，公转周期84.07年。半径27 900千米，是地球的4.37倍。重量是地球的14.56倍，表面重力是地球的0.8倍，表面温度-185℃。大气主要成份是氨气、水和甲烷。
海 王 星
距大阳44.97亿千米，公转周期164.81年。半径24 300千米，是地球的3.81倍。重量是地球的17.24倍，表面重力是地球的1.2倍，表面温度-200℃。大气厚，主要成份是氨气和氢气。
银河系是直径100000光年,拥有约2000亿颗恒星的棒旋星系。太阳位居银河外围的一条旋涡臂上,称为猎户臂或本地臂(图1-6)。太阳距离银核25000～28000光年,在银河系内的运动速度大约是220km/s,因此环绕银河公转一圈需要2.25亿～2.5亿年,这个公转周期称为银河年。
图1-6 太阳系在银河系中的位置
太阳系在银河系中的位置是地球上能发展出生命的一个很重要的因素,它的轨道非常接近圆形,并且和旋臂保持大致相同的速度,这意味着它相对旋臂是几乎不动的。因为旋臂远离了有潜在危险的超新星密集区域,使地球长期处在稳定的环境之中得以发展出生命。如果太阳系接近银河系恒星群居的中心,邻近恒星强大的引力对奥尔特云产生的扰动会将大量的彗星送入太阳系内,导致与地球的碰撞而危害到发展中的生命。银河中心强烈的辐射线也会干扰生命的发展。
太阳系由太阳和所有受到太阳引力约束的天体组成,包括太阳、8颗行星和至少165颗已知的卫星,以及数以亿计的太阳系小天体。根据到太阳的距离,8颗行星依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星,木星与土星称为近日行星,天王星与海王星称为远日行星。
(一)太阳系的形成和演化
关于太阳系的起源有许多假说,概括起来有星云说、灾变说、俘获说、戴文赛等等,还有所谓碰撞说、双星说、超新星说等。
1.星云说
最初的星云说是18世纪下半叶由德国哲学家康德和法国天文学家拉普拉斯提出来的,人们一般称之为康德-拉普拉斯星云说。他们认为:太阳系是由一块星云收缩形成的,先形成的是太阳,然后剩余的星云物质进一步收缩演化形成行星(图1-7)。
图1-7 星云说
康德-拉普拉斯星云说只是初步地说明了太阳系的起源问题,有许多观测事实难以用它来解释。所以,星云说在很长时间里陷入了窘境。直到20世纪,随着现代天文学和物理学的进展,特别是近几十年里,恒星演化理论的日趋成熟,星云说又焕发出了新的活力。
现代观测事实证明,恒星是由星云形成的。太阳系的形成在宇宙中并不是一个偶然的现象,而是普遍的、必然的结果。另外,关于太阳系的许多新发现也有力地支持了星云说。
2.灾变说
灾变说认为行星是某种偶然发生事件引起的剧变而形成的。
第一个灾变说是法国人G..L.L布丰于1745年提出的彗星说:认为一颗大彗星掠碰太阳使它自转起来,而碰出的太阳物质在绕转过程中形成了行星和卫星。它否定上帝创世,一度有相当影响(图1-8)。
图1-8 灾变说
3.俘获说
这种学说认为构成行星和卫星的物质是太阳形成后从太阳邻近区域俘获来的。前苏联科学家施米特1944年提出的陨星说认为,太阳在运行中穿过一个星际云,俘获了3%太阳质量的星际物质,这些物质逐渐形成行星和卫星。还有一些人,如爱尔兰的埃奇沃思、英国的彭德雷和威廉斯以及印度的米特拉等,提出了其他类型的俘获说,他们在描述图像和处理方法上存在着很大差别。提出俘获说的一个主要出发点是为了说明太阳系的形成(图1-9)。
图1-9 俘获说
4.戴文赛假说
1977年,我国著名天文学家戴文赛根据天文观测的实际资料并吸取各家假说之长,提出了关于太阳系形成的看法。其要点如下:
