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太阳系的行星和日出

我们所置身的地球,日出之壮美,已经令人非常惊叹。有没有想过太阳系其它的行星上(图1),日出又是怎么样的一番景象。不妨通过罗恩·米勒(Ron Miller)的数字作品,大胆地畅想一下异星球的日出美景。

水星

水星(图2)是太阳系的八大行星中最小且离太阳最近的行星。水星是所有的行星中轨道离心率最大的,它与太阳的距离在4600万至7000万千米的范围之间变动。公转周期大约是88天,公转速度远远超过太阳系的其它行星。水星是表面昼夜温差最大的行星,大气层极为稀薄,无法有效保存热量,白天时赤道地区温度可达437℃,夜间可降至-172℃,水星上也没有四季的变化。

由于离太阳很近且大气极其稀薄,水星上的日出非常壮观(图3),天空基本是漆黑一片的,空中的太阳也比在地球上看大了将近三倍,而且更加明亮。水星每自转三圈就会绕太阳公转两周,且轨道很椭圆,水星上的一天相当于地球的176天。由于这种特殊的运行状况,水星的每一天,太阳都会升起两次并落下两次,十分奇特。

金星

金星(图4)绕太阳公转周期为224.7天,自转周期是243天,是太阳系行星中自转最慢的。金星有着浓密的大气层,其中超过96%都是二氧化碳,好似温室的保护罩一样,让太阳光的热量能进来,却无法散出去。因此金星表面的大气压是地球的92倍,其表面的平均温度高达462℃ ,是太阳系中最热的行星。

由于金星的自转的方向与太阳系内大多数的行星是相反的,所以金星上的太阳会从西边升起,然后在东边落下。金星的天空是橙黄色的(图5),也会像地球上空一样,出现闪电和雷暴。由于有浓厚的大气层覆盖,并且能够反射大部分的太阳光,金星上的日出,太阳或许只是天空中模糊的光斑。

火星

火星(图6)被认为是太阳系中与地球最相似的岩态行星,平均自转约为24小时39分,公转周期为687天。橘红色外表是因为地表被赤铁矿覆盖,火星的大气密度只有地球的大约1%,无法形成温室效应,干燥且低温,地表的平均温度为-55℃,可以从夏天的27℃,降到冬天的-133℃,水和二氧化碳都容易被冻结。

火星是唯一人类拍摄到日出(图7)与日落(图8)的地外行星。火星大气中主要是二氧化碳,水汽含量微乎其微,火星上的日出和日落,太阳看上去都是淡蓝色的,色彩比较单调。

木星

木星(图9)是巨大的气态行星,也是太阳系中体积最大的行星。木星与太阳的平均距离是7亿7800万千米,公转一周需要11.8年。自转一周约为9小时50分,是太阳系自转速度最快的行星。大气层主要由约88%~92%的氢和约7%~11%的氦所组成,依纬度形成不同的区域带,在彼此的交界处存在湍流和风暴。最显著就是木星表面的大红斑,这是一个时速达600公里的巨型风暴。其长度是24000至40000千米,宽度是12000至14000千米。它的直径大到可以容纳2至3个地球。

木星可能存在一个岩石内核,由铁和硅组成。内核以上就是由液态金属氢包裹着,在木星内部40亿帕的压强下,氢元素只能以液态形式存在。因此木星的大气层下,并没有像地球这类的岩态行星那样的固态地表。这是从“木卫二”上看到的壮观日出(图10),图中出现的红色圆圈是木星,太阳正在穿过木星的大气层。

土星

土星(图11)是体积仅次于木星的气态巨行星,主要由氢组成,还有少量的氦和其它元素。土星和太阳的平均距离超过了14亿公里,自转一周约10小时33分,公转周期约29年。土星内部可能存在一个的岩石核心,核心以外有着更厚的液态金属氢层,然后是数层的液态氢和氦层,在最外层是厚达1000千米的大气层。因此,土星的质量虽是地球的95倍,却是太阳系中唯一密度比水低的行星。如果存在一片足够巨大的海洋,便能让土星漂浮在水面上。木星外围的大气层由96.3%的氢和3.25%的氦组成,还有气体还有氨、乙炔、乙烷、磷化氢和甲烷等气体。外层大气通常都很平静,偶尔也会存在巨大的风暴,其风速可高达1800千米/时,明显比木星上的风暴还要快。

最令人着迷的是土星美丽的星环,位于土星赤道平面内,从土星的赤道上方7000千米处开始一直延伸到1500万千米,又宽又薄,主要是由冰的微粒和较少数的岩石残骸以及尘土组成,能够反射太阳光,层次分明,十分明亮。

