1、太陽系的衛星和環本文列出的行星的白然衛星,顯示了與其環繞的行星一樣多的多樣 性.在類地行星中,的衛星只有地球的衛星和火星的兩顆小衛星火 衛一和德伊莫斯.地球上的月亮很不尋常,由于它相對于它的主星來說 太大了.月球的硅酸鹽成分類似于地球的地幔,還有一個非常小的鐵心.現在人們普遍認為,月球是在類地行星吸積后期,由原地球和另一 顆火星大小的原行星碰撞形成的.這種“巨大的撞擊現在被認為能夠 解釋太陽系的許多特征,例如異常高密度的水星和幾個平面旋轉軸的大 傾角.以地球為例,與另一顆原行星的碰撞導致兩顆行星的核心合并, 而兩個天體的一小局部被拋入環繞地球的軌道,在那里一些物質重新聚 集形成了月球.隨后,地

2、球和月球之間的潮汐相互作用將月球的軌道緩 慢地向外演化到目前的位置,同時減緩了地球和月球的白轉.現在人們普遍認為,月球是在類地行星吸積后期,由原地球和另一 顆火星大小的原行星碰撞形成的.這種“巨大的撞擊現在被認為能夠 解釋太陽系的許多特征,例如異常高密度的水星和幾個平面旋轉軸的大 傾角.以地球為例,與另一顆原行星的碰撞導致兩顆行星的核心合并, 而兩個天體的一小局部被拋入環繞地球的軌道,在那里一些物質重新聚 集形成了月球.隨后,地球和月球之間的潮汐相互作用將月球的軌道緩 慢地向外演化到目前的位置,同時減緩了地球和月球的白轉.巨大撞擊 假說能夠解釋地-月系統的許多特征,包括月球和地球地幔成分的相似

3、 性、月球內部缺乏重要的鐵心以及地-月系統的高角動量.與大多數大型白然衛星一樣,月球也經歷了潮汐演變,其白轉周期 與其軌道白轉周期相匹配.這就是所謂的同步旋轉.它導致月球在任何 時候都顯示出與地球相同的面,盡管由于月球軌道的偏心,與此有一些 小的偏離.月球外表顯示了太陽系歷史上所有行星都經歷過的強烈撞擊的記 錄.根據長壽命放射性同位素的衰變,對返回的月球樣品進行了年齡測 定.這使得通過比較樣本年齡和收集樣本的月球平原上的隕石坑數量, 可以確定月球爆炸的年代.月球平原,或稱瑪麗亞,是月球歷史上第一 個十億年中熔巖大規模噴發的結果.所揭示的年表顯示,月球經歷了42億到38億年前,被稱為晚期重轟擊.

4、與形成類地行星和去除其軌道上大 局部三行星碎片所需的1億至2億年相比,這一時間段相對較晚.月球、 水星和火星上隕石坑大小分布的相似性說明,晚期的猛烈轟擊席卷了所 有的類地行星.最近對晚期重轟擊的解釋集中在它來白于清理外行星帶 的彗星碎片的可能性上.然而,該進程時間表的詳細動態計算仍在確定 之中.就像太陽系幾乎所有其他衛星一樣,被困在月球的夜晚.此外,鈉 和鉀月球沒有實質性的大氣.已經探測到了一個瞬態at,可能是由于太陽風中的第原子轟擊太陽風粒子如水銀上的太陽風粒子引起的外表 大氣濺射的結果.月球外表被捕獲.氯的探測與地球的月球不同,這兩 顆從地表巖石逃逸和火星暫時變冷的天然衛星都是體積小、不規

5、那么的天 體,在軌道上相對來說離地球很近.事實上,火衛一,這顆更大更近的 衛星,繞火星運行的速度比行星白轉的速度要快.這兩顆火星衛星的表 面成分似乎與碳質球粒隕石相似.這導致人們猜測這些衛星是被封頂的 小行星.這一假設的一個問題是,火星位于小行星帶內邊緣附近,在那 里硅酸鹽小行星占據著人口的主導地位,而車泥質小行星相對較少.另 外,這兩顆衛星都非常靠近行星,并且都位于接近圓形或比特的位置, 這對于捕獲的物體來說是不尋常的.與類地行星的衛星相比,巨行星的衛星數量眾多,排列復雜.木星 有四顆主要的衛星,很容易在地球上的小型望遠鏡中看到,還有58顆已知的較小衛星.1610年伽利略發現了四顆主要衛星,

