第二課地月系統
主要內容
·
【地球大氣】
·
【地球內部結構】
·
【地球年齡】
·
【地月作用—潮汐】
·
【月球表面】
·
【月球內部結構】
·
【地月系統形成理論】
瞭解/理解
地球基本資訊：地表溫度、大氣結構、磁場、內部結構、板塊運動
月球基本資訊：月表結構、環形山、大氣、水、內部結構
地月系統：相互影響、形成理論
這節課我們從太陽系中最熟悉的講起——地月系統，包括地球的基本資訊、月球的基本資訊以及這個系統是怎樣形成的。
雖然我們對地球的一切似乎司空見慣，但地球對我們來說是獨一無二的。如何來理解它的獨一無二？
【地球大氣】
首先來看一下地球的地表溫度。如果假設地球吸收太陽輻射，然後以黑體輻射形式釋放，那麼地球的表面溫度大約為-16度。但實際上地球表面溫度為14度，比假設的到的溫度高30度。
為什麼高那麼多？簡單說是因為溫室效應。水汽、二氧化碳、甲烷等氣體能夠吸收地球的輻射，阻止地球散熱。
*問題：按照黑體估算地球平均溫度在-16°，但是實際測量是
14°，是什麼造成了這種差別?
我們可以利用多種輻射達成的平衡來計算地表的溫度：接收太陽的的輻射量等於一部分地球表面輻射加上大氣層輻射。地表輻射等於接收太陽的的輻射量加上大氣層輻射。
地表之上就是大氣層，從下往上分為：對流層、平流層、高層大氣。
對流層隨著高度上升，溫度降低。
平流層隨著高度上升，溫度會升高。因為臭氧增加，吸收紫外線。
再往高去，溫度下降，因為密度越來越低。
電離層，溫度再度隨高度升高。因為吸收紫外線，有了新的能源注入。
不同高度的大氣存在物質分層，導致了複雜的狀況。
*問題：地球大氣溫度隨高度的變化是什麼規律?是什麼造成的?
地球的磁場保護了大氣的存在，保護生命免受太陽風粒子的攻擊。
地球的南北極並不與磁南極和磁北極重合。地球磁場不強，不到類木行星的千分之一。
*問題：地球磁場如何保護地球?極光是如何形成的?為何發生在極區?
【地球內部】
這是地表外面，那麼如何探知地球內部呢？
我們瞭解地球內部的結構主要是源於地震波或者人造地震波。存在兩類地震波，在不同的介質裡面傳播的速度不一樣。一類就是縱波，無論是固體、氣體、液體都可以傳播；一類是橫波，需要剪下力，一般在固體內傳播，液體內無法傳播。
透過觀測地震波在不同的位置如何傳播，可以反演地球內部的結構。人們發現地球有一個液態的金屬核；外面有岩石的地幔，岩石比較柔軟，溫度、壓力非常高，非熔融，可以緩慢流動且形成巨型環流模式；最外面是岩石的地殼，輕且堅硬。
其中，液態金屬核也被認為是地球磁場產生的必要條件。這也是發電機理論，需要快速的自轉和導電的液體核心。
由於內部的密度大，外面的密度小，地震波傳播並非沿直線。
基於地球的結構，地幔會形成一種環流，形成板塊漂移。人們可以透過鐳射測量不同板塊之間的距離變化或在不同板塊上測量遙遠天體的位置變化，研究不同板塊漂移的速度與方向，繼而追溯遠古大陸的形狀。
*問題：地球內部結構是什麼?如何探測?
*問題：地球板塊為什麼會漂移?為什麼會有火山爆發?
【地球年齡】
地球的年齡可以利用放射性元素來測定，包括鈾238，鋁26，碳14等。
鈾-238 -> 鉛-206，半衰期45億年。
碳14 -> 氮-14，半衰期5700年，測不了太長的年齡，一般是測6萬年以內的事件（化石）。
鋁26 -> 鎂-26，半衰期72萬年，一般測隕石。
先決條件：原先的物質與產生的物質在一個孤立/密閉的系統裡面。因此一般用固體，比如測地球年齡是用岩石。
【放射性年代測定技術依賴於假設當岩石持續發生放射性衰變時保持固體。如果岩石融化，便沒有理由認為子核會留在它們的“父母”佔據的相同的位置上，整個方法就會失敗。因此，放射性年代測定表明岩石自上次凝固已經過去了的時間。地球上最古老的岩石距今39億年（或41億年），這個數值代表我們這個星球的真實年齡的一部分——下限，它無法測量地球處於熔融狀態的時間。】
*問題：利用發射線元素測定年齡的方法有哪些應用條件?
