主题 3 — 太阳系

结构 · 太阳 · 质子-质子链 · 各行星详解 · 伽利略卫星

章节

• 3.1 太阳系结构
• 3.2 太阳
• 3.3 质子-质子链
• 3.4 各行星详解
• 3.5 伽利略卫星

Selfcheck / 自测

1. 内行星与外行星有何区别？为什么会有这种分化？
2. 描述太阳的分层结构。能量为什么要约 100 万年才到表面？
3. 太阳黑子为什么比周围暗？它是怎么形成的？
4. 为什么化学燃烧解释不了太阳？取而代之的是什么？
5. 写出质子-质子链的三步和净反应。哪一步很罕见？
6. PP 链的能量从何而来（提示：质量亏损、$E=m{c}^2$）？
7. 金星离太阳更远，为什么却比水星热？
8. 是什么驱动 Io 的火山活动？为什么 Io 几乎没有陨石坑？
9. Europa 冰下海洋为什么能保持液态——说出三个原因。
10. 一杯水里满是氢核——为什么不会发生核聚变？
11. 光子和中微子都从太阳核心出发——谁先到达地球？为什么差这么多？
12. Io 已被木星潮汐锁定，为什么仍会被潮汐加热？地球的潮汐为什么每天两次？
13. 从尘埃云开始勾勒太阳系的起源。什么是星子（Planetesimale）和原行星（Protoplaneten）？
14. 土卫二（Enceladus）的虎纹是什么？为什么它是生命候选地？**冰火山作用（Kryovulkanismus）**是什么意思？
15. **木卫三（Ganymed）有何特别之处（大小、磁场）？为什么木卫四（Callisto）**是 Io 的「地质对立面」？
16. 潮汐力中的**液滴效应（Tröpfcheneffekt）**描述的是什么？

§§ANTWORTEN

1. 内行星（水星–火星）是小的岩石行星，有固态表面；外行星（木星–海王星）是质量很大的气体巨行星。成因在于形成过程：内侧只有岩石/金属保持固态 → 小核；外侧连冰也固态、材料多得多 → 大核额外吸积气体。(§3.1)
2. 由内向外：核心（聚变）→ 辐射区 → 对流区 → 光球层。能量约需 100 万年，因为光子不断被物质散射（「随机行走」）。(§3.2)
3. 太阳黑子比周围更冷、辐射更少 → 显得更暗。其成因是太阳磁场扰乱了对流，冷等离子体无法再下沉。(§3.2)
4. 化学燃烧只能维持几千年，而太阳已发光约 45 亿年——对不上。取而代之的是按 $E=m{c}^2$ 把质量转化为能量（核聚变）。(§3.2)
5. (1) $p^{+}+p^{+}\to D+e^{+}+{\nu }_e$，(2) $D+p^{+}\to {}^3\text{He}+\gamma$，(3) ${}^3\text{He}+{}^3\text{He}\to {}^4\text{He}+2p^{+}$。净反应：$4p^{+}\to {}^4\text{He}+2e^{+}+2{\nu }_e+2\gamma +\text{能量}$（第 1、2 步各发生两次）。第 1 步很罕见（多数质子又弹开）。(§3.3)
6. 来自质量亏损：⁴He 产物比四个质子轻，亏损的0.7% 质量按 $E=m{c}^2$ 转化为能量（每个循环约 26.7 MeV）。(§3.3)
7. 因为金星有浓密的 CO₂ 大气，造成极强的温室效应（约 500 °C）——尽管离太阳更远，却比水星更热。(§3.4)
8. 潮汐力：木星和其他卫星反复挤压拉伸 Io → 内部摩擦 → 熔融 → 火山活动。没有陨石坑是因为火山活动不断把表面填平（表面年轻）。(§3.5)
9. 潮汐力（挤压拉伸产生摩擦热）、高盐度（降低冰点）、压强（由于水的反常膨胀，受压时更长久保持液态）。(§3.5)
10. 室温下质子的动能远低于库仑势垒，且质子被束缚在分子里、被电子云屏蔽——永远进不了强力的作用范围。聚变需要约 1500 万 °C 的等离子体。(§3.3)
11. 中微子先到：它只参与弱相互作用，太阳对它透明，直接从核心飞出、约 8 分钟后到达地球；光子在内部不断被散射（随机行走），约 100 万年才离开太阳。(§3.2/3.3)
12. 因为 Europa 与 Ganymed 的轨道共振使 Io 的轨道保持椭圆——离木星时近时远，潮汐形变周期性变化 → 摩擦生热。地球两次潮：近侧被月球引力多拉 + 远侧被绕共同质心的转动甩出 → 两个潮包，地球在其下自转，每天经过两次。(§3.5)
13. 一团气体/尘埃云（太阳星云）在引力下坍缩，因角动量守恒压扁成旋转的盘，中心点燃太阳。盘中尘埃结成星子（千米级「积木」），星子经吸积长成原行星（行星的前身）；「清空自己轨道」者成为行星。(§3.1)
14. 虎纹是 Enceladus 南极的裂缝，水间歇泉（冰火山作用＝冰的火山活动）由此喷出。它们证明冰下有液态海洋；喷出物中含盐分与有机分子 → 生命候选地，而且无需钻探，探测器飞穿喷柱即可直接采集海洋水样。(§3.4)
15. Ganymed 是太阳系最大的卫星（比水星还大），也是唯一拥有自身磁场的卫星（液态铁核），可能有地下海。Callisto 是 Io 的对立面：远在外侧 → 几乎无潮汐 → 无火山活动 → 最古老、陨石坑最多的表面，地质「死寂」。(§3.5)
16. 液滴效应（Tröpfcheneffekt）：在潮汐力（近/远引力差）作用下，天体沿连线方向被拉长，呈现水滴/卵形的形状。(§3.5)