托福听力天文学科背景知识总结

武汉新航道托福听力讲师，本科毕业于美国堪萨斯大学金融专业，留学经验丰富，着重改善学生被动式听力习惯，培养学生的逻辑能力，乐于与学生分享美国式大学课堂，授课充满激情，对学生耐心负责。

在托福听力讲座当中，天文学一直是让很多学生很头疼的学科，究其原因在于对背景知识以及学科单词了解甚少。天文学(astronomy)指的是研究宇宙空间天体(heavenly body)，宇宙的结构和发展的学科,内容包括天体构造，性质和运动规律。而常考的话题包括：太阳，月球，火星，土星(Saturn)，小行星和彗星(Asteroids & Comets),陨星（Meteorite）等。天文学为什么难？难于话题通有非常强的综合性，天文学常常涵盖了生物学词汇，化学元素，各种地质现象或物理现象。因此，它的难度是高于单一学科话题的讲座的。在这里，我会给大家相应的总结一些天文学中常考话题的背景知识以及高频词汇来帮助大家应对它们。首先我们来看一下2016与2017年天文学的考情具体情况。

太阳(The Sun)

       首先，我们来简单的认识一下太阳，太阳大约是在45.7亿年前在一个坍缩的氢(hydrogen)分子云(molecular cloud)内形成的。科学家用了两种方法来确定太阳的年龄：放射性定年法(radiometric dating)以及恒星演化(stellar evolution)的电脑模型。接下来我们来看一下太阳的结构图：

Core:核反应区

Radioactive zone:辐射区

Convective zone:对流层

以上是太阳的内部结构，大家简单的了解一下，掌握一下学科单词即可，然后我们来看一下太阳的外部结构:光球层(photosphere)，色球层(chromosphere)，日冕(solar corona)。光球层即我们平时看到的太阳的圆面，色球层指的是紧贴光球的大气，而日冕是太阳大气的最外层。所以在发生日全食(solar eclipse)的时候，我们可是看到的是色球层和日冕。

此外，太阳黑子(sunspots)是存在于光球层的短暂现象，是太阳表面温度相对较低而显得较黑的区域，与地球磁场的周期(cycle)一样都是11年。太阳黑子实际上是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡，黑子本身并不黑，之所以看得黑是因为比起光球层，它的温度要低一、二千度，在更加明亮的光球衬托下，它就成为看起来像是没有什么亮光的暗黑的黑子了。接下来，我们来看看太阳风，太阳风(solar wind)也是多次考试当中涉及到过的话题，太阳风是太阳放射出的电子流（a stream of charged particles），在太阳风和地球磁场(magnetic field)的的交互作用中就产生了极光(aurora)。

从科学家的探索当中，太阳存在两个理论问题(theoretical problems):

1.     Faint Young Sun Paradox 黯淡太阳悖论 （TPO 22 lecture 2）

早期太阳的热量输出要比今天低25%到30%。换算成地球的平均表面温度，就会比现在低20℃左右，大概比水的冰点还要低10度，所以早期的太阳不足以将地球温暖成一个适宜生命存在的行星。但是地球上液态水（liquid water）的历史，却几乎可以一直追溯到地球形成之初。The Young Sun was 75% as bright as it is today. A weak star cannot sustain liquid water on Earth’s surface.

TPO22 L2当中提出了两种解释，种解释是虽然一开始阳光比较微弱（faint），但某种温室气体(greenhouse gas)让早期地球的大气能够囚禁更多热量。当时空气中的二氧化碳（carbon dioxide) 的含量的确比现在更高，但是还是不足以去弥补（compensate）缺乏的热量。后来，天文学家又提出另一种温室气体，氨气(ammonia)的含量也可以帮助提升热量，但是氨气会被紫外线（ultra-violet light ）破坏掉，所以也不可能。 第二种解释是光亮太阳解释(Bright Young Sun Solution)，早期太阳的质量(mass)实际上比理论中要更大一些，由于太阳风(solar wind)会导致太阳失去质量，太阳风可能比理论中更严重，导致失去的质量比我们所估计的更大。讲座中，professor是比较认可和相信第二种解释的。

2.     Corona heating problem 日冕加热理论

按照理论来说，离核反应区越近温度应该越高，但是光球层的温度在6，000开尔文（ kelvins）而太阳的大气层、即日冕的温度却在1，000，000到2，000，000开尔文。为什么离核区更远的日冕区域的温度要高于太阳表面？这是一个未解之谜（Unsolved problem）。Why is the Sun's Corona so much hotter than the Sun's surface?

