记录《Astronomy Today》英文原版的学习笔记，更像是读书笔记，暂时没有好好排版
六、太阳系
6.1 太阳系成员
古代希腊和其他地方的天文学家都意识到了太阳、月球、金星（Venus）、木星（Jupiter）、水星（Mercury）、火星（Mars）、土星（Saturn）以及彗星（Comet）和流星（Meteor）的存在，但是并不清楚他们在这个大系统中扮演的角色。
自17世纪伽利略使用望远镜观测以来，科学技术的进步推动着我们对太阳系的认识的进步，天文学家在1659年发现了土星环，1781年发现了天王星（Uranus），1846年发现了海王星（Neptune）。到现在，我们已知的太阳系包含了1颗恒星(太阳)，8颗行星，围绕这些行星运行的169颗卫星(最新统计)，八颗小行星以及100多个直径超过300km的柯伊伯带天体（Kuiper belt objects），数万个较小的(但研究得很充分的)小行星和柯伊伯带天体，无数直径及千米的彗星，比无数小于100m的流星体（meteoroids）。
为了更好的理解行星演化和形成的条件，我们会比较和对比不同的行星，也就是比较行星学（comparative planetology）。
6.2 测量行星
我们如今已经拥有了太阳系内行星以及其他天体的各种数据，我们是通过以下方式获得的。
1.行星-太阳距离：开普勒定律获得以AU为单位的相对值，并通过雷达对金星测距得出绝对值。
2.行星的恒星轨道周期：观察其在天空中重复位置所花的时间，并将地球绕太阳的运动考虑进去。
3.行星直径：测量从地球看过去的角直径，并用简单的几何计算得出。
4.行星质量：有卫星的行星可以观测其卫星轨道，并通过牛顿运动定律和引力定律计算；像水星和金星这样没有卫星的行星，质量测量较为复杂，需要通过它们对其他天体的引力来计算。如今太阳系内行星质量的计算都已通过绕其环绕的人造卫星精确得出。
5.行星自转周期：通过观察行星表面特征点的旋转周期测量。
6.3 太阳系的布局
从太阳依次往外分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，地球绕太阳轨道半径为1AU，海王星外的柯依伯带（Kuiper belt）绕太阳的轨道半径达50AU，行星轨道的间距并不均匀，越向外，行星轨道间距越远，除了水星椭圆轨道的离心率大一些外，其他行星绕太阳的椭圆轨道都十分接近圆。从地球北极上方看，所有的行星都绕着太阳逆时针旋转，几乎与地球在同一个平面上(黄道平面)。水星的轨道有些偏离这个平面，它的轨道平面与黄道平面夹角为7°，尽管如此，太阳系仍然十分平坦。
6.4 类地行星和类木行星
尽管八大行星各有不同的特点，但大体可以分为两大类：类地行星（terrestrial planets）和类木行星（jovian planets）
在我们的太阳系内，距太阳1.5AU以内的4颗行星：水星、金星、地球、火星为类地行星，它们都很小，质量也相对低（八大行星里地球的密度最大），都有岩石组成和固体表面。
靠外的4颗行星：木星、土星、天王星、海王星为类木行星，它们比里面的几颗行星都要大（八大行星里木星体积和质量最大），没有固体表面，外层主要由较轻的气体氢气和氦气组成。
4个类地行星有一些基本的差异：
1.四个类地行星都有大气层，但水星大气层几乎接近真空，金星大气高温而致密。
2.只有地球大气有氧气，只有地球表面有液态水。
3.四个类地行星表面条件各不相同，水星表面贫瘠，坑坑洼洼，金星表面火山活动分布广泛。
4.地球和火星自转需要24地球时，而水星和金星自转一圈需要1个地球月，并且金星自转方向与其他行星相反。
5.地球和火星都有卫星，水星和金星没有。
6.地球和水星都有可测量的磁场，金星和火星没有。
类地行星和类木行星的一些比较：
1.类地行星彼此相距较近，而类木行星彼此相距较远，分布较广
2.类地行星小，密度大，由岩石组成；类木行星大，气态，并包含大量内行星稀有的氢气和氦气。