1)5亿年前星际物质因彼此吸引而收缩,形成一个旋转的原始星云团。原始星云团不断收缩,越转越快,并逐渐变扁。
2)原始星云最初的温度很低,为冰点以下200多摄氏度,由于收缩使大量引力势能转化为热能,使其温度逐渐升高。
3)原始星云收缩到大致为今天海王星轨道的大小时,其赤道处的旋转离心力大致等于星云本身对赤道处物质的吸引力,因此赤道处的物质便不再收缩,但星云内部还在继续收缩,最后就形成了一个周边较厚而中心较薄的旋转星云盘。
4)原始星云中大约97%的物质通过收缩而在星云盘的中心聚集成为太阳,其余物质中细微的固体质点通过相互碰撞和引力吸引聚集成为行星。
5)离太阳较近的区域因为温度高,原始物质中大部分挥发性物质几乎全部逃逸,剩下的是铁、硅、镁、硫及它们的氧化物,组成体积和质量较小、但密度较大的类地行星。离太阳较远的区域因为温度低,除了拥有类地行星物质以外还有大量的氢原子、氢分子、氦、氖等,以及氧、碳、氮及它们的氢化物,它们组成了体积和质量大但密度较小的木星和土星。离太阳最远的区域行星因受太阳的吸引力微弱,大部分逃逸,或所存很少,行星的体积、质量、密度约介于前两类行星之间。
6)由于太阳曾经抛射出部分带电物质并损失了角动量,而行星是由原始星云中最外面的物质形成的,这部分物质的角动量本来就很大,这就造成了太阳系角动量具有目前的分布特点。
(二)太阳系的结构和组成
太阳系大概可以分为五部分(图1-10)。
图1-10 太阳系(舒良树,2010)
1.太阳
太阳是太阳系最主要和最重要的成员。它有足够的质量让内部的压力与密度足以抑制和承受核融合产生的巨大能量,并以辐射的形式,例如可见光,让能量稳定地进入太空。
太阳在分类上是一颗中等大小的黄矮星,不过这样的名称很容易让人误会,其实在我们的星系中,太阳是相当大、相当明亮的。
太阳在恒星演化的阶段正处于壮年期,尚未用尽在核心进行核融合的氢。太阳的亮度仍会与日俱增,早期的亮度只是现在的75%。
计算太阳内部氢与氦的比例,认为太阳已经完成生命周期的一半,在大约50亿年后,太阳将变得更大更明亮,但表面温度却降低,届时它的亮度将是目前的数千倍。
太阳是在宇宙演化后期才诞生的第一星族恒星,它比第二星族的恒星拥有更多的比氢和氦重的金属(这是天文学的说法:原子序数大于氦的都是金属)。比氢和氦重的元素是在恒星的核心形成的,必须经由超新星爆炸才能释入宇宙的空间内。换言之,第一代恒星死亡之后宇宙中才有这些重元素。最老的恒星只有少量的金属,后来诞生的才有较多的金属。高金属含量被认为是太阳能发展出行星系统的关键,因为行星是由累积的金属物质形成的。
除了光,太阳也不断的放射出电子流(等离子),也就是所谓的太阳风。这条微粒子流的速度为每小时150万千米,在太阳系内创造出稀薄的大气层(太阳圈),范围至少达到100天文单位(日球层顶),也就是我们所认知的行星际物质。太阳的黑子周期(11年)和频繁的闪焰、日冕物质抛射在太阳圈内造成的干扰,产生了太空气候。伴随太阳自转而转动的磁场在行星际物质中所产生的太阳圈电流片,是太阳系内最大的结构。
地球的磁场与太阳风在互动中保护着地球大气层。水星和金星则没有磁场,太阳风使它们的大气层逐渐流失至太空中。太阳风和地球磁场交互作用产生的极光,可以在接近地球磁极的附近(如南极与北极)看见。
宇宙线来自太阳系外,太阳圈屏障着太阳系,行星的磁场也为行星自身提供了一些保护。宇宙线在星际物质内的密度和太阳磁场周期的强度变动有关,宇宙线在太阳系内的变动幅度究竟是多少?仍然是未知的。
图1-11 所有的内行星(Kutner,2003,有修改)
2.内太阳系
