[地科]天文學懶人包+電子簡併壓力

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嗨嗨嗨，大家好，這裡是很久沒有做日更文的阿新了，先說明一下理由，因為前幾個禮拜，我突然被一堆地科撞到頭(?)所以只好去跟教授約會了## 其中最讓我不解的其實就是最基本的東西:行星的定義，因為我所學的三個定義是:①要能自行清空軌道②質量夠大，能夠形成球狀③繞行恆星公轉。但是因為「特洛伊小行星帶」打臉了①所以我就很納悶(問了學校老師，他也不太知道OWO)，那我後面也會提到，先進入正文吧！ 然後這篇文我真的下了超多功夫的(尤其是電子簡併壓力，整篇文花了我10小時整理OWO)，有問題一定要問清楚，加上這篇文是默背的，所以有哪裡錯誤或有疑問請不吝嗇賜教！(建議Part.特  要先看清楚，因為後面很多觀念都只是變化來的，加上Part.特  有些東西很難) 今天要講的東西，是整理72年課鋼的「地球科學科」懶人包，為什麼是72年課鋼呢？因為我拿到的是72年課鋼(抱歉，讓你浪費了三秒鐘)，相信參加學科能力或是奧林匹亞的人「可能」會看過這本 http://i.imgur.com/DXWpXz4.jpg 大概吧XD因為是我地科老師跟我說的(他原本在其他學校訓練選手OWO) 另外，如果對自己地科很有信心的人也可以直接跳到下面，因為難度會漸漸提昇 那麼我們廢話不多說，進正文吧！ ▼阿新的日更活動OWO DAY1~[化學]BAC與BrAC~測定酒駕的方法 https://meteor.today/article/share/587b73a678bc741e50d29670?ref=android DAY2~[生物]SAV001對抗HIV-1的英雄(?) https://meteor.today/article/share/588ebd98fceabd9b62a0934d?ref=android DAY3~[生物]對抗癌症的新方法 https://meteor.today/article/share/58902d2696272c8e7a10276c?ref=android DAY4~[地科]洛希極限 https://meteor.today/article/share/589205d0b23a726540f78488?ref=android DAY5~[物化]量子論與電子軌道 https://meteor.today/article/share/589354bc73f7954b3b587de7?ref=android DAY6~[物理]特論薛丁格 https://meteor.today/article/share/5894a8e4d1db1e55630ba572?ref=android DAY7~[地科]特論愛德華洛希 https://meteor.today/article/share/58974aaee38335ce6f5c5083?ref=android --------------------------正文---------------------------------- ★Part特. 幾個觀念(很重要，後面會用到) ①米蘭克維奇循環(Milankovitch Cycle): a. 偏心律(Eccentricity)十萬年為一週期的進行變化，計算公式為(兩焦點距離/長軸長度)，當偏心率為0時，軌道為一個正圓。 b. 自轉軸的變化(Obliquity)四萬一千年為一週期的變化，變化為傾角的變化，因此會改變到黃道面與天球赤道的夾角 c. 