2-1 星光透露出哪些訊息?
2-1-1 恆星與星座 星座 恆星命名
星座 恆星是辨別方向或判斷季節的好幫手 古人將天空中相對位置不變的恆星組合, 依據形狀賦予神話人物或事物的想像 西元 1930 年, 國際天文聯合會統一命名公布, 全天共有 88 個星座
北天星座多與希臘神話有關 南天星座有些與航海器有關
同一個星座中看似鄰近的星星, 只是由地球看去投影位置恰巧相近, 彼此的實際距離並不一定接近
中國古代把它想像成坐車 美麗的北斗七星 西方把它看成熊的身體與尾巴 或是斗杓
恆星命名 第三 γ α 小熊座 β 第二 最亮 η ζ 恆星命名是依據亮度採希臘字母排列 ε γ δ α 大熊座 有些例外, 如大熊座是依照恆星位置順序 β
你上一次仰望滿天星空何時呢? 先來欣賞一下從澳大利亞南方所拍攝的天空!
2-1-2 星色與溫度 輻射曲線
人眼可見的波段 這張於日本拍攝的夜空, 你看到幾種顏色的星星? 恆星的顏色可以告訴我們什麼訊息?
輻射曲線 恆星會發出各種波段的輻射 不同波長的輻射能量呈曲線分布
星色 恆星表面溫度高低 溫度 (K) 顏色例子 > 11,000 藍白獵戶座 β ( 參宿七 ) 7,500~11,000 白大犬座 α ( 天狼星 ) 5,000~6,000 黃太陽 3,500~5,000 橘御夫座 α ( 五車二 ) < 3,500 紅天蠍座 α ( 心宿二 ) 例題 火星為紅色, 天王星為藍色, 哪個表面溫度較高? 行星的顏色與表面物質有關
韋恩定律 (Wien s law) 說明物體表面絕對溫度與波長的關係 T = 2.9 10-3/ λmax 絕對溫度 (K) 最強輻射波長 (m)
韋恩定律 (Wien s law) T 愈高,λmax 愈短, 星光偏藍 T 愈低,λmax 愈長, 星光偏紅
為什麼沒有綠色的星星?
2-1-3 視星等與絕對星等 亮度與光度
第一名 第二名 第一名為什麼最亮? 最會發光嗎? 第一名 : 木星 第二名 : 土星 第三名 : 畢宿五 第三名 除了本身發光能力外, 距離也是很重要的因素
星等 星等 : 用以表示恆星的亮度, 恆星越亮, 星等的數值越小
亮度 亮度 : 地表看星星的亮暗程度 影響恆星亮度的因素 : 距離 : 恆星的亮度和距離的平方成反比 恆星發光總能量 : 和恆星表面積 表面溫度有關係
亮度與光度 星體 亮度 光度 定義 在地表看見的亮暗程度 本身發光能力, 即單位時間星體的發光總能量 表示方式 視星等 絕對星等 重點 星等差 1, 亮度差 2.512 倍 星等差 5, 亮度差 100 倍 單純肉眼的極限為 6 等星 假設將所有天體置於距離地球 32.6 光年之亮暗程度 星等差 1, 光度差 2.512 倍
看起來最亮 看起來最暗 星名 視星等 絕對星等 太陽 -26.8 4.8 天狼星 -1.5 1.4 織女星 0.0 0.6 北極星 2.0-4.6 發光能力最弱 發光能力最強 視星等小於絕對星等 星體與地球實際距離小於 32.6 光年
地球聊天室 1. 如果有一顆星的視星等小於絕對星等, 你能說說看這顆星和地球的距離有著什麼樣的關係呢?