3.类地行星有固体表面；类木行星没有(它们稠密的大气层随着深度的增加而变厚，最终与液体内部融合)
4.类地行星即便有磁场，磁场也很弱；类木行星都有很强的磁场。
5.所有四个类木行星都被认为含有大而致密的“类地”核心，质量是地球的10到15倍。离太阳越来越远，这些核心在每颗行星的总质量中所占的比例越大。
6.所有类地行星加起来只有3颗卫星，而类木行星的卫星有很多。
7.所有类木行星都有环，而类地行星没有
6.5 行星际物质
在太阳系中，还分布着无数由岩石和冰组成的星际物质，包括小行星（asteroids）、彗星（comets）、流星体（meteoroids）和星际尘埃（interplanetary dust）。星际尘埃由天体碰撞产生，容易被太阳风（solar wind，来自太阳的高能带电粒子流）扩散，并且不容易被可见光波段探测到，更容易在红外波段探测到。小行星和流星体都有岩石组成，二者其实只是尺寸不同，直径超过100m的称为小行星，不超过100m的称为流星体，它们的很多组成物质从太阳系早期到现在几乎没有变过，因此对研究太阳系的演化等很有帮助，并且它们落到地球表面成为的陨石（meteorites）也相对易于获取研究。彗星由冰组成，和太阳系外层行星的冰卫星很像，直径从几公里到几十公里都有，彗星的成分比小行星和流行更为古老，但由于其冰的组成成分使其无法在经过大气层后落到地球表面。
在比海王星更远处，是柯伊柏带，一条由冰、类彗星天体组成的外层小行星带，曾被认为是行星的冥王星（Pluto）也在其中。
6.6 太阳系是怎么形成的
关于太阳系形成的理论需要依附于观测事实，以下是太阳系的几个已知的事实：
1.每颗行星在太空中都是相对孤立的。
2.行星轨道都接近圆。
3.行星轨道几乎在同一平面。
4.行星绕轨道运动的方向相同，且和太阳自转方向一致。其实太阳系内大尺寸天体的运动方向都一致，且几乎在同一平面（太阳赤道），并绕同一轴（太阳自转轴）。
5.我们的行星系统高度分化，类地行星和类木行星的差异很大。
6.小行星很古老，特点与行星和它们的卫星都不相同。
7.柯伊柏带是小行星尺寸冰冻天体的集合之地。
8.奥尔特云彗星距离太阳很远，并且轨道不在黄道平面。（奥尔特云（Oort cloud）是太阳系外一个完全不同的部分）
最早的日心说模型下的太阳系形成理论可以追溯到法国哲学家勒内·笛卡尔（René Descartes），想象存在一大片星际尘埃和气体云(称为星云，nebula)横跨一光年左右，现在假设，由于一些外部影响，比如与另一个星际云的碰撞或附近一颗恒星的爆炸，星云在自身引力的影响下开始收缩，随着它的收缩，它的密度越来越大，温度越来越高，最终在它的中心形成一颗恒星——太阳，笛卡儿认为，太阳是在气体云炽热的核心形成的，而行星及其卫星是在气体云较冷的外围区域形成的，换句话说，行星是恒星形成过程的副产品。1796年，法国数学家、天文学家皮埃尔西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simon de Laplace）以更量化的方式发展了笛卡儿的思想，他指出根据角动量守恒，星云收缩的过程中尺寸减小，速度就会变快，最后变扁，形成一个薄饼状的原始太阳系，注定要成为我们太阳系的旋转物质通常被称为太阳星云（solar nebula）。这个假设能够很好的符合上述已知事实的前4个，行星是由这样一个圆盘形成的这种观点被称为星云理论（nebular theory）。天文学家确信太阳星云形成了这样一个圆盘，因为我们在其他恒星周围看到了类似的圆盘。
但现在计算机模拟的结果与星云理论相反：气体团倾向于发散而不是收缩。现在更为天文学家广泛接受的是基于星云理论的凝聚理论（condensation theory）。该理论的关键在于尘埃颗粒，尘埃颗粒在气体云的演化中起着两个重要的作用。首先，尘埃以红外辐射的形式有效地将热量散发出去，从而有助于冷却温暖的物质。随着云的冷却，分子移动变慢，内部压力降低，使星云在重力的影响下更容易坍塌。第二，通过充当凝结核（其他原子可以附着的微观平台），形成越来越大的物质球，尘埃颗粒大大加快了收集足够的原子以形成行星的过程。这与地球大气中雨滴的形成方式类似：空气中的灰尘和烟灰充当了水分子聚集的凝结核。