進動現象(Precession Phenomenon)為兩萬三千年一週期(約50角秒)的變化，進動現象會造成歲差，也就是為什麼北極星不一定會是「北極星」的關係了(大概13000年後的北極星會是織女星) ②地方恆星時:在地球上的每一處，某一刻天頂的赤經數值都可以用2*(月份-3)+(時數-12)計算出來，我們把這公式稱為地方恆星時，原則上超過24小時就減掉24小時(因為赤經是用小時作為單位，最大是24小時)但是這個公式會受到米蘭克維奇循環的影響。 ③日與月的定義: a. 太陽日簡單來說就是以太陽作為參照點，對地球而言，如果太陽每進行一次東升西落的話就可以說是地球自轉了一圈，時間為24小時。但是當我們第二天去看到起時，地球卻不會在原本的地方(recall:高一地科，每天早四分鐘)，所以我們必須要把少的時間補足，因此太陽日的週期約是360°59' b. 恆星日簡單來說就是用外面無限遠的恆星當作參考點(為什麼呢？簡單來說，如果一個東西離你很近，你要用兩隻手指著他，那手延伸了之後會交叉就會有角度，如果東西遠離到無窮遠的話，兩手機乎會是平行的，如果設地球是第二個點，指著外面的恆星，就不會有多繞行四分鐘的問題了)，所以就不會有上面的問題了，這時他的週期就會是360°，但是時間卻是經過23小時56分鐘(太陽日的定義和時間，下方會提) c. 恆星月很類似恆星日，但討論對象是月，也是一樣轉了360°，約是27.3天。 d. 朔望月聽名字就可以知道是從朔到望的時間，所以是以太陽當作參考點，所以必須要多轉30°補回來，也就是要390°(因為進動現象導致歲差，每年春分點向西)才能完成一次週期，大概是29.5天，這個制度是陰曆在用的，所以陰曆又分為大月和小月(30/29天)。 ④補一個:為什麼2月只有28天？有時才29天？因為凱撒大帝和屋大維大帝修改了曆法，一開始凱撒大帝修改曆法，結果元老院的人在他死後將「每隔三年植入一閏年」誤以為是「每三年植入一閏年」結果後來被屋大維發現了，於是他規定西元前8C~4C期間取消閏年，後來元老院為了紀念奧古斯都，因此將他生日那天加一天，從二月(他們當時二月是行刑月，不吉利)抽出一天，後來命名時分別以July和August命名，這也是為什麼七月和八月有31天的緣故(大概吧，我們歷史老師講的)。 ⑤太陽常數:指地球受到日照的單位時間所收到的太陽輻射的能量:1360J/m²s ⑥基本單位: AU=1.5*10¹¹m Ly=9.5*10¹²km pc=3.26Ly ⑦太陽的名詞解釋: a.日冕:太陽大氣層最外層，密度相對較小，也很黯淡，通常日全食的時候可以看到。日冕的形狀會隨黑子的活躍度而改變。 b.光球:太陽的表層到400km深的地方，外層有一層大氣，因為顏色鮮艷所以我們把他稱為色球 c.黑子:溫度較光球低，視覺上是不規則的黑點，中央最黑的地方被我們稱為本影區，通常是成一群的，而黑子群又分為前導黑子與後隨黑子，主要差別是經度，大致上差了10度。太陽黑子活躍週期大概是11年，會使太陽風active。 ⑧電子簡併壓力(超重要): a.費米子與包立不相容原理:首先可以先參考我之前寫過的量子力學，其實軌道還有包括spin up和spin down這個東西，我們把他稱為自旋粒子的方向，電子屬於費米子，當同一個軌道上的電子都會擁有spu和spd的差別，這個就是費米子的定義。基本上我們聽過的夸克，電子都是費米子。而因為費米子的自旋方向不一定相同的關係，會導致出電子軌域複雜，因此可以用來解釋之前的spdf和波爾的原子軌域形狀，這我們把他稱為包立不相容原理。 b.費米統計(Fermi–Dirac statistics)是用來證明包立不相容原理的一個理論，粒子因為保留在不同的量子態上，去進行量子統計。 c.電子簡併壓力:是由包立不相容原理所產生的力，他是建立在費米統計之上，說明兩個費米子不能同時佔有一個量子態，也可以說是防止壓縮的最大極限。