第肆單元天文

第一節探索星空

4-1-1探索宇宙

根據大爆炸學說 (The Big Bang),假設宇宙是在約150-200億年前,從一個高溫高密度的狀態,因為能量的累積而開始爆炸,此現象稱之為:大霹靂。在膨脹之後漸漸冷卻,形成星系現在我們的宇宙中有一千億個以上的星系,這些星系有大有小。大的直徑幾十萬光年,包含幾十萬億顆星球。小的直徑幾千光年,包含幾千萬顆星球,我們所居住的銀河系是其中的一個星系銀河系(統稱為星系)目前己發現二千億個,而且還在繼續增加當中,星系與星系間的距離通常都很遠,以地球所在的這個銀河來說,距離最近的是仙女座大銀河M31,有230萬光年左右。(如圖一所示為本星系俯視圖)

本星系又稱為:銀河系,為太陽系所在的星系,在不同的角度觀察會呈現不同的形狀。(如圖二為本星系的側面)

太空中的恆星彼此比較靠近的恆星群的組合;叫做星團,銀河系就是太陽系與其他恆星、星團組成,研究星團可以更了解星系組成,因為銀河系大約有150個球狀星團組成。

在外太空星際間彼此的距離都顯得非常遙遠,因此以地面上量測的「公里」為單位已不足以適用,在天文學上測量距離是採用「光年」來作為測量的單位。

(電磁波) 在真空當中每秒傳播的速度約等於三十萬公里,我們以光速行進一整年 所走的距離來表示星際間的距離單位,稱之為「光年 (Ly)」, 一光年的距離約等於 9.5 兆公里

短暫的人類文明史: 而人類出現在宇宙的演進過程裡,只有一眨眼的功夫,猶如火花一現。如果我們把宇宙演變至今的歷史換算成一年的時間,宇宙大爆炸發生在一月一日,銀河系形成於四月一日,太陽系在九月九日誕生,至十二月十九日地球上出現了最早的生物,十二月二十四日恐龍開始出現,至十二月二十八日曾風光主宰地球的恐龍即告滅絕,而人類的歷史直至除夕日十二月三十一日晚上的十時三十分才開始,也就是人類的歷史到至今才發展一個多小時,古老的埃及文明也僅是十秒前的事,現代科技文明的發展才僅約半秒鐘的光陰。

4-1-2太陽系

2006年時在捷克布拉格舉行的第26屆國際天文學聯會通過決議,將冥王星降級成矮行星,所以目前太陽系已經變成八大行星。所以九大行星已國際天文學聯合會(IAU)在2006八月二十四日表決通過修正行星定義,冥王星不再是九大行星之一, 失去七十年來公認為太陽系第九大行星的地位, 太陽系從此成為八大行星. 冥王星的地位多年來一直受到天文學家爭議,認為冥王星體積小,且運行軌道非常怪異,與其他公認的行星格格不入. 所以被降級為矮行星。

首先科學家重新對行星下定義:

1.  要繞著太陽旋轉。

2.  要有足夠的質量使自身的重力可和剛體的力維持流體靜力平衡(也就是要接近圓形)

3.    其軌道附近無其他物體的天體(不是衛星)。

而冥王星因多年來一直受到天文學家爭議,認為冥王星體積小,重力小,且運行軌道不符合邏輯,與其他公認的行星格格不入。所以在這會議裡,被拿出來討論多次,最後就把它降格到矮行星了。

我們太陽系中的九大行星基本上可按性質分為兩大類:與地球類似的類地行星,及與木星類似的類木行星。類地行星:包含比較靠近太陽的四顆行星:水星、金星、地球和火星。這四顆行星的體積與質量都比較小,但平均密度比較大,且都有固體表面,因此科學家推論這四顆行星的基本組成物質大都是岩石與金屬。此外,這四顆行星的衛星數量都很少,而且沒有光環。

類木行星:則包含離太陽較遠的四顆巨行星:木星、土星、天王星和海王星。這四顆行星的體積與質量都比其他行星較大,但平均密度很小,例如:土星的密度只有0.7g/cm3,甚至遠比水還要小,如果宇宙中有個夠大的游泳池可以將九大行星整個放進去,則除了土星之外,其他八顆行星都會沈入水底呢!由此推知,類木行星的主要組成成分多半是氫、氦、甲烷、氨等氣體與冰。此外,這四顆行星的衛星數量都很多,而行星周圍有都有光環圍繞,其中以土星的光環最壯觀,在地球上以小型望遠鏡即可看見,其他三顆行星的光環都是利用間接方式或太空船從旁飛掠時才得以觀察得到。

 

星名

赤道半徑

赤道重力

地球 = 1

體 積

地球 = 1

質 量

地球 = 1

密 度(g/cc)

自轉週期(地球日)