内太阳系传统上指类地行星和小行星带区域,现称为内行星(图1-11),主要是由硅酸盐和金属组成的。这个区域挤在靠近太阳的范围内,半径比木星与土星之间的距离还小。
四颗内行星或是类地行星的特点是高密度、由岩石构成、只有少量或没有卫星,没有环系统。它们由高熔点的矿物,如硅酸盐类,组成表面固体的地壳和半流质的地幔,由铁、镍构成金属核心。四颗中的三颗(金星、地球和火星)有实质的大气层,全部都有撞击坑和地质构造的表面特征(地堑和火山等)。行星在一个平面朝着一个方向运行。
水星(0.4天文单位) 是最靠近太阳,也是最小的行星(0.055地球质量)。它没有天然的卫星,仅知的地质特征除了撞击坑外,只有大概是在早期产生的皱折山脊。水星,包括被太阳风轰击出的气体原子,只有微不足道的大气。目前尚无法解释相对来说相当巨大的铁质核心和薄薄的地幔。相关假说包括巨大的冲击剥离了它的外壳,及年轻时期的太阳能抑制了外壳的增长等。
金星(0.7天文单位) 的体积尺寸与地球相似(0.86地球质量),也和地球一样有厚厚的硅酸盐地幔包围着核心。它的大气密度比地球高90倍而且非常干燥,没有天然的卫星。它是一颗炙热的行星,表面的温度超过400℃,很可能是大气层中有大量的温室气体造成的。没有明确的证据显示金星的地质活动仍在进行中,但是没有磁场保护的大气应该会被耗尽,因此,认为金星的大气是由火山的爆发获得补充。
地球(1天文单位) 是内行星中最大且密度最高的,也是唯一地质活动仍在持续进行并拥有生命的行星。它拥有类地行星中独一无二的水圈和被观察到的板块结构。地球的大气与其他的行星完全不同,含有21%的氧气。它只有一颗卫星,即月球;月球也是类地行星中唯一的大卫星。地球公转(太阳)一圈约365天,自转一圈1天(太阳并不是总是直射赤道,因为地球围绕太阳旋转时,稍稍有些倾斜)。
火星(1.5天文单位) 比地球和金星小(0.17地球质量),只有以二氧化碳为主的稀薄大气,它的表面,有密集与巨大的火山、深邃的地堑,显示不久前仍有剧烈的地质活动。火星有两颗天然的小卫星,戴摩斯和福伯斯,可能是被捕获的小行星。
小行星是太阳系小天体中最主要的成员,主要由岩石与不易挥发的物质组成(图1-12)。
图1-12 小行星的主带和特洛伊小行星
主要的小行星带位于火星和木星轨道之间,距离太阳2.3至3.3天文单位,它们被认为是在太阳系形成过程中,受到木星引力扰动而未能聚合的残余物质。
小行星的尺度大至数百千米,小至数微米。除了最大的谷神星之外,所有的小行星都被归类为太阳系小天体;但是有几颗小行星,像灶神星、健神星,如果能被证实已经达到流体静力平衡的状态,可能会被重新分类为矮行星。
小行星带拥有数万颗、可能多达数百万颗直径在1km以上的小天体。尽管如此,小行星带的总质量仍然不可能达到地球质量的千分之一。小行星主带的成员是稀稀落落的,所以至今没有太空船在穿越时发生意外。
3.中太阳系
太阳系的中部地区是气体巨星和它们如行星大小卫星的家,许多短周期彗星,包括半人马群也在这个区域内。此区没有传统的名称,偶尔也会被归入“外太阳系”,虽然外太阳系通常是指海王星以外的区域。在这一区域的固体,主要的成分是“冰”(水、氨和甲烷),不同于以岩石为主的内太阳系。
在外侧的四颗行星,也称为类木行星,囊括了环绕太阳99%的已知质量。木星(图1-3a)和土星(图1-3b)的大气层都拥有大量的氢和氦,天王星和海王星的大气层则有较多的“冰”。有些天文学家认为它们该另成一类,称为“天王星族”或是“冰巨星”。这四颗气体巨星都有行星环,但是只有土星的环可以轻松的从地球上观察。“外行星”这个名称容易与“外侧行星”混淆,后者实际是指在地球轨道外面的行星,除了外行星外还有火星。