這個力很重要的原因是因為，如果物質一直塌縮的話，就會造成電子與質子中和而變成中子星(因為這個力可以防止塌縮，也是波爾定律中少解釋到的東西)甚至繼續塌縮成黑洞，真的應用的話可以參考之前板上的人發過的這一篇: https://meteor.today/article/share/589b46706a33ea024aec2a27?ref=android ★PartA. 天文觀測與觀測太空 國際天文聯合會(International Astronomical Union)將全天球分為八十八個星座，其中被黃道經過的星座有12個(以占星術來說)但因為自轉軸的變化(米蘭克維奇循環)其實有13個，就是原本的十二個和蛇夫座。 http://i.imgur.com/nTPGRzk.jpg ↑Ophiuchus即為蛇夫座 通常我們給一個星座中的某顆行星命名是用希臘字母(α. β)並且是依照亮度或是星等為次序。 那大家是否有好奇過，為什麼星座有這麼多個，在星座盤上看到的卻這麼少？那是因為不同緯度看到的星空會不同，當然也有些星星是看不到的，所以才會被截掉(這個道理我們可以推論出:各個國家的星盤都不同，這裡不多做解釋，因為是高一的) http://i.imgur.com/EDzCisH.jpg 接下來要講曆法(個人覺得這邊挺難的，可能因為原po是國文白痴)，我們將第一天的正午到第二天的正午定義為真太陽日，真太陽日會受到兩個因素的影響，第一個是克卜勒的等面積定律所延伸出的觀點:近日點和遠日點的速度差異，第二個是太陽與赤道的距離關係，因為自轉軸和赤道夾角23.5度，所以太陽遠離天球赤道的時候，看起來會移動的比較快。因此我們通常會計算「平均太陽日」而不是以「真太陽日」來記，平均太陽日又分為24小時。其他的在前面有提過了，因為接下來要講的東西，很大屁股OWO http://i.imgur.com/9hf5huA.jpg 太陽經過兩次冬至點或夏至點的時間，我們把他稱之為回歸年，因為古代的人定下的曆法是以「圭表」去定義的，但是太陽到達冬至點的時候，他不一定會是冬至的正午，會有誤差，但是古代的人觀察發現，第1會和第5年所測到的數值相同，第2和第6年也是一樣，這就是為什麼我們會說一年其實是365.2422......天而不是365天整，以及為什麼會有閏年的制度了(小知識:當年可以被4除盡的話，當年即是閏年，但是每個世紀的最後一年不會有閏年制度，這麼一來除非遇到400的倍數年，否則不會有差距)。陽曆閏年口訣:四年一潤，百年不潤，四百又潤。 而太陰曆(陰曆，這很難接受xD，畢竟很少人在用陰曆了)的話是以朔望月作為制定，所以我們可以發現(參考Part特3-c, d)大約三年會差一個月，所以會有閏月制度的出現，而29.5天又被拆成大月(30天)和小月(29天)。一年24節氣，每十五天一節氣，但是碰到小月的時候可能會造成「該月只有一個節氣」，規定上，這種情況被稱為「缺乏中氣」因此會閏月，該年就會有13個月。因為閏年和閏月的制度出現，會導致於無法用陰曆去判斷月向(這應該很好想像)。 陰陽合曆則是以朔望紀月，回歸紀年。 http://i.imgur.com/PfiRbm1.jpg 好的，終於講完最國文的那一塊了(坦承一下:曆法那一整塊，我都是硬背的，因為我真的看不懂那是啥QWQ，有人願意買字典給我嗎OWO)接下來要來講我最愛的部份了:望遠鏡↓。上圖是中國新啟用的望遠鏡(FAST)同時也是今年新北是學科能力競賽的黑馬題XD進入正題↓↓↓↓ ①望遠鏡的放大倍率=物鏡焦距/目鏡焦距 ②解析角度(雙星分辨力，口徑和解析角度成正比)=1.22入/D(請恕我打不出來，然後D通常在天文學是指口徑大小) ③焦比(可以和單眼的光圈做聯想，話說我的單眼最近壞了，覺得難過QWQ)=焦距/口徑大小 ④影象亮度=(A直徑)²/(B直徑)² 例如:如果一台望遠鏡為900mm對20mm，他的放大倍率會是900/20=45。