凝结核的形成大大加速了第一批小物质团块的形成，随着表面积的增大更容易吸附其他物质，团块的尺寸也在加速增大。模拟表明，也许在短短10万年的时间里，吸积就产生了几百公里大小的小天体，这些天体被称为星子（planetesimals）。星子的引力已经强大到足以把原本不会与它们相撞的物质卷走，它们的生长速度也加快了，使它们能够形成更大的物体。由于更大的物体有更强的引力，最终几乎所有的原始物质都被卷走，形成了几个大的原行星（protoplanets），最终它们会演变成我们今天的行星，基于此假设的计算机模拟通常都能重现行星的近似圆形轨道，以及随着我们远离太阳而增加的轨道间距。
原始的太阳系在重力的影响下收缩，它在变平成圆盘的过程中升温。中心附近的密度和温度最大，外围则低得多。随着尘埃星云散发出热量，除了太阳形成的核心外，其他地方的温度都在下降。随着气体冷却，新的尘埃颗粒开始凝结(或结晶)出来。在最内层的区域，即水星当前轨道周围，只能形成金属颗粒；距离中心大约1AU的距离，可能形成岩石和硅酸盐颗粒。在大约3或4AU以外，水冰可能存在，在离太阳越来越远的地方，可能会有越来越多的物质凝结。在原始太阳系的内部区域，当平均温度约1000 K时，气体开始凝结成固体。许多更丰富的重元素，如硅、铁、镁和铝，与氧结合产生各种各样的岩石物质，因此，太阳系内部的尘埃颗粒本质上主要是岩石或金属，它们最终形成的原行星和行星也是如此。在原始行星系统的中部和外部区域，距离中心约5AU的地方，温度低到足以使几种丰富的气体——水(H2O)、氨(NH3)和甲烷(CH4)——凝结成固体形式。在氢(H)和氦(He)之后，碳(C)、氮(N)和氧(O)是宇宙中最常见的物质，因此在任何可能形成冰粒的地方，它们的数量都大大超过了在同一位置从太阳星云中凝结出来的岩石和金属颗粒。在这些距离上形成的天体是在寒冷的条件下由低密度的冰质物质形成的。这些原始的碎片最终会形成类木行星的核心。
6.7 类木行星和行星碎片
类木行星形成的两大理论：
核心吸积理论（core-accretion theory）：由于有大量的冰粒作为原料，太阳系外围的原行星生长迅速，很快就变得足够大，它们强大的引力场可以直接从太阳星云中捕获大量的气体，这四个原行星演变成类木行星的核心，捕获的气体就是它们现在的大气层，而较小的靠内的原行星则不会到达这个阶段。
但是最近天文学家发现星云盘的气体会被不断向外吹走，留给外层原行星捕获气体的时间只有几十万年，不足以使它们称为现在的巨行星。
引力不稳定性理论（gravitational instability theory）：类木原行星直接从星云气体中形成，跳过了最初的凝聚和吸积阶段
核心吸积理论预测的类木行星的核心质量要大得多——是地球的20倍，未来太空任务对木星内部的详细测量可以解决这个争论。
类木行星很可能是从更外的轨道向内迁移过来的，行星迁移的想法从20世纪80年代中期就开始了，当时理论家们意识到，大质量行星和它们所在星云之间的摩擦会导致这种向内漂移。1999年伽利略号的科学家发现木星大气中存在的氮、氩、氪和氙等气体的浓度比预期高得多，而这些气体在木星当前轨道的温度不可能存在，很有可能是之前从更外围轨道形成的，甚至很可能是现在的柯伊伯带。
这些事件发生的时间只有几百万年，对太阳45亿年的历史来说只是一瞬，内太阳系的吸积过程更为缓慢，大约需要1亿年才能形成我们今天所知道的类地行星。岩石小行星和冰冷的彗星是最初从太阳星云中凝聚出来的物质的全部残余。