地球聊天室 星等愈小亮度愈大, 視星等小於絕對星等, 相當於這顆星星的距離移至 32.6 光年處時, 亮度變暗, 所以, 應該是星星的距離變遠了 也就是只要視星等小於絕對星等的星星, 它和地球的距離應該小於 32.6 光年
地球聊天室 2. 參考表 2.2, 你能利用表中四顆恆星的視星等與絕對星等資料, 推測出它們和地球之間的距離關係嗎? 星名視星等絕對星等 太陽 -26.8 4.8 天狼星 -1.5 1.4 織女星 0.0 0.6 北極星 2.0-4.6
由近至遠距離關係 : 太陽 天狼星 織女星 北極星 星名 視星等 絕對星等 星等差 太陽 -26.8 4.8 31.6 亮度改變 變暗極多 天狼星 -1.5 1.4 2.9 變暗 織女星 0.0 0.6 0.6 變暗 北極星 2.0-4.6-6.6 變亮 相對距離 <32.6 光年移遠非常多 <32.6 光年移遠較多 <32.6 光年移遠 >32.6 光年移近
學測經典試題 100 學測 天蝎座的心宿二與火星都是紅色 有關兩者呈現紅色的成因, 下列選項何者較符合科學上的觀點? 心宿二 (A) 表面溫度 (B) 表面溫度 (C) 表面化學組成 (D) 表面化學組成 火星表面溫度表面化學組成表面溫度表面化學組成
學測經典試題 答案 :(B) 恆星的星色與表面溫度高低有關 行星表面顏色則是反射太陽光的結果, 主要受其表面的化學組成影響 ( 火星表面因為含氧化鐵, 所以顏色偏紅 )
學測經典試題 100 學測 某座口徑一公尺的望遠鏡配合電子感光晶片, 曝光一分鐘能拍攝到的最暗恆星亮度約為 20 星等 若此電子感光晶片對光的接收量與時間呈線性關係, 如果曝光時間增長為 40 分鐘, 則該座望遠鏡可以拍攝到最暗的恆星為幾星等? (A)12 (B)16 (C)20 (D)24 (E)28
學測經典試題 答案 :(D) 依據題意, 此電子感光晶片對光的接收量與時間呈線性關係, 所以若曝光時間增為 40 倍, 可拍攝的最暗恆星亮度應該是 20 星等的 1/40 由星等的定義可知, 星等數值愈小, 亮度愈大, 所以答案一定比 20 大, 且星等相差五等, 亮度比為 100 倍, 每差一等, 亮度比約為 2.5 倍 ; 所以相差四等, 亮度比約為 2.54 倍, 即 2.5(5-1) 倍 2.55/2.5=40 倍 因此, 可以拍到的最暗恆星為 20+4=24 等星
學測經典試題 101 學測 恆星的光度與其球狀的 表面積 成正比, 並且與其 表面溫度四次方 成正比 已知織女星的絕對星等為 0.0 表面溫度為 10,000 K, 太陽的絕對星等為 5.0 表面溫度為 6,000 K 織女星的半徑大約是太陽的幾倍? (A)1.2 (B)3.6 (C)7.7 (D)10 (E)100
學測經典試題 答案 :(B) 設織女星半徑為 Rv, 太陽半徑為 Rs 由題目知織女星的光度 ( 絕對星等 ) 為太陽的 100 倍 織女星光度 :(Rv)2 100004 太陽光度 :(Rs)2 60004 (Rv)2 100004=(Rs)2 60004 100 故 Rv/Rs= 3.6
2-2 星星的運動有何規律性?
2-2-1 星升星落 周日運動 北極星 不同緯度的星空
周日運動 日落西山的軌跡 為何太陽每天會東升西落? 因為地球由西向東自轉 稱為周日運動
天球 : 以地球為中心, 半徑為無限大的假想空心球秋分點 黃道面最南方的點 : 冬至點 地球北極延伸至天球 : 天球北極 黃道面最北方的點 : 夏至點 春分點 太陽在天球上的視運動軌跡稱為黃道黃道面與天球赤道面成 23.5º 交角 地球赤道延伸至天球的大圓 : 天球赤道 地球南極延伸至天球 : 天球南極
學習加油站 - 天球的概念 赤道座標系統 赤經以春分點為 0h 逆時針每 15 為 1h 每 1h 可分為 60m 每 1m 又可分為 60s
學習加油站 - 天球的概念 赤道座標系統 赤緯 天球赤道為赤緯 0 度 天球南北極分別為 90 與 +90 每 1 可分為 60 每 1 又可分為 60
練習看看四大節氣太陽座標 春分 (0h, 0 )? 夏至 (6h, +23.5 )? 秋分 (12h?, 0 ) 冬至 (18h,?-23.5 )
北極星 北極星在附近 自轉軸指向天球北極 所以不精確的肉眼看起來像是所有星星以北極星為圓心, 由東往西繞
360 度的星流跡圖 靠數位影像技巧完成 因為太陽終究會升起 地球自轉 360, 花 24 小時 天上星體每小時轉 15 度 最中心的小圈圈是勾陳一, 為最靠近天球北極的亮星, 也就是北極星
不同緯度的星空 星體運行軌跡面必與轉軸垂直
不同緯度的星空 全球 88 個星座皆可看到 在北半球, 轉軸指向北邊天空
看動畫更清楚
練習看看 1. 這是在北或南半球可件的日落? 2. 緯度約幾度? 指向南 日落西山的軌跡 30
2-2-2 四季星空 周年運動 黃道 星座盤
古代埃及人只要觀測到天狼星和太陽開始同時出現在東方地平線上, 就表示尼羅河氾濫的時節來了, 即夏季到來
周年運動 提早 4 分鐘 24 小時 x60 分鐘 360 度 = 4 分鐘 1 度 X 恆星 一天公轉 1 度 半夜 12 點 X 恆星 恆星每天會提早 4 分鐘升起, 每個月提早約 2 個小時 同樣的星空, 同一時間, 下一次再出現為一年後 周年運動
黃道 太陽在一年中繞天球一周的軌跡 全天空有 88 個星座, 但為何生日星座卻只有 12 個?