如果他的口徑是90mm，那麼他的焦比就會是900/90=10。如果人眼的口徑是0.6公分，那他的集光力就是人眼的(9)²/(0.6)²=225倍。 這麼看起來，好像口徑大就好棒棒了？其實並不是，因為放大的話很容易模糊(但是像是FAST這種有進行修正的望遠鏡就另當別論了)望遠鏡的種類，之前看到板上好像有介紹，所以就不多贅述，只講他的優缺點。 ①折射式望遠鏡(會產生像差) ②無限電波(容易模糊) ③折射式望遠鏡(會產生色差，加一個鏡片可以解決) ④紅外線望遠鏡(貴，要飛機飛到平流層) ⑤凱克望遠鏡(目前的走向，FAST即是這種，他可以濾掉雜訊) 好的，講了這麼多，想必你可能已經犯睏了，讓我們轉移到PartB吧(PartA我略過的資料有:光譜←參見高一物理，分光儀←和高一物理差不多有關係。如果想知道的話，我再補充) http://i.imgur.com/eHa49Mc.jpg ★PartB.太陽系 先從最簡單的開始:太陽是我們最熟悉的恆星，他是屬於光譜型G2的恆星，是一顆高溫高密度的恆星，所以上面有核反應的核融合反應，也在氫轉變成氦(目前的階段)的過程中會耗損物質，轉化成能量，提供整個系統動力來源。 接下來是整個太陽系形成的理論整理:最一開始由布封(Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon )提出的災變說，他認為有某一顆彗星撞擊到太陽，而噴出了物質變成了星球，這個理論是錯誤的，雖然他可以解釋為什麼會有類地和類木行星的差別(舊用的星雲說無法解釋)但他明顯錯的原因有兩個:第一，彗星是由水氣和塵埃所構成的，接近太陽時，理當應該消失不見，比較不可能撞擊出東西來，更不可能會撞出八大行星這麼多東西來。第二，他無法解釋為什麼八大行星會有共面性這個特徵，因為撞擊出東西的話，應該會無規則的排列才對阿，所以後來就有了星雲說。 http://i.imgur.com/nenVpKd.jpg 現行使用的星雲說是改良前面兩個人所提出的星雲說，正確的星雲說應該是這樣的:一開始有冷星雲的形成，後來冷星雲會因為重力而開始收縮，而收縮的時候，內部會形成一顆巨大的恆星，並且開始旋轉(為什麼會旋轉呢？因為如果收縮的過程，物質A和物質B的質心不會共點，所以相遇會摩擦，由於質量大，所以兩物會摩擦，使得摩擦力逐漸增大，相對速度變漫，吸引力變大，物質就會受到擾動開始以太陽為中心做西到東的旋轉)此時因為垂直方向運動快，水平方向慢，所以就會形成星盤。圓盤內密度高而產生局部氣體收縮後來這些氣體就會變成類木行星。如果內部氣體凝固就會變成灰塵，灰塵會滿滿累積，形成小天體，這些小天體我們把他稱為微型星，微型星互相碰撞聚合而變成類地行星。 http://i.imgur.com/E1oiJsf.jpg 接下來要講的是行星(前面跳過一些理論，因為都是衍生理論)，行星的三個基本定義前面已經贅述過了，這裡來解開謎題:為什麼木星的特洛伊小行星帶，甚至是地球的特洛伊小行星不會和「能夠自行清空軌道」有所矛盾？原因是因為IAU所說的「自行清空軌道」(Clearing the neighbourhood)的定義是在說:這顆星體是該軌道中最大的田體，這顆星體要有足夠的質量把該軌道中其他星體清除，這就好像在一片鋪平的鐵屑之中，用一塊磁鐵沿一直線掃過這片地帶。但其實這是有瑕疵的，因為太模糊了(耶！阿新發現瑕疵欸！！！)甚至在IAU的定義下沒有一個天體可以成為行星。