内太阳系中逃脱了类地行星捕获的小行星碎片在类地行星的引力弹弓下最终被推进到火星轨道之外，火星和木星之间的小行星带中无数的岩石未能积聚成一颗行星，可能是附近木星巨大的引力场导致它们碰撞的破坏性太大，无法合并，但仍不断碰撞。外太阳系的小行星碎片则在类木行星的引力弹弓下向更远推去，形成现在的奥尔特云，一些原始的星子留在了后面，形成了被称为柯伊伯带的宽带，柯伊伯带的天体有1200多个，直径从50公里到2000公里以上不等，它们的存在有力地支持了行星形成的凝结理论。
关于内行星形成的凝结理论，一个长期存在的难题是地球和其他地方的水和其他挥发性气体的起源，内行星形成时，它们的表面温度太高，重力太低，无法捕获或保留这些气体，因此这些水和气体很可能是从外太阳系的彗星上带来的。
七、地球
7.1 行星地球的整体结构
沿着地球半径方向，地球可以分为六个主要区域，由外向内分别是：地球磁层（magnetosphere）、大气层（atmosphere）、地表（包含地壳（crust）和水圈（hydrosphere））、地幔（mantle）、外核（Outer core）、内核（Inner core）。
7.2 地球大气层
地球上的空气由主要由78%的N2（nitrogen）、21%的O2（oxygen）、0.9%的Ar（argon）、0.03%的CO2（carbon dioxide）和0.1%到3%的水蒸气组成（水的占比与地区和气候有关）。
海拔越高，大气越稀薄。
【对流层】（troposphere）：海拔12km以下的大气层，由于地表温度更高，下方空气的温度高于上方空气，下方空气密度降低，向上移动，上方空气向下移动，形成对流（Convection），产生对流层。
【平流层】（stratosphere）：海拔12km到50km的大气层。
【中间层】（mesosphere）：海拔50km到80km的大气层。
【电离层】（ionosphere）：海拔80km以上的大气层，此处的大气被太阳较高能量的辐射电离，分子被电离成原子原子被电离成离子，自由电子使得该区域有很强的导电性，并能反射特定波段的电磁波，AM波段的无线电远距离传输就是基于此实现的。
在海拔约25km处的平流层中，存在着臭氧层，可以吸收来自太阳的紫外线，对包括人类在内的许多地球生物十分重要。
在理想情况，来自太阳的可见光和近红外光会穿过地球大气层到达地面，地球会辐射一部分能量出去，并会在250 K (−23°C)的温度下达到平衡。但由于地球大气中的水分子和二氧化碳分子能够高效地吸收红外光，导致地球向外辐射的红外波段电磁波被阻拦，使地球温度上升，也就是我们熟知的温室效应（greenhouse effect），该效应使地球温度升高了40 K (40°C)。温室效应的程度取决于温室气体（greenhouse gases），水蒸气和二氧化碳都是温室气体，其他温室气体（如甲烷，methane）也会影响但由于量少所以影响较小。
地球大气的起源：地球大气最早由早期太阳系的大气组成，包括氢气、氦气、甲烷、氨气和水蒸气氢气和氦气这种较轻的气体会在地球形成的几亿年里飘向太空，接着由于火山活动地球产生了次生大气（secondary atmosphere），火山气体包含水蒸气、甲烷、二氧化碳、二氧化硫和含氮化合物，太阳紫外辐射将较轻的富氢气体分裂成它们的组成原子，使氢逸出，并从与其他元素的化学键中释放出大部分氮，随着地表温度下降，水蒸气冷凝形成海洋，许多CO2和SO2溶解在海洋里或形成岩石，氧很活跃，使得早期出现的游离氧在形成后很快被结合走，一个主要由氮气组成的大气层慢慢出现，35亿年前生命在海洋出现，产生氧气，大气慢慢形成臭氧层，臭氧层阻挡了紫外线使生命得以在陆地生存并繁盛。
7.3 地球内部
即使使用已知最坚硬的材料金刚石作为钻头，也只能钻到地表10km，对地球6400km的半径来说杯水车薪，但我们有其他方式探索地球内部。
地震产生的波并非随机，而是系统性的，从地震处向外移动，称为地震波（seismic waves），像其他波一样，地震波也携带信息，能够被地震仪（seismograph）检测和记录。