這 12 個星座為地球繞日公轉, 所見太陽的背景星座 黃道十二宮 三月左右出生的人, 見太陽的背景星座為雙魚座, 其生日星座即為雙魚座
星座盤 一般觀星者辨認星座最佳的工具 常用簡易星座盤的使用方法如下 :
1. 外圈日期對準觀測時間 2. 倒拿星座盤對準實際方位
3. 判讀星星座標 東南方仰角 30 度
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地球聊天室 1. 曉華兩次上山觀星時, 分別面對正北方照了兩張星空照片 ( 圖 2.14), 但她只記得拍攝時間分別為 (A)5 月 4 日晚上 9:30, 和 (B) 某天晚上 8:30 你能根據星星的位置推測 (B) 的拍攝日期嗎?
經仔細測量兩者北斗七星的位移大約是向東移 75 度 5/4 當天晚上 8:30 所見到的北天星空應該如右圖, 北斗七星相較圖 (A) 向東轉了 15 度, 和圖 (B) 之間只相差 60 度 由於受到周年運動的影響, 每經過一個月在相同時間看星空, 星星位置會向西偏移 30 度, 所以是向東偏移 60 度代表提早兩個月觀測, 也就是圖 (B) 是 3/4 晚上 8:30 的星空
地球聊天室 2. 仔細觀察比較圖 2.1 與 2.8, 圖中的星星看起來有何不同呢? 解釋看看造成它們不同的原因是什麼?
圖 2.1 和圖 2.8 中最明顯的差異是前者星星呈點狀, 而後者為圓弧狀 造成差異的主要原因不在曝光時間的長短不同, 原則上都需要長時間曝光才能成像, 但是前者照相機移動和周日運動速度相同, 所以星星呈現點狀 ; 後者則是照相機固定在同一位置, 星星隨著周日運動相對在底片上形成圓弧形軌跡
學測經典試題 102 學測 下列是關於星座盤的敘述 : 甲 : 適用於北緯 25 度的星座盤, 也適用於南緯 25 度, 只要上下反轉即可 乙 : 同一緯度 不同經度的兩地, 可使用同一星座盤 丙 : 臺灣所使用的星座盤正中心, 大致是北極星的位置 以下選項何者包含所有正確的敘述? (A) 甲乙丙 (B) 甲丙 (C) 乙丙 (D) 乙 (E) 甲
學測經典試題 答案 :(C) ( 甲 ) 緯度不同所見的天球範圍和星座內容也不一樣, 臺灣適用的星座盤在不同緯度地區不能使用 ( 乙 ) 緯度相同的地方可以觀察到相同的天球範圍, 而各地時間係以太陽的位置為標準, 和各地的經度一致, 故 ( 乙 ) 是正確的 ( 丙 ) 星座盤正中心為旋轉軸, 由於天體均繞天北極旋轉, 故 ( 丙 ) 也正確
2-3 太陽系的結構是什麼樣子? 太陽系結構 太陽系邊緣
太陽系結構行星質量夠大, 1. 行星 ( 類地行星與類木行星 ) 能夠清除其軌道 2. 矮行星附近其他物體 ; 3. 衛星 4. 太陽系小天體矮行星不行
國際天文學聯合會定義 : 1. 行星 是指圍繞太陽運轉, 自身引力足以克服其剛體力而使天體成圓球狀, 能夠清除軌道附近其他物體的天體 2. 矮行星 是指與行星相同, 具有足夠質量, 呈圓球狀, 但不能清除其軌道附近其他物體的天體 3. 除以上星體及各繞行星公轉的衛星外, 太陽系內其他天體均被統稱為 太陽系小天體 P.34
為什麼冥王星不算是顆行星了?