6、現在稱為伽利略衛 星,這是哥伯-尼卡日心太陽系理論的早期證實之一.最里面的伽利略衛 星,Io,大約和地球的月亮一樣大,由于木星的潮汐擾動以及與木衛二 和木衛三的引力相互作用,其外表有活潑的火山活動見第2.1節.下一顆向外的衛星是木衛二,它比木衛一稍小,似乎有一個薄冰殼覆蓋在 可能的液態水海洋上,這也是木星潮汐加熱和衛星-衛星相互作用的結果.基于撞擊坑的計算,對木衛二外表年齡的估計還很年輕,這說明薄 冰殼可能會反復破裂和改造.從木星向外的下一顆衛星是木衛三,它是 太陽系中最大的衛星,甚至比水星還要大.Ganymede!：另一顆冰凍衛星, 它顯示了構造活動的證據,并且在過去的某個時間s被局部地復活

7、. nal伽利略衛星是 Callisto ,另一顆冰凍衛星,它似乎保存了彗星和小 行星的撞擊記錄,可以追溯到太陽系的起源.如前所述,伽利略內部三 顆衛星的軌道被鎖定為4:2:1的平均運動共振.木星較小的衛星包括4顆在木衛一軌道內,54顆在離木衛一非常遠 的地方.后者大多處于逆行軌道,這說明它們很可能是被捕獲的彗星和 小行星.這些衛星的軌道參數分成幾個緊密相關的組.這說明,每一組 都是由一個更大物體的碎片組成,而這個碎片很可能是由于與另一顆小 行星或彗星的碰撞而被破壞的.可能,碰撞發生在木星的引力球內,然 后可能導致碎片的動態捕獲.所有近軌道的木星衛星在木衛四附近似乎都與木星同步旋轉.但是,已經

8、確定了輪換周期對于兩顆外層衛星, Himalia和Elara來說, 它們的運行時間大約為10到12個小時,比它們圍繞地球的250天的旋 轉周期要短得多.土星的衛星系統與木星的非常不同, 由于它只包含一顆大衛星泰坦, 其大小與伽利略衛星、8顆中等大小的衛星和47顆較小的衛星相當.土 衛六是太陽系中唯一一顆大氣層豐富的衛星.盡管卡西尼號太空船已經太陽系的衛星和環 成功地在紅外和雷達波段觀測到了月球外表,但其大氣層中的有機殘留 物云卻阻礙了月球外表的觀測.大氣主要是氮氣,也含有甲烷,可能還 有氯.在94k下測量了土衛六的外表溫度,外表壓力為 1.5bar.卡西尼 號在土衛六上發現了一個復雜的外表形態

9、,包括河流、湖泊和可能的低 溫火山作用.土星的中小型衛星都有冰的成分,并經歷了亞標準的處理,可能是 潮汐加熱的結果,也可能是碰撞的結果.軌道共振存在于幾對衛星之間, 大多數衛星與土星同步旋轉.一個有趣的例外是 Hyperion ,它是一個高 度非球形的物體,看起來處于混沌旋轉中.另一顆衛星土衛二的軌道上 有一個物質環,可能來白衛星,這可能是由于最近的一次大規模撞擊, 也可能是由于冰衛星上的火山活動；卡西尼在土衛二南極附近發現了冰 間歇泉.另外兩顆衛星,迪翁和特提斯,在同一軌道上有伴星,分別圍 繞土星-迪翁1個伴星和土星-特提斯2個伴星系統的特洛伊振動 點振蕩.另一個特別有趣的土星衛星是土衛八,

10、它在一個半球是黑暗的, 在另一個半球是明亮的,它的赤道有一個狹窄的山脊環繞著衛星.地表 反照率或赤道脊異常二分法的原因尚不清楚.土星有一顆非常遙遠的中等大小的衛星,菲比,它在逆行軌道上, 被認為是一顆早期太陽系的行星,盡管它是一顆非常大的行星.菲比不 是同步站,而是有一個大約 10小時的周期.的47顆土星小衛星包 括10顆嵌入或緊鄰土星環系的衛星、3顆特洛伊式天秤座衛星和34顆位 于遙遠軌道的衛星.與木星一樣,這些遙遠的天體大局部都是在后級軌 道上,有些是成組的,這說明它們是碰撞碎片.天王星系統由.ve顆中等大小的衛星和22顆較小的衛星組成.再說 一遍,這些都是冰的東西.這些衛星還展示了過去的

11、加熱和可能的構造 活動的證據.米蘭達衛星特別不尋常,由于它展示了各種各樣的復雜地 形.有人認為,米蘭達和其他許多可能是結冰的衛星在其歷史上的某個太陽系的衛星和環 時候受到了碰撞破壞,碎片隨后重新進入軌道,形成了目前觀測到的衛 星,但保存了一些較老的形態.在太陽系的歷史上,這種中斷/再觸發階段甚至可能在某些特定衛星的情況下再次發生.在較小的天王星衛星中,13顆嵌入環系統,9顆位于遙遠的、主要是逆行軌道.同樣,這些可能 是被捕獲的對象.海王星的衛星系統由一個大的冰衛星,海衛一和12個小衛星組成.海衛一比冥王星稍大一些,它在逆行軌道上是不尋常的.因此,與海王 星的潮汐相互作用導致衛星的軌道衰變,最終