【地月作用—潮汐】
地月系統最顯著的相互作用就是潮汐作用。地球上離月球近和離月球遠的地方收到月球的引力不同（該引力差可以認為是一種撕扯力）。由於月球質量小，距離遠，只能在地球的水面形成潮汐隆起。海平面一般上升一米高，河面會升起較高，如錢塘江高於20米。
潮汐作用會導致（1）地球自轉變慢。地球並不是完美的球體，而是赤道處有隆起；地球自轉帶動潮汐隆起的位置前行，而月球則往回拉，導致地球自轉變慢，每個世紀一天增長1。5毫秒。（2）地月距離變遠，月球每年遠離地球4釐米。（3）月球自轉變慢（保持公轉和自轉同步）。
【巴哈馬群島的某種珊瑚，其生長能夠標記太陽光照（天）和響應季節變化（年）。五億年前的化石顯示每年有400天。】
【由於月球的赤道和月球公轉軌道平面不共面（～6o），地球上觀測會發現月球週期性上下襬動，因此我們能看到59%的月面。】
*問題7：地月之間潮汐力都有哪些作用效果?
【月球表面】
對於月球，地面望遠鏡能達到的最高解析度是1公里；嫦娥三號解析度小於1米。
正面能看到月海，看上去特別黑，因為反光率低；而高地就特別亮，因為反光率比較高。月球反射的光大部分來自太陽，一部分來自地球。
月亮的背面幾乎都是高地。
高地主要是由富含鋁的岩石組成，它們比月海中的物質顏色更淡、密度更低（2900 kg/m3）。放射性年代測定揭示了來自高地的岩石年齡為40~44億年。
月海是大的撞擊後熔岩流出形成的，以前的環形山都被抹去，新的環形山形成於熔岩凝固以後。月海中的物質類似地球上來自熔融地幔的玄武岩，含有較多的鐵，有較深的顏色和更高的密度（3300 kg/m3）。這些玄武岩年齡在32億年到39億年之間。說明30億年前月球已經不再向外流岩漿了，即很久不活動了。
流星體撞擊月球表面形成環形山，產生粉塵，落在月球表面就形成了月壤。
*問題：月球高地和月海分別指什麼?組成區別是什麼?我們如何得知?
*問題：月球背面有什麼特徵?為什麼和正面如此不同?
*問題：月球環形山都有哪些起源?
*問題：月球高地和月海的環形山分佈截然不同，揭示了什麼資訊?如何由環形山計數得到年齡?
月球只有極稀薄的大氣，大約地球的一萬億分之一。其中氫和氦來自太陽風，而鈉鉀鎂原子是由於太陽風打到月球表面，把礦物裡的金屬原子踢出來。
月球沒有真正的大氣，因為引力太弱，逃逸速度太低2。4 km/s，而且離太陽比較近。而地球一方面逃逸速度為11。2 km/s（能夠保持氮氣氧氣等，但也無法保持氦氣），另一方面存在磁場，所以能保住大氣層。
*問題：月球上為什麼沒有和地球一樣的大氣?這將有什麼後果?月球上只有極稀薄
的氣體，它們可能來源於什麼?
月球大氣中水含量非常低。可以透過紫外望遠鏡觀測羥基的發射線。月岩沒有水，原因：缺乏大氣+白晝400K高溫；對比：地球岩石總含有1%-2%的水。
【LCROSS/LRO撞擊月球證實噴出物有水分子，水含量低於沙漠沙子。】
*問題：地球岩石中有
1%-2%的水，那麼月岩中有沒水分子?如何測量?
【月球內部結構】
可以透過月震，測繪月球內部結構。GRAIL的兩艘探測器環繞月球軌道飛行，透過測量彼此間的距離變化確定測量月球的重力場和內部結構。
月球密度為 3300 kg/m3，類似於月岩密度，說明沒有類地球大型鐵鎳核心。
月球內部包括含鐵的月核，巖質的月幔，多孔的月殼；背面的月殼比較厚，抑制火山沒有月海。
*問題：據說月球內部有外星人開闢的巨大空洞和隧道，我們如何確定?
【地月系統形成理論】
同源說：同時形成。缺陷：密度組分不同。
捕獲說：地球俘獲了月球。缺陷：太大難於捕獲；二者地幔組成相似。
分裂說：地球甩出部分成為月球。缺陷：地球不可能轉那麼快，也不可能摔到穩定軌道。
撞擊理論優點：太陽系早期碰撞的確十分頻繁；碰撞後鐵核會留在地球上；與地球與月球密度組分的認識相符；年輕月球會形變，且高密度核會靠近地球，因此正面形成大規模月海，而背面沒有。
*問題：地月系統形成都有哪些理論?目前的理論是什麼?有什麼可能缺點?