類地行星與類木行星比較 類地行星 類木行星 距日 較近 較遠 主要組成金屬岩石 大氣和冰 體積質量 較小 較小 較大 較大 平均密度 較大 較小 衛星 較少 較多 行星環 無 有
小行星帶 與彗星一樣屬於太陽系小天體 主要組成為岩石與金屬 是太陽系形成過程中未形成行星的殘留物質 約 90% 位於火星與木星之間的小行星帶
太陽系邊緣 歐特雲 : 柯伊伯帶外, 以太陽為球心的大球層, 天體由冰雪和灰塵的混合體的 像椰子殼 長週期彗星發源地 柯伊伯帶 : 海王星軌道外, 黃道面附近區域分布著許多冰凍的天體 像甜甜圈 短週期彗星發源地
2-4 太空環境中有哪些危機?
2-4-1 輻射線與帶電粒子 太陽輻射線 帶電粒子 太陽黑子週期
美麗的地球一直保護著我們, 使我們能安全的生活在地表, 免於遭受外來的傷害 這些傷害有哪些? 我們地球又是如何將他們阻擋在外?
太陽輻射線 短波輻射 γ 射線 X 射線 紫外線 被大氣阻擋 長波輻射可見光 部分紅外線 無線電波 可穿透大氣
太陽輻射線 能廣泛穿透大氣到達地表 在電離層被吸收 包含增溫層與中氣層, 大氣吸收短波輻射, 發生電離作用 有一部分在電離層被吸收, 大部分在平流層被臭氧吸收 被水氣與雲層吸收
帶電粒子 太陽風 宇宙射線 被地球磁層阻擋 少部分帶電粒子會衝入磁層, 被捕獲在范艾倫輻射帶
你對太陽風會有感覺嗎?
極光 當太陽發生磁暴時, 強烈的太陽風使磁層受擾動變形 原來侷限在范艾倫帶的帶電粒子大量洩出, 沿著磁力線在極區附近進入大氣層, 激發空氣分子因而產生美麗的極光
地球的極光主要有二色 紅色 : 氧原子被電子破撞 綠色 : 氧原子被電子破撞
極光的形成
太陽風如何產生絢爛的極光
太陽黑子週期 太陽是重要的能量來源, 卻也是可怕的殺手 太陽會放出大量的短波輻射與帶電粒子 所以了解太陽的活動週期是很重要的!