12、當海衛一在羅氏極限范圍 內通過時,它將被行星的引力撕裂.逆行軌道經常被引用作為證據,證 明Triton衛星一定是從行星際空間捕獲的,實際上并沒有在繞行星的軌 道上形成.盡管距離太陽很遠,但 Triton的冰面顯示出許多不尋常的地 形類型,強烈暗示著熱處理,甚至可能是當前的活動.旅行者2號宇宙飛船拍攝到了海衛一上“冰火山的羽狀物.海王星較小的衛星包括 6顆環系內或環系附近的衛星和 6顆遙遠的 軌道上的衛星,它們平均分為直接和逆行衛星.在矮行星中,谷神星沒有的衛星.冥王星有一顆非常大的衛星,即Charon,它的大小略大于冥王星的一半,還有兩顆較小的衛星,Nix和Hydra,每顆直徑約為40-60公

13、里.冥王星-冥王星系統是完全潮汐演 變的.這意味著冥王星和 Charon都以相同的周期旋轉,即6.38723天, 這也是衛星在其軌道上的旋轉周期.結果,冥王星和查倫艾爾韋爾 斯彼此露出了相同的面孔.有人疑心冥王星-夏隆系統是由兩個大型柯伊 伯帶天體之間的巨大撞擊形成的.第三顆矮行星Eris也有一顆中等大小的衛星Dysnomia,直徑約300-400公里.除了他們的衛星系統,所有的木星方案 ets都有環系統圖8.與 衛星系統一樣,每個環系統都與它的鄰居截然不同.木星有一個 1.72-1.81行星半徑的單環,由旅行者1號宇宙飛船覆蓋.這個環有幾個太陽系的衛星和環 部件,與環內或環附近的四顆小衛星有

14、關.微米大小的環形粒子似乎是 嵌入衛星上的濺射物質.土星有一個巨大的、寬的環系統,其半徑介于1.11到2.27行星半徑之間,很容易在地球上的小型望遠鏡中看到.環系統由三個主要的環 組成,稱為A、B和C,從外向行星排列,C環內有一個標記為D的漫射 環,幾乎一直延伸到土星大氣的頂部,還有其他幾個狹窄的單獨環.旅行者號太空船仔細檢查后發現,A、B和C環各由數千個單獨的環 組成.這個復雜的結構是許多土星衛星以及鑲嵌在土星環內的小衛星平 均運動共振的結果.一些小衛星充當引力“牧羊人,將環形粒子聚焦 成窄環形.附加的窄環和擴散環位于主環系統外.天王星環系統是1977年在天王星掩星觀測過程中意外發現的.在這

15、 顆行星的兩側,我們看到了恒星信號中一個對稱的.ve窄傾角模式.后來 對其他恒星掩星的觀測發現了一個額外的.ve窄環.旅行者2號探測到了 更多的、更模糊的、彌散的光環,并提供了整個光環系統的詳細圖像.發現天王星環的成功,導致了類似的使用恒星掩星在海王星周圍尋 找環系統的研究.環被探測到,但并不總是圍繞行星對稱,這說明環中 存在間隙.隨后的旅行者 2號圖像顯不",在六個被探測到的環中,有一* 個環的物質在方位上濃度很大.所有的環系統都在各白行星的羅氏極限范圍內,在這個距離上,來 白行星的潮汐力將破壞任何固體,除非它足夠小和足夠強,能夠被白身 的物質力量結合在一起.這使得人們普遍認為這些

16、環是被破壞的衛星, 或者可能是永遠無法成功形成衛星的物質.環狀顆粒的典型尺寸從微米 大小的灰塵到米大小的物體,似乎主要由冰物質構成,盡管在某些情況 下被含碳物質污染.木星環是一個例外,由于它似乎是由碳質和硅酸鹽 物質組成,沒有冰.太陽系的另一個組成局部是黃道塵埃云,這是一個巨大的,連續太陽系的衛星和環 的.ne塵埃云,延伸到整個行星區域,通常集中在黃道平面.云層由彗星 釋放出來的塵埃顆粒組成,這些塵埃顆粒是由于冰核升華和小行星之間 的碰撞而產生的.據估計,彗星約占黃道帶云中總物質的三分之二,其 余的物質那么來白小行星碰撞.動力學過程傾向于將塵埃均勻地散布在太 陽周圍,盡管某些結構是最近小行星碰