土星上的日出可能是太阳系中最美的(图12),巨大而美丽的土星环横跨天际,绚丽壮观的云海,阳光被云层中氨气的冰晶、甲烷和水汽等物质所折射,呈现出不可思议的景象,如图中出现被折射的太阳假象。

天王星

天王星(图13)与太阳的平均距离大约30亿公里,每84年环绕太阳公转一周,自转一周约14个小时。它是太阳系中唯一的自转轴几乎躺在轨道平面上的,这使得它的季节变化完全不同于其他的行星。其它行星的自转轴相对于太阳系的轨道平面都是朝上的,天王星的转动则像球一样侧着滚动。只有在赤道附近狭窄的区域内有日夜交替,但太阳的位置非常的低,有如在地球的极区;其余地区则是长昼或长夜,没有日夜交替。

天王星的表面呈现洋蓝色,这是因为它的甲烷大气吸收了大部分的红色光谱所致。天王星大气的主要成分是氢、氦、甲烷和氘。地幔由甲烷和氨的冰组成,可能含有水。内核由冰和岩石组成。天王星是太阳系内大气层最冷的行星,最低温度为-224℃。据推测,天王星上可能有一个深度达1万公里、温度高达6650℃,由水、硅、镁、含氮分子、碳氢化合物及离子化物质组成的液态海洋。但这种海洋与我们所理解的、地球上液态水所形成的海洋是完全不同,这是由于内部的超高温与巨大的大气层压力共同作用所导致,使得物质的分子紧密地靠在一起。

图中是从“天卫一”上看到的日出景象(图14),巨大的蓝色天王星以及其它的卫星出现在天空中,由于距离太阳约30亿公里,太阳光需要约2.7个小时才能抵达天王星,太阳看起来显得非常微小。

海王星

海王星(图15)是目前已知的太阳系最外层的行星,与太阳之间的平均距离为45亿公里,公转周期为164.8年,自转周期约15小时。海王星的自转轴的倾角与地球相似,因此,海王星经历了与地球相似的季节变化。海王星漫长的公转周期,意味着四季更替平均持续约40年。

海王星的大气层的化学组成以氢和氦为主,还有微量的甲烷,这是使行星呈蓝色的原因之一。海王星并不是一个固体,它的大气层会发生差速旋转,产生强烈的纬向风切变,,有着强烈的风暴,测量到的风速高达2400km/h,是太阳系已知的最高风速。

天王星的内核可能由岩石和冰构成的混合体,大约不超过一个地球的质量。地幔顶部可能是液态碳的海洋。像海王星和天王星这样的巨大气态行星,内部可能存在着能让钻石液化的超高温度和压力,海王星和天王星上或覆盖有大片液态钻石海,海面上还漂浮着类似于冰山的、体积庞大的固态钻石。其内部可能会下“钻石雨”,在7000公里的深度,甲烷会分解成钻石晶体,像冰雹一样向下滴落。

图中是从“海卫一”看到的日出景象(图16)。“海卫一”是一颗冰冷而奇特的卫星,旅行者2号探测器曾观察到“海卫一”表面的间歇泉状的氮气喷发,并夹带着“海卫一”表面之下的尘埃,这些烟尘高达8千米。“海卫一”的每次间歇泉的喷发可持续长达一年,在此期间,会因升华而喷发约1亿立方米的氮冰,景象十分壮观。

冥王星

冥王星(图17)曾经太阳系九大行星之一,如今被降级为矮行星。冥王星的轨道离心率比较大,近日点约为44亿公里,远日点约为74亿公里,太阳光抵达并输送的热量几乎微乎其微,是一颗冰冻的星球。冥王星的自转周期约为6天,公转周期约为248年。

冥王星的表面由98%以上的氮冰、微量的甲烷和一氧化碳组成。冥王星的内部结构与众不同,由于放射性元素的衰变最终将加热冰物质,使岩石从冰中分离出来,岩石物质沉降到被水冰幔包围的致密核心中。这种加热有可能持续进行,在地幔边界处形成100至180千米厚的液态水地下海洋。冥王星拥有由氮气、甲烷和一氧化碳组成的薄弱大气,这层大气与冥王星表面的冰处于平衡状态。

冥王星体积小,离太阳过于遥远,接收到的太阳光比我们在地球上的要暗淡1600倍。由于冥王星表面的大部分区域被冷冻的氮、甲烷和一氧化碳等中性颜色的冰覆盖着,因此反射出来的阳光也会呈现出白色或灰色。冥王星的大气层也含有少量的氨气和甲烷气体,会加强阳光的反射和散射效果。因此在冥王星上看到的日出(图18),太阳显得十分微小,却也很明亮,呈现出灰色或白色。
(图片均来自网络,侵删)


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