太陽黑子週期 太陽釋出的輻射線強度及帶電粒子數量, 都會隨太陽活動的強弱而改變 太陽黑子週期 : 平均 11 年
太陽黑子週期 太陽表面活動越劇烈 1) 黑子越多 2) 太陽放出來的輻射量與帶電粒子也越多
資訊小百科 - 日冕層 太陽最外圍的大氣是日冕層 日冕溫度可達百萬度以上 因密度非常小, 亮度較太陽球面小 早期只有在日全食時能觀測
磁暴 可提早預警! 太陽輻射抵達地球只要 8 分鐘 ( 光速 ) 帶電粒子速度較慢, 約 1 2 天才會到
日冕巨量噴發 vs. 太陽閃焰
2-4-2 小天體的威脅 小天體
小天體 太空中的固體碎屑, 撞入地球大氣層後燃燒, 形成流星 成分多為岩石或金屬, 主要來自小行星帶或彗星的碎屑物
小天體 大氣層可減少地表生物受碎屑撞擊的威脅 流星的固體碎屑若未燃燒殆盡, 掉落地面就稱為隕石
隕石坑
太空石頭流浪記 彗星 小行星 流星體 流星 隕石的差別
學測經典試題 96 學測 天文學家使用各種波段的望遠鏡進行天文觀測, 例如 : 可見光望遠鏡 無線電波望遠鏡 紅外線望遠鏡 等 有些望遠鏡安置在環繞地球的軌道中, 有些望遠鏡則安置在地面上 下列哪一選項中的望遠鏡, 一定要安置在太空中運作? (A) 可見光望遠鏡 紅外線望遠鏡 (B) 無線電波望遠鏡 X 光望遠鏡 (C) 紅外線望遠鏡 γ 射線望遠鏡 (D)X 光望遠鏡 γ 射線望遠鏡 (E) 無線電波望遠鏡 紫外線望遠鏡
學測經典試題 答案 :(D) 星體發出的電磁波只有可見光與無線電波, 能透過地球的大氣層到達海平面, 在高山上, 另可偵測到紅外線 故地面上使用可見光望鏡與無線電波望遠鏡進行觀測, 另外, 也有部分的紅外線望遠鏡 所以其他波段的望遠鏡大多需安置於太空中觀測
學測經典試題 102 學測 太陽表面溫度約為 6000 K, 氣體大多呈游離狀態 有些微粒可以逃離太陽進入太空, 稱為太陽風 下列有關太陽風的描述, 何者正確? (A) 太陽風是現今太陽能的主要來源 (B) 太陽風主要為不帶電的高能粒子 (C) 地球赤道直接面對太陽, 受到太陽風的影響最大 (D) 地球南北兩極上空的氣體可受到太陽風撞擊激發, 產生極光現象
學測經典試題 答案 :(D) 本題主要測驗學生對太陽風及其影響的理解 (A) 太陽能主要是利用太陽光, 而非太陽風 ;(B) 太陽風都是高能量帶電粒子 ;(C) 高緯度地區受到太陽風的衝擊比較大, 故本題選 (D)
2-5 地球為何能成為生命的綠洲? 類地行星環境之比較 地球的適居性
類地行星環境之比較 幾乎沒大氣, 日夜溫差攝氏數百度 尚未發現生命存在的證據 強烈的溫室效應, 表面溫度高達 462
擁有金屬核心與岩石地表的類地行星, 推測較可能有生物的存在 但類木行星中, 就都沒有可能性嗎? 機率可能很低, 但是他們擁有的衛星, 有幾顆也是很讓我們感興趣喔!
土衛六 : 泰坦星 泰坦星的地表像是鵝卵石的物質 泰坦星的地表像是樹枝狀水系與海洋的地貌
泰坦星土衛六上赫見似河道峽谷
木衛二星 主體主要由矽酸鹽岩石構成 它的表面由冰覆蓋, 據推測厚可達上百千米 因為潮汐作用, 推測上層爲凍結的冰殼, 冰殼下是液態的海洋
NASA: 證實火星有流動的液態鹽水 暗色的季節性斜坡紋線會隨季節變化 紋線在溫暖的季節時變黑, 而沿著陡坡往下流動 ; 在較冷的季節則顏色褪去 可能是由的液態鹽水邊流動邊蒸發所產生
NASA: 證實火星有流動的液態鹽水
地球的適居性 與太陽的距離剛剛好 太近的話會太熱, 且輻射與帶電粒子太強 體積質量的大小剛剛好 大氣濃度才會恰當 地球內部降溫才不會太快, 讓目前仍有液態外核以產生磁場 熱對流產生板塊運動 大氣層與磁層的多重屏障 大氣有恆溫的功能 保護我們免受外來的傷害
學測經典試題 右圖為美國太空人實地在月球白天進行表面觀察與拍攝的照片, 證實在月球的白天天空是黑暗的 ; 但是地球的白天, 天空是明亮的 依據同樣的道理, 可以推論當太空人在水星 地球 火星等星球表面活動, 在白天時比較其天空的明暗狀況, 合理的是? (A) 水星比火星亮 (C) 火星比水星亮 (B) 水星比地球亮 (D) 火星比地球亮 (E) 水星 火星 地球會一樣亮 100 學測
學測經典試題 答案 :(D) 天空明亮或黑暗主要與大氣有關, 水星和月球兩者幾乎沒有大氣層, 所以天空應該都是黑暗的, 火星的大氣密度大約是地球的百分之一, 所以應該比地球暗, 但比水星亮