但有趣的是，有一派的科學家給定了除了IAU給的定義以外的定義:如果一個天體的質量百倍於軌道帶上剩餘的物質的質量(例如特洛伊行星帶)，他便是一顆行星，這個理論就可以非常明顯的去把行星和矮行星分辨出來了。答案公布完畢，不知道你有沒有一種「哇」的心情，因為原來到目前為止，行星和矮行星的分界點還沒有弄清楚。 http://i.imgur.com/4Aoqxh9.png 八大行星的簡介相信各位高一都上過了，所以這裡就來介紹磁場。科學家認為帶電粒子會形成磁場，某星體A內部物質會因為密度而變化，密度大的往下，密度小的往上，這個過程中U=mgh→Ek=0.5mv²並且流失能量，有帶電粒子出現，因此如果自轉速度慢的行星(例如金星)磁場就會很弱。(recall:範艾倫帶&磁層) 對了，丟給大家一個很有趣的題目吧:你認為火星和金星哪一顆適合當作第二顆地球的候選人？為什麼？ http://i.imgur.com/Bkr3F4Z.jpg 接下來講月球(這張照片是林口高中攝影社拍的喔！！！大推我們攝影社OWO) 月球的自轉和公轉的週期相近(請注意，是相近而不是相同喔)所以我們看到的月亮，通常都會是同一面(其實好幾萬年後在同一個地方看就會不同了)最一開始伽利略用望遠鏡觀測後認為黑暗區是海洋，而現在知道的是比較平坦低窪的地區，但我們習慣稱為月海，暗的地區會暗的原因是什麼呢？因為是玄武岩所構成的，顏色深，反照率低。由此我們可以推斷明亮的地區是由顏色淺且易反光的鈣長岩所構成的。 近代因為科技發展，我們可以輕易的知道月球最高點與最低點，而將這兩者做平均，得到了一個假想的海平面，我們把他稱為月海假想面。 http://i.imgur.com/I8lnM6X.jpg 接下來要講的是Meteor，沒錯meteor(隕石)題外話，之前語文板上的問題，這個字的唸法大致上是meet here，但是重音在M的地方。 上圖是猶加敦半島的鹿林隕石坑，這是很大的一顆隕石，也是目前懷疑造成恐龍死亡的隕石。隕石分為三種隕石，第一種隕石是石質隕石，目前世界上最大塊是落在我國東北的吉林省(72年課鋼真的很好笑xD，我國 哈哈哈)，另外一種是鐵質隕石，第三種是石鐵隕石(aerosiderolite)就是有包含石頭與鐵的隕石。能找到隕石其實是一件很難的事，因為大多在空中燒毀，也有的會變小顆被風化然後永久消失，但他和流星比較小關係，流星是指彗星留下的塵埃被地球吸過來。 (這一章跳過:八大行星，彗星) http://i.imgur.com/SBRIh0w.png ★PartC.恆星及其演化(這邊求你認真看QWQ因為我下了超多功夫去研究博士和碩士學位提到的專有名詞) 首先我先跳過聯星系統，因為我的文章之前提過了，所以接下來講的也是會影響亮度的系統~變星。變星有分為規律和不規律編修，規律是指光度的變化，通常而言，當一顆變星收縮就會變暗，一顆變星膨脹就會變亮，其中最有名的規律變星是造父型變星(下圖不是造父型變星) http://i.imgur.com/gQYnMtK.jpg 再來要講的是新星和超新星，一般認為新星是雙星系統，他在恆星演化後期會達到質量限度而產生[表層]爆炸，光度會忽然大增(原因和變星相近)白矮星是新星之一。而如果爆炸是整個炸裂(喔耶~~炸裂！！！)這個現象我們把他稱為超新星爆炸，可能的殘骸會是中子星或是黑洞(connect to電子簡併壓力)，周圍則會拋出物質(這也是上一篇文漏講的:如果我們不能用望遠鏡觀測的話，那麼我們也可以用這種超新星爆炸而得知他是雙星系統，因為周圍拋出的物質)。值得一提的是新星爆炸可能會重複，但是超新星爆炸不可能重複 http://i.imgur.com/rj0ubSO.jpg 接下來要講的東西是星體力學之一:自行 恆星會移動，並且有徑向運動與橫向運動，這種運動的方法我們把他稱之為自行，原則上來說，我們只能觀測出恆星的徑向運動(都卜勒)而無法觀測出他的恆向運動(因為我們要有他的自行角度，但是以無限遠的星體來說，我們根本就無法測出來)，但這不代表橫向運動不存在。