衛星

公 里

地球=1

太陽

696000

109.13

28.01

1304000

332946

1.44

25.3800

水星

2440

0.38

 0.38

0.056

0.055

5.43

 58.6500

 0

金星

6052

0.95

 0.91

0.857

0.815

5.24

243.02 R

 0

地球

6378

1.00

 1.00

1.000

1.000

5.52

0.9973

 1

火星

3397

0.53

 0.38

0.151

0.107

3.93

 1.026

 2

木星

 71492

 11.19

 2.37

1321.000

317.832

1.33

 0.414

63

土星

 60268

9.41

 0.94

755.000

95.16

0.69

 0.444

56

天王星

 25559

4.01

 0.89

63.000

 14.54

1.27

0.718R

27

海王星

 24764

3.88

 1.11

58.000

 17.15

1.64

 0.671

13

冥王星

1137

0.18

 0.07

0.006

0.0023

2.21

6.387R

 3

月球

1738

0.27

 0.17

0.0203

0.0123

3.34

 27.3217

表八:太陽系的九大行星資料

 

除了八大行星以外,太陽系中位在火星與木星之間有許多質量很小的小行星,主要是岩石與金屬構成。(如圖三)

這些小行星偶而會遭遇其他天體撞擊,碎片四射,若掉到地球上就會與大氣高速摩擦生熱並發出亮光,俗稱:流星,燃燒不完全的物質掉落地面即成為:隕石

在冥王星以外的小星體,是由冰雪與灰塵組合,當它們靠近太陽時會受到太陽的影響而帶有尾巴,那就是俗稱的:彗星彗星亦屬於太陽系的成員之一。(如圖四)所示:

4-1-3地球形成後的演變

地球剛形成時,大氣主要成分為氫、氦,這些氣體慢慢逸散至太空中,等到地表溫度降低固結後,劇烈火山爆發,釋出一些氣體:(如二氧化碳、氮氣、水蒸氣),其中大氣的水蒸氣慢慢凝結降下暴雨,雨水在低窪處累積,形成海洋,此時大氣中除了氮氣、二氧化碳及水氣之外,還有一些氨氣、甲烷、及氫氣等氣體。這些氣體經由頻繁的閃電及紫外線作用,形成了簡單的有機物質,有機物質隨著雨水進入海洋,並在海洋中漸漸結合、演變終於形成最原始的生命。等到行光合作用的生物出現之後,使得大氣的氧氣增加,二氧化碳也漸漸減少,目前大氣成分:氮氣(78%), 氧氣(21%)

在地球上第一個生命誕生在海洋,可能由簡單有機物聚集,自然發生的,隨著時間的演變;此原始生命慢慢朝單細胞生物演化,單細胞生物再朝多細胞生物演化。(如圖五)所示:

 

第二節晝夜四季

4-2-1晝夜交替

在地球自轉時;太陽光照射到地球的地方即為白天(晝),照不到的地方即為夜晚。(如圖六所示)

如果從赤道觀察地球轉動,地球是由西向東轉。假如從北極觀察地球轉動,地球是逆時針轉動。所以晝夜交替是地球自轉的結果。 (如圖七所示)

地球由於自轉的影響而產生晝、夜交替變化的現象,且日、夜的長短與季節和緯度的不同而有所不同。例如:在北極點附近,當冬季時就會有連續數月的夜晚,稱為:永夜。到了夏季時的北極地區,則會有連續數月的白天,稱為:永晝。

而在北半球的夏季,緯度愈高的地區則夜短日長的現象愈明顯,反之;到了北半球的冬季時,日短夜長的現象則是緯度愈高的地區會愈為明顯。在北半球的春分和秋分這二天的日、夜時間是等長的。

4-2-2四季變化

地球繞太陽公轉,地軸傾斜(23.45°),更形成了一年裡春夏秋冬四季和晝夜長短的更替(圖如八為夏至的日照圖)。

由於地軸傾斜和地球公轉,兩極可以接受到相當於赤道40%的陽光,對氣候有調節的作用。至於喬木的年輪,候鳥遷移,獸類冬眠與換毛,以及春耕秋收,春華秋實,都與地球公轉有關。(如圖九)

 

第三節月相、日食與月食

4-3-1月球的盈缺變化

陰曆是曆法的一種。依據月球不斷地、規律地、周而復始有著圓缺的月相變化,因此古人就想到應用這些特性而制定的日曆,就叫「陰曆」。陰曆的日期和月相關係著,正因為這樣,人們可以很容易根據月相的圓缺狀況,判斷當時的日期:

一、朔(一):指月球介於地球和太陽之間,因背對太陽所以在地球上無法看見月球。

二、上弦月(初八):月球由朔的位置逆時針旋轉90度的地方(從北極上空下看),此時月球西邊亮,東邊暗。

三、望(十五):地球介於月球和太陽之間,此時可以看到全部的月亮(滿月)在望之前月球的西邊亮的部份越來越多,直到滿月望之後月球的西邊亮的部份越來越少,直到看不到月亮。