【初级波】（primary waves，P-waves）：从震源首先到达远处监测点的地震波，是一种压力波（pressure waves），也是一种纵波，可以在固体和液体中传播，速度为5-到6km/s
【次级波】（secondary waves，S-waves）：从震源随后到达远处监测点的地震波，是一种剪切波（shear waves），也是一种横波，只能在固体中传播（在液体中被吸收），速度为3到4km/s
地震波的速度取决于穿过介质的密度，因此可以通过检测地震波的速度来判断介质的密度，波速会随着深度增加而增加，由于地球内部密度和温度不同，波在传播过程中会发生弯曲。通过监测震源产生的初级波和次级波在地球上的分布情况，大部分的地质学家认为次级波被地球的液体核吸收，初级波在地球核边缘发生折射，并且产生了初级波和次级波都无法到达的阴影区域（shadow zones），根据阴影区域的尺寸可以计算地球核心的半径是3500km，也就是地球外核的半径，实际上在阴影区域内也能检测到微弱的初级波，是内核折射的结果，可以计算出内核半径为1300km。
地球地壳厚度仅有15km，地幔厚度有3000km，越往深处，密度越高且温度越高，密度从3000 kg/m3到超过12000 kg/m3，温度从300K以下到5000K以上。地幔到外核的密度是剧增的，是由于二者边界线两边区域的物质的差异，地幔的主要成分是硅氧化合物的岩石，而外核存在许多如铁镍等更高密度的金属元素，外核到内核的过渡基本没有成分的差别，只是液态和固态的差别。
尽管无法钻入超过10km的深度，我们可以通过火山喷发获得部分地幔物质，上层地幔物质为铁镁硅酸盐的混合物玄武岩（basalt），比含有更多如硅铝等轻元素的花岗岩的密度稍大，这也是地壳“浮”在地幔上的原因。
为什么地球不是密度均匀的球体，而是有着分层的结构，并且核心温度如此之高，与太阳表面温度接近：随着早期地球的生长，地球引力吸引越来越多的物质撞向地球，这个过程使地球不断升温，那时地球整体或部分都已经融化，重的物质沉到深处，轻的物质浮到表面，随后冷却凝固，形成了如今的分层结构。地球表面变为固体后仍受到天体碎片的轰炸，但在水和风的侵蚀下已经几乎看不到这些痕迹，但在月球表面仍保存着大量撞击的痕迹。第二个加热地球的过程是放射现象（radioactivity），地球存在许多铀、钍、钚等放射性元素，它们的重核衰变产生了很高的温度，岩石导热性差使得这些热量长期存在于地球内部。
放射性物质剩余量=(1/2)^(t/T)，t为经过的时间，T为该物质半衰期。
铀-235的半衰期是7.13亿年，铀-238的半衰期是45亿年，它们对地质学家很重要，因为后者半衰期与太阳系年龄接近。
7.4 表面活动
火山和地震是地球表面两大地质活动。
1912年，一位名叫阿尔弗雷德·韦格纳的德国气象学家发现大西洋两岸的大陆十分吻合，首次提出了大陆漂移（Continental Drift）的观点，开始他的想法并不受支持，但后来通过现代设备的精确观测（实际上是通过对遥远天体的观测），证实了他的观点，被称为板块构造学（plate tectonics），如今大陆也在以每年几厘米的距离漂移，板块漂移产生板块之间的碰撞会形成山脉或深海沟。造成板块漂移的原因是对流，对流主要发生在软流圈（asthenosphere），和大气中的对流原理相似，热物质在冷物质下面，高温地幔岩石上升，低温的物质向下移动，对流产生的循环圈使板块移动。
7.5 地球磁层
磁层（magnetosphere）是行星周围受行星磁场影响的区域，地球的南北磁极并非固定不动，而是以每年10km的速度移动着，南北磁极也并不对称，北磁极在北纬80度，南磁极在南纬60度。
