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行星科学导论  031M1005H

学期:2016-2017学年秋 | 课程属性:一级学科核心课 | 任课教师:崔峻等
课程编号: 031M1005H 课时: 60 学分: 3.0
课程属性: 一级学科核心课 主讲教师:崔峻等
英文名称: Fundamental Planetary Sciences

教学目的、要求

随着我国深空探测计划的逐步展开,行星科学作为一门新兴学科迎来了重要的发展契机。本课程系统性介绍行星科学中的基本概念、现象、理论和方法,是行星科学的入门课。课程内容包括太阳系的结构和太阳系内天体的基本性质、行星系统的起源与演化、行星系统动力学、地外物质及其来源,行星内部结构与表面过程、行星的磁场、行星大气及空间等离子体环境等,乃至系外行星的探测等。本课程具有明显的学科交叉特征,不仅是天文学专业的选修课,也可作为具有相关数理背景的其他专业同学的选修课。

预修课程

高等数学、普通物理学

教 材

《Planetary Sciences》, Second Edition, by Imke de Pater & Jack J. Lissauer, 2010, Cambridge University Press

主要内容

第一部分 行星系统动力学及行星的形成与演化(周礼勇,15学时)
1.1 太阳系行星观测事实、行星的轨道特征(3学时)
太阳系内各行星的基本物理参数,行星轨道构型;二体问题、空间中的轨道、轨道计算与星历表计算;受摄的二体问题、太阳系动力学稳定性。
1.2 轨道动力学与太阳系外行星系统(3学时)
卫星系统轨道;第三体摄动,轨道共振、长期共振、自旋-轨道共振;各种共振动力学机制对行星、卫星系统的影响,太阳系小天体空间分布与轨道共振;太阳系外行星系统的观测、太阳系外行星系统的特征。
1.3 行星环与小行星(3学时)
行星环的基本情况;洛希限、潮汐作用的动力学机制,潮汐作用对行星系统的影响;主带小行星与柯伊柏带天体的观测事实,主带小行星与柯伊伯带天体空间分布的形成与演化;影响小天体运动的非引力因素。
1.4 特洛伊小天体与限制性三体问题(3学时)
各行星特洛伊小天体的基本情况;限制性三体问题;三角平动点极其稳定性;洛希瓣、希尔半径、梯塞朗参数;特洛伊小天体的起源及其轨道稳定性;近地小天体、彗星。
1.5 行星系统的形成及演化(3学时)
星周盘的形成与演化;角动量转移;由星子到行星胚胎的成长;行星胚胎的散射;类地行星形成;大行星核吸积气体过程;引力不稳定机制形成大行星;行星系统的后期演化。
第二部分 行星表面过程与内部结构(惠鹤九,12学时)
2.1 地外物质及其来源(3学时)
矿物和岩石,鲍文反应序列,陨石的分类以及来源,登月返回样品的种类,元素的丰度,地外物质中的化学元素和同位素分异及其特征,放射性同位素定年,行星形成及演化在地外物质中的记录。
2.2 行星表面过程(3学时)
表面形态学,构造运动,火山活动,物理和化学风化作用,撞击坑的分类和形态、撞击作用的物理过程、撞击溅射物和二次撞击坑特征、基于撞击坑的年代学研究、撞击事件在行星形成和演化中的作用,空间风化作用与月球、小行星和火星表面土壤特性。
2.3 行星内部的模拟 (3学时)
岩浆冷却过程中的热力学, 行星内部的实验室模拟(各种高压装置),相图,状态方程,行星的重力场,行星内部的温度,热源以及能量的传播。
2.4 行星圈层结构 (3学时)
地震波的基本概念以及在圈层结构研究中的重要作用,地球的圈层结构-壳幔核,其它天体的圈层结构研究现状,以及表面地质学研究。
第三部分 行星大气与空间环境(崔峻,21学时)
3.1 行星大气的基本结构(3学时)
行星大气中的流体静力学平衡与标高,分子扩散与湍流扩散,行星大气成分、化学反应链、同位素比,行星大气的基本热力学特征、加热及冷却机制、辐射平衡温度、温室效应,行星大气中云的形成机制、宏观分布特征、颗粒的微观物理过程。
3.2 行星大气动力学(3学时)
基本大气动力学方程,行星大气中的动量平衡、涡旋、边界层,行星大气中的大尺度动力学特征,行星大气中的基本波动特征,声波、重力波、罗斯比波、行星波与热潮汐。
3.3 行星大气中的辐射现象(3学时)
行星大气中的辐射传输、大气热辐射谱与反射谱、大气原子与分子光谱、发射线和吸收线的产生机制及其所含物理信息,极光与气辉现象。
3.4 行星大气的起源和演化(3学时)
行星大气的形成、大气稳定性、大气分子的逃逸和沉降,热逃逸、非热逃逸与流体动力学逃逸,行星的气候演化。
3.5 行星磁场(3学时)
行星磁场的多样性及变化性,大尺度内禀磁场和剩余壳磁的产生机制、构型,粒子在行星磁场中的运动规律。
3.6 行星电离层(3学时)
行星电离层形成的“查普曼”理论、行星电离层形成机制的多样性、分层结构、离子-中性化学反应、电离层温度结构,磁场对电离层形态的影响,行星电离层中的光电子能谱。
3.7 行星磁层(3学时)
磁流体力学基础,行星磁层的分类、形态、等离子体输运特征、等离子体波动现象,行星电离层与磁层的耦合,行星的等离子体逃逸现象及产生机制。
第四部分 太阳系中的小天体(李荐扬,9学时)
4.1 小行星(3学时)
小天体与行星系统起源与演化,小行星基本物理性质,矿物成分和分类学,热学演化与内部分异过程,碰撞过程,尺寸分布与撞击坑定年,表面地质过程,内部结构,小行星深空探测。
4.2 彗星(3学时)
彗星的起源,动力学演化和分类,库伊伯带和奥特云,彗星基本性质和化学成分,彗核的基本性质和演化,气体彗发和太阳风相互作用,尘埃彗发的性质及光学过程,彗星和小行星的关系,基本观测手段,彗星深空探测。
4.3 其他小天体(3学时)
行星环的基本物理性质,流星体,星际尘埃,库伊伯带天体的物理性质和分类,形成与演化,小天体之间的相互作用和演化,其他恒星的碎片盘。
第五部分 期末闭卷考试 (崔峻 ,3学时)

考核方式:(期末平时论文等所占比重)
期末闭卷考试(50%)+论文(50%)

参考文献

授课时间: 星期四, 第9、10、11节
授课地点: 教1-219
授课周次: 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20

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