图1-13 木星(a)和土星(b)(Kunetr,2003)
木星(5.2天文单位) 主要由氢和氦组成,质量是地球的318倍,是其他行星质量总合的2.5倍。木星的丰沛内热给它的大气层造成一些近似永久性的特征,例如云带和大红斑。木星已经被发现的卫星有63颗,最大的有4颗:甘尼米德、卡利斯多、埃欧和欧罗巴,显示出类似类地行星的特征。甘尼米德比水星还要大,是太阳系内最大的卫星。
土星(9.5天文单位) 有明显的环系统。它与木星非常相似,例如大气层的结构。土星不是很大,质量只有地球的95倍,它有60颗已知的卫星,其中泰坦和恩塞拉都斯拥有巨大的冰火山,显示出地质活动的标志。泰坦比水星大,是太阳系中唯一实际拥有大气层的卫星。
天王星(19.6天文单位) 是最轻的外行星,质量是地球的14倍。它的自转轴对黄道倾斜达到90度,因此是横躺着绕着太阳公转,在行星中非常独特。在气体巨星中,它的核心温度最低,只辐射非常少的热量进入太空中。天王星已知的卫星有27颗,最大的几颗是泰坦尼亚、欧贝隆、乌姆柏里厄尔、艾瑞尔和米兰达。
海王星(30天文单位) 虽然看起来比天王星小,但密度较高,质量是地球的17倍。他虽然辐射出较多的热量,但远不及木星和土星多。海王星已知有13颗卫星,最大的崔顿仍有活跃的地质活动,有着喷发液态氮的间歇泉,它是太阳系内唯一逆行的大卫星。在海王星的轨道上有一些1:1轨道共振的小行星,组成海王星特洛伊群。
彗星 归属于太阳系小天体,通常直径只有几千米,主要由具挥发性的冰组成。它们的轨道离心率高,近日点一般都在内行星轨道的内侧,而远日点在冥王星之外。当一颗彗星进入内太阳系后,与太阳的接近会导致冰冷表面的物质升华和电离,产生彗发,拖曳出由气体和尘粒组成、肉眼就可以看见的彗尾。
短周期彗星是轨道周期短于200年的彗星,长周期彗星的轨道周期可以长达数千年。短周期彗星,像哈雷彗星,被认为来自柯伊伯带;长周期彗星,像海尔·波普彗星,则被认为起源于奥尔特云。有许多群的彗星,像克鲁兹族彗星,可能源自一个崩溃的母体。有
些彗星有着双曲线轨道,则可能来自太阳系外,但要精确的测量这些轨道是很困难的。挥发性物质被太阳的热驱散后的彗星经常会被归类为小行星。
4.外海王星区
冥王星(Pluto)和另外两颗很小的卫星尼克斯(Nix)与许德拉(Hydra),就位于这个区域。目前还不能确定卡戎(Charon)是否应归类为卫星还是矮行星(图1-14)。
图1-14 冥王星和已知的三颗卫星
海王星之外的区域,通常称为外太阳系或是外海王星区,仍然是未被探测的广大空间。这片区域似乎是太阳系小天体的世界(最大的直径不到地球的1/5,质量则远小于月球),主要由岩石和冰组成。
5.最远的区域
太阳系于何处结束?以及星际介质开始的位置没有明确定义的界线,因为这需要由太阳风和太阳引力两者来决定。太阳风能影响到星际介质的距离大约是冥王星距离的4倍;太阳引力所能及的范围,应该是这个距离的千倍以上。
太阳圈的外缘是日球层顶,此处是太阳风最后的终止之处,外面即是恒星际空间。太阳圈外缘的形状和形式很可能受到与星际物质相互作用的流体动力学的影响。
我们的太阳系仍然有许多未知数。考量邻近的恒星,估计太阳的引力可以控制2光年(125000天文单位)的范围。奥尔特云向外延伸的程度,大概不会超过50000天文单位。尽管发现的塞德娜,范围在柯伊伯带和奥尔特云之间,仍然有数万天文单位半径的区域是未曾被探测的。水星和太阳之间的区域也仍在持续的研究中。
太阳系天体地质概况视频
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