四、下弦月(二十三):由望的位置逆時針旋轉90度的地方(從北極上空下看)此時月球東邊亮,西邊暗。

4-3-2日食與月食成因

月球運行到太陽和地球之間,並擋住了全部(日全食)或部分(日偏食、日環食)太陽的現象。日食的時間都發生在農曆初一前後的朔月時期。

月食是自然界的一種現象,當太陽、地球、月球三者恰好或幾乎在同一條直線上(地球在太陽和月球之間),太陽照射到月球的光線便會部份或完全地被地球掩蓋,產生月食。

月食的時候,以地球來說,太陽和月球的方向相差為1 8 0°,所以月食必定發生在「望」(即農曆 十五日前後)。要注意的是,由於太陽和月球在天空的軌道(稱為黃道和白道)並不在同一個平面 上,而是有約5度的交角,所以只有太陽和月球分別位於黃道和白道的兩個交點附近,才有機會連成一條直線,產生月食。

4-3-3日食與月食現象

日食的種類如下說明:

一、日偏食:月球從太陽的邊緣(半影)經過,遮住部份太陽,就造成日偏食。

二、.日全食、日環食:月球從太陽的正中央經過。為什麼有全食、環食的區別呢?那是因為月球繞地球的軌道叫做『白道』,地球繞太陽的軌道叫做『黃道』,黃道和白道都是橢圓形,因此月球和地球、地球和太陽之間的距離都時近時遠,不是固定的。因此,當月球距地球較近,可以完全擋住太陽,就造成『日全食』(如圖十一所示)

當月球公轉至距離地球較遠時,無法全部擋住太陽,落於地球上的影錐仍有部太陽外環光線會到達,故形成『日環食』。
(如圖十二所示)

日全食發生時,飛鳥歸巢,有時夜晚降臨一般,太陽被月球遮住的景象(如圖十三)所示。日環食發生時,天空仍有太陽光,景象如陰雨天一般(如圖十四)。
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月食的總類有三種:

()、月全食(本影):整個月球都進入地球本影的陰影區。

()、月偏食:月球的一部分進入地球本影的陰影區內。

()、半影月食(半影):月球行經地球的半影區內。

月食還是看得見月亮,只是月亮變成暗紅色而已。為什麼呢?那是因為太陽光經過地球大氣層時,其他色光都被大氣層中的塵埃和水分子吸收,只有波長較長的紅光可以穿透大氣層,並折射到月球表面,而使月球呈現暗紅色。

 

第四節潮汐現象

潮汐現象是天體之間萬有引力在其各個部位的差異而引起的天體形變現象。地球自轉也使得地球得以調節氣候,控制生物活動節奏與潮汐變化。有了自轉,地球才有潮汐,地球與月亮之間的相對運動,引起海面週期性升降。潮汐對沿海航行與海埔潮間帶海水養殖,非常重要。潮汐是海水的上升下降的運動。這種運動在海水中每晝夜漲落兩次,日間的為潮,夜間的為汐。

4-4-1潮汐成因

潮汐是指海面升降的現象,漲潮、落潮的時間有一定的規律,古諺有云:「早知潮有信,嫁與弄潮人!」指的就是漲、落有序,伴隨海面升降而造成的海水流動稱為潮流。完成一次漲、落潮的平均時間約為十二小時廿五分左右,這是由於潮水漲、落主要受月球引力的吸引,太陽因距離地球較遠,其重力影響不如月球的影響大,而月球繞地球一圈二十四小時五十分剛好可以引起兩次漲潮、兩次落潮。(如圖十六所示)

4-4-2潮汐與人類關係

潮流對台灣的影響如下:

一、漲潮流可將海水帶入港區,退潮時可將港區的海水帶離,潮流所帶來的海水對港灣、河口具有清潔功能。

二、潮流所帶來的漂沙,造成西部沿海沙岸的沉積地形,如中南部外海的外傘頂洲。台中港的漂沙多由北方來,因此港口北側建有防沙堤,而高雄港的漂沙多來自南方,因此港口南側見有多道防沙堤。

三、當漁民以拖網捕捉海底底層的魚類時,捕獲量與潮流的大小有很大的關係。大潮時的潮流流速較大,容易把海底泥沙攪起,使海水混濁,底層的魚類會因劇烈動蕩的海水而浮游躲避,分散的魚群自然造成魚獲量減少;小潮時下網則魚獲量就會比較多。

台灣沿海潮流以半日潮為主,每隔6個多小時左右便會改變一次方向,台灣東部海岸面臨太平洋,所以潮差較小。西部海岸緊臨台灣海峽,受地形的局限,潮差變化甚大,但南北兩端的潮差較小,基隆與台北的潮差平均不超過2公尺,但台中港則達4公尺左右,大潮時甚至可達6公尺。潮差的大小會影響河川的自清作用。潮汐是人類最早利用的海洋能源,北大西洋沿岸居民早就利用潮汐來推動磨坊轉輪,今日更利用乾、滿潮的潮差從事發電。

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