地球的磁层包含两个甜甜圈状的高能带电粒子区，一个最远距地球表面3000km，另一个最远距地球表面20000km，这些区域被命名为范艾伦带（Van Allen belts）。构成范艾伦带的粒子起来源于从太阳吹来的稳定带电粒子流——太阳风，太阳风中的中性粒子和电磁辐射不会受到地球磁场的影响，但带电粒子会被影响（主要是质子和电子），磁场对运动的带电粒子作用力，使其绕磁场线旋转，范艾伦带的外层主要是电子，更重的电子分布在了内层。范艾伦带对地球生命有着重要的保护作用，磁层抵挡着大量高速且有害的带电粒子的轰击。
范艾伦带的粒子经常从地球南北磁极附近的磁层逃逸，在那里磁力线与大气相交，它们与大气分子的碰撞会产生壮观的极光（aurora），大气分子在与带电粒子碰撞时被激发，回落到它们的基态时就会发出可见光，通常发生在高纬度地区。
地球磁场的形成并非是由于有一块巨大的磁铁在地球内部，地质学家普遍认为，地球磁场并非永久存在，而是由地球内核产生并只在地球自转时才存在。像发电机一样，地球磁场是由地球深处旋转的导电液态金属地核产生的，并通过地球自转而使磁场持续，该理论被称为发电机理论（dynamo theory）。
7.6 潮汐
潮汐的形成是由于月球和太阳对地球产生的引力影响，为了简化，我们可以主要考虑月球的影响。月球对地球的引力使地球表面的海洋从球面被近乎拉成椭球，产生潮汐隆起（tidal bulge），使海洋的深度发生变化，在地球的自转下形成周期性的潮汐现象。月球对地球的这种引力也被称为潮汐力（tidal force），潮汐力随着距离增加会迅速减小（反比于距离的立方），意味着一个物体需要在很近的距离或拥有很大的质量才能对另一个物体产生较明显的潮汐效应。
在靠近月球和远离月球的地球表面的海洋都会隆起，只有中间的会稍低，因此地球任何一处的涨潮每天都会发生2次。太阳对地球的潮汐影响也不小，是月球潮汐影响的一半，当太阳、月球、地球位于同一直线时，引力效应相互加强，所以潮汐的高潮通常出现在新月和满月的时候，这时的潮汐被称为春潮（spring tides）；当地月连线和地日连线垂直时，潮汐最小，被称为小潮（neap tides）。
地球自转的恒星日是23h56min，但是，通过化石测定我们发现地球自转正在变慢，导致每100年一天的长度会增加1.5ms，5亿年前，一天只有22小时，一年有397天。地球自转变慢是由于潮汐效应引起的，由于地壳和海洋之间以及地球内部摩擦的影响，地球的自转往往会拖着潮汐隆起，导致海洋隆起会沿地球自转方向与地月连线偏移一个小角度，月球引力对这个略微偏移的凸起会降低地球的自转速度，与此同时，月球正缓慢远离地球，地月平均距离每年增加约4厘米。这个过程将持续数十亿年，直到地球自转速度与月球绕地球公转速度相同。
八、月球和水星
8.1 轨道特性
月球距离地球平均距离为38400km，如今的技术可将该距离精确至几厘米。
水星轨道半长轴为0.4AU，这意味着在地球上看它与太阳的角距离永远不会超过28°，因此只有在黎明前或日落后阳光较弱时才能用肉眼看到，因为地球以每小时15度的速度自转，使得水星在任何一个夜晚最多也只能被看到2个小时，只有一些大型的望远镜可以在白天也观察到。
8.2 物理特性
月球半径为1738km，约为1/4地球半径，水星半径为2440km，约为0.38倍地球半径；
月球质量为7.3×10^22 kg，约为1/8地球质量，水星质量为3.3×10^23 kg，约为0.55倍地球质量；
月球密度为3300 kg/m3，比地球的密度5500kg/m3要少，暗示月球有更少的重元素，水星密度为5400kg/m3，与地球密度接近，如果水星表面岩石密度和地球表面密度接近，由于水星质量比地球小，上层包覆产生的挤压力更小，因此水星的核心很可能比我们地球的核心所含的质量要大得多。
水星和月球上都未发现有明显的大气层，这和二者的质量较轻有关，大气很容易在它们的低引力下逃逸至太空。实际上月球和水星上有极其稀薄的大气，仅为地球大气密度的万亿分之一，构成不了有保护能力的大气层。由于缺少大气层，月球和水星表面昼夜温差很大。正午时月球最高可达400K，水星可达700K，而在夜晚，两个星球的温度都会降到约100K，水星的600K的昼夜温差是太阳系中所有行星和卫星里最大的。