橫向的加速度是4.74ur，u代表橫向運動量，單位是角秒，r代表他的距離，單位是秒差距。徑向運動的公式必須和都卜勒做連接:△入/入o=V/C。入0是光譜波長，可以找任何光的光譜，但要和紅移量的光譜相同，C在物理和地科習慣代表光速。 http://i.imgur.com/9I5nqv7.jpg 接下來要進入H-R之前要先介紹他:黑體輻射 http://i.imgur.com/ymChvIc.jpg 相信這我不用多做解釋，這是造成高溫星藍色，中溫星白色(因為綠色的時候，各個顏色量相近，所以看起來像是白色)低溫星紅色的主要原因。而我們可以藉由分析他的光譜得知他的表面溫度與化學物質(參考之前的文)，恆星的分類目前是以哈佛大學的愛德華查爾斯皮克林(Edward Charles Pickering)所提出的理論來分(對了，他也是第一個找到分視雙星的人喔)他的團隊分析了20萬個恆星光譜後，依照星溫把恆星分成11型，目前最主要的七種譜型是OBAFGKM(口訣:Oh Be A Fine Girl Kiss Me)另外四個不常用到的是WRSN，並且在這11個譜型下分十個分支(例如G0~G9，太陽是G2型) ↓抱歉，我在做筆記都亂撇，字超醜QWQ http://i.imgur.com/3tfqBeH.jpg 接下來要講的是赫羅圖(Hertzsprung-Russel  diagram) http://i.imgur.com/OKpUYaK.png 赫羅圖分為兩類，這裡先討論恆星赫羅圖，恆星赫羅圖是用溫度(單位:K)和光度(單位:cd)來作為分類(由此我們可以推斷:黑洞無法在上面分類，因為我們沒有辦法真正的觀測到黑洞，所以我們無法測定他的溫度，而且他也無法使得任何光線脫離←這個說法有點錯誤，所以我們無法觀測到他的光度，因此我們無法在赫羅圖上面給他一個定位)，所以如果我們知道一顆星的光度，我們就可以知道他的①光譜型→①溫度→②體積(L=4πR²T⁴)→③哪一個階段。 這裡先粗略翻譯一下: a. main sequence 主序帶 b. white dwarfs 白矮星 c. giants 紅巨星 d. supergiants 超紅巨星 e. blue giants 藍巨星 另外，形成中的恆星是位於主序帶最右方的上面。通常而言，恆星的演化分為三類，這裡不多贅述，畢竟這是高二地科就教過的東西OWO有問題的話再提問，我再來補吧OWO，接下來要講的東西是「星團的HR圖」 http://i.imgur.com/UuqPqBV.jpg 他和普通的恆星不一樣，他是用來研究星團用的，研究星團很重要是因為星團內的每一顆恆星雖然形成點不同，但是可以大致上整理出他的赫羅圖: http://www.public.asu.edu/~atpcs/atpcs/Univ10e/Images/6592_fig19_10(感謝huanghuai的補充)。由這張圖我們還可以得知:離開主序帶的恆星大多是質量大的，而我們也給予主序帶到紅巨星的分叉點一個專有名詞，叫做「轉離點」，不同的光譜型星團的轉離點會不同。 ---------結束---------- 喔耶！整理完畢了(其實漏掉了一個星雲和星團跟宇宙)，謝謝你看到這邊owo你非常有耐心的，如果你喜歡我的文也請留言告訴我，你的支持是我寫文的動力，如果你覺得哪裡怪怪的或是哪裡不了解，也歡迎留言告訴我，也請不吝嗇賜教OWO 如果順利的話(幾乎不可能XD)下一篇文我想寫: [地科]閃電的形成 [地科]混沌理論與蝴蝶效應 如果順利的話OWO 那麼我是阿新，大家下次見OWO