目前有两种存在的可能的解释是：声波加热（wave heating），磁场重连（Magnetic re-connection theory）等造成日冕层更热。

相关链接：TPO 22 L2， TPO 18 L1， TPO 03 L4

教程 mp3 95

2016.11.13 托福官考

2016.5.22 托福官考

月球(The Moon)

月球是地球的的自然卫星(natural satellite)。月球的地形主要分为：月球高地即月陆(highland)，环形山(crater)，月海(maria)，穹丘(domes)，皱岭(wrinkle ridges)等。月海并不是真的海，而是只是平原，比高地地势低。月球质量小，产生不了足够的引力，无法将气体分子吸附在月球的表面，被认为是真空环绕的。

月球的背面(far side)，从地球上始终不能完全看见，月球两个半球的特征有着显著的不同，正面有许多巨大的月海；另一边受到撞击，有着密集的陨石坑（meteor crater/impact crater），而南极－艾托肯盆地(South Pole-Aitken basin)是月球上的撞击坑。它也是被公认在月球上，最古老和最深的盆地。

此外，环形山(crater)也是月球表面的显著特征，几乎布满整个月球，环形山这个名字是伽里略(Galileo)起的。环形山的形成有两种说法：“撞击说”（meteorite impact hypothesis）与“火山说”(volcanoes hypothesis)。“撞击说” 指的是月球因被其他行星撞击而有现今人类所看到的环形山。“火山说”指的是月球上本有很多火山，最后火山爆发(eruption)而形成的环形山。

相关链接：TPO 05 L2

2016.12.10 托福官考

2017.3.4  官考

2016.7.10 官考

2016. 9. 24 官考

类地行星 (Terrestrial planets)

类地行星包含水星 (Mercury)、 金星(Venus)、地球(Earth)、火星(Mars)。类地行星主要组成成分是rock 和metal。金星、地球、火星表面都覆盖一层大气层atmosphere。所有类地行星表面都有陨石坑(impact craters)和一些表面构造特征(tectonic surface features)比如裂谷(rift valleys)，火山(volcanoes)。

火星 (Mars)

火星是太阳系中第二小的行星，天文学中把地球与火星称为兄弟行星，自转轴倾角（axial tilt）、自转周期(rotation period)均与地球相近，公转(revolution around the sun)一周约为地球公转时间的两倍。火星表面富含氧化铁(iron oxide)，这使它表面看起来是微红的(reddish)。所以在听力中我们也经常听到使用“red planet”来代指火星。火星大气层主要含有二氧化碳(carbon dioxide)。火星表面布满火山(volcanoes)、裂谷(rift valleys)。 火星有两个小型的自然卫星(natural satellites/moons)，火卫一(Phobos)与火卫二(Deimos)。在希腊神话中，火卫一、火卫二分别是阿瑞斯(Ares，对应罗马神话里是Mars，火星)与 阿芙罗狄蒂( Aphrodite，对应罗马神话是Venus，金星) 的两个儿子Phobos和Deimos ，“phobos”在希腊语中意味着“恐惧”（是“phobia”的构词成分），而"deimos"在希腊语中意味着"惊慌"。

火星的轨道 (orbit) 是椭圆形(oval, elliptical)。火星的大气密度(density)只有地球的大约1%，非常干燥，温度低，表面平均温度零下55℃，水和二氧化碳易冻结(freeze)。但由于缺少地球的板块运动(tectonic plate movement)，火星无法使二氧化碳再次循环到它的大气中，从而无法产生意义重大的温室效应(green house effect)。因此，即使把它拉到与地球距太阳同等距离的位置，火星表面的温度仍比地球上的冷得多。

关于火星是否存在液态水，是否存在生命的问题一直是天文学界的热议话题，同时也是托福考试的高频话题。2013年12月9日，美国“好奇”号火星着陆探测器（robotic rover Curiosity）有重大发现科学家想象中的火星液态水，在火星上发现了存在古湖泊的证据，湖里的水可能是可以饮用的淡水。这是当地曾经长期存在湿润环境，并有简单生命出现的证据。2015年9月28日，美国航天局NASA由火星勘测轨道飞行器（MRO，Mars Reconnaissance Orbiter）提供的强有力的数据表明，目前在火星表面存在流动的流动水（flowing water）。火星侦察轨道器环绕火星运行，对火星进行化学分析。人们发现有深色条斜坡纹线季节性出现在图像里，对黑色条纹进行化学分析后发现，这是从火星的山上留下的盐水。盐水会在深春出现，流过夏季，在秋季消失。

16年2月27日托福考试中的听力讲座教授讲了火星上发现水的问题。科学家在valley里发现有小溪汇入山谷的痕迹，由于当时摄像机精度较小，只能隐约看到6个三角洲 (delta) ，由此可以猜测火星上曾经有水，但是还不能完全确定，因为还需要另一种证据：岸线 (shoreline)。后来，随着设备的更新，精度扩大了 (finer scale), 科学家们看到了岸线，由此可以证明火星上有水。然而还存在另一个问题：随着时间的流逝，山谷里的岸线并不是一点一点退却的，而是突然没有的。后来科学家通过计算得出火星上有水应该是在Pre-Noachian这个时期，这颠覆了科学家以前的预想，因为根据以前的研究，火星上Noachian这个时期气候更为温暖湿润，比较可能有水，而Pre-Noachian这个时期十分寒冷，是不可能有水的。那山谷里的水为什么会突然没有，是不是因为Pre-Noachian时期太过寒冷? 但是答案并不确定。

Martian Time Periods (Millions of Years Ago)
• Pre-Noachian (Early-Noachian, or Phyllocian Era): 根据研究，科学家相信这个时期colder and more arid (drier)， 不太可能有水的形成。更多的证据和研究都集中在Noachian时期。
• Noachian Period (named after Noachis Terra): 根据研究，这个时期火星表面出现了非常明显的腐蚀现象 (erosion)， 还有其他山谷网络 (valley networks)，三角洲 (delta) 等证据证明，这个时期的气候更为wet and warm，更有可能存在水。

在TPO30Lecture3当中提到火星上是否存在生命的话题，因为科学家发现了Jarosite（黄钾铁矾）这种物质，这种物质在地球上也存在，并且它的形成需要高酸钾水。因此人们认为火星上存在过水，此外它的形成也需要微生物，所以人们开始用一个新的仪器来分析火星上的jarosite的形成过程中是否也存在微生物，这个仪器可以检测它里面是否含有氨基酸以及氨基酸(amino acid)的手性(handedness)去验证火星上是否存在生命。

相关链接：TPO 30 L3

2016.2.27 官考

2017.2.25 官考  Mars表面是否有液态水

2017.4.15 官考

2016.10.16 官考  探索Mars是否存在生命

2016. 10.22官考

金星 (Venus)

金星没有自然卫星。 大小和地球差不多，和地球一样有含铁核心 (iron core) ，很厚的硅酸盐地幔 (silicate mantle)，极厚的大气层 (substantial atmosphere) ，其中96%是二氧化碳，少量的氮气Nitrogen。金星在夜空中亮度仅次于月球，排第二。它有时清晨出现在东方天空，被称为"启明星"。

金星大气层中的二氧化碳carbon dioxide和含有二氧化硫的厚云thick cloud of sulfur dioxide产生强烈的温室效应greenhouse effect，这使金星表面温度超过400摄氏度，成为太阳系中温度的行星。所以科学家认为，金星曾经可能有水，但由于后期剧烈的温室效应导致温度变高而蒸发掉了。所以金星上现在是没有地表水（surface water）的。金星上地质特征也很丰富，有峡谷(canyons)，山谷(ripped valleys)，陨石坑(craters)，火山(volcanoes)。

相关链接：TPO 24 L4

2016. 7.3 托福官考

2016.8.20 托福官考

气体巨行星(Gas Giants)

气体巨行星又称类木行星(Jovian planets), 类木行星的体积和质量要比类地行星大很多，类木行星的主要成分是气体(gas)。 木星(Jupiter),土星(Saturn)主要由氢气(Hydrogen)和氦气(Helium)