17、撞的結果.這些結構,或者它們 也被稱為帶,每一個都與c類小行星碰撞家族有關.塵埃粒子遇到地球時,通常會因與大氣的摩擦而燃燒,呈現為可見 的流星.然而,半徑小于 50 pm的粒子具有非常大的面積質量比,它們 可以在大約100公里的高度在大氣中高速減速,并且可以在不蒸發粒子 的情況下輻射掉摩擦產生的能量.然后這些粒子在大氣中緩慢沉降最終 被并入陸地沉積物.20世紀70年代,美國宇航局開始試驗用高空 U2偵 察機收集三行星塵埃粒子IDPs,由于D.Brownlee的開創性工作,也稱 為Brownlee粒子.平流層中的地面顆粒物來源很少,主要由火山氣溶 膠和固體火箭燃料廢氣中的氧化鋁顆粒組成,每一種顆

18、粒物都很容易與 地外物質區分開來.IDPs的組成反映了產生它們的源體的范圍,包括普通的和車用的軟 質球粒隕石物質和可疑的彗星粒子.由于大氣減速過程中的加熱程度是 相遇速度的函數,重新記錄的idp強烈偏向主帶的小行星粒子,主帶以 較低的偏心率軌道接近地球.盡管如此,可疑的彗星粒子仍包含在IDPs中.彗星的IDPs顯示了一種隨機的“葡萄狀葡萄叢排列的亞微米 硅酸鹽顆粒,其大小類似于星際塵埃顆粒,緊密地混合在碳質基質中. 國內流離失所者的空洞可能曾經被彗星冰層填補過.2006年,星塵號飛船返回了在野生2號彗星的一次.yby期間收集到的彗星塵埃樣本；這些 樣本將提供地球上的南極冰芯、綠地中的熔池以及沉

19、積物中的毫米級硅 酸鹽和鐐鐵熔融產物中也收集到了外星微粒.陸地沉積物中的IDP組分可以通過測量3He豐度來確定.3He在陸地物質中的豐度為10.6或更低.太陽系的衛星和環 3He在IDP顆粒暴露于太陽風時被注入.利用這項技術,人們可以尋找外 星顆粒物隨時間的流入速率的變化,并且可以看到這種變化,有時與地 球上的撞擊事件相關.太陽風是太陽系中一個根本看不見的局部,它是一種電離氣體,從 太陽源源不斷地流入太空.太陽風主要由質子氫原子核和電子以及 一些a粒子第原子核和微量重離子組成.它在日冕中加速到超音速, 并以400公里每秒的典型速度向外流動.太陽風具有高度的變化性,它 不僅隨太陽白轉周期的變化而

20、變化, 而且隨太陽白轉周期的變化而變化, 隨太陽白轉周期的變化而變化,而且隨太陽白轉周期的變化在時間尺度 上也更為迅速.當太陽風向外膨脹時,它攜帶著太陽磁場,并隨著太陽 的旋轉呈螺旋狀.太陽風是L.Biermann在20世紀40年代末根據對彗星 等離子體尾 的觀測 首次推斷 出來的.超音速 太陽風 的理論最 早由 E.N.Parker在1958年描述,太陽風本身在1962年被地球軌道上的探索 者10號飛船和水手2號飛船在前往金星的yby星的途中探測到.太陽風與太陽系中行星和其他天體的相互作用也是高度可變的,這 主要取決于天體是否具有白身的三重磁場.對于沒有磁場的天體,如金 星和月球,太陽風分別

21、直接撞擊大氣層頂部或固體外表.對于像地球或 木星這樣具有磁性的天體來說,.eld起到了屏障的作用,并將其周圍的 太陽風別離出來.由于太陽風以超音速擴展,在行星際太陽風與行星磁 層或電離層的界面處產生沖擊波或弓形沖擊波.行星磁層可以相當大, 在地球的上游向陽延伸出12個行星半徑,從木星延伸出50-100個 半徑.太陽風離子可能會泄漏到兩極附近的行星磁層中,從而產生可見 的極光,這些極光已經在地球、木星圖10和土星上觀測到.當太陽風經過行星時,太陽風與行星磁層的相互作用產生了巨大的磁尾結構, 這種磁尾結構經常延伸到行星間的距離.所有的木星行星,以及地球,都有亞標準磁層,因此也有行星磁層.太陽系的衛星和環 水星的磁場很弱,但是金星沒有可探測的磁場.火星有一個斑駁的.eld , 表示一個過去的磁場.eld在行星歷史的某個時刻,但它沒有有組織的磁 場.eld在這個時候.伽利略號宇宙飛船探測到一個與伽利略號最大的衛 星“木衛三有關的磁場.然而,沒有發現木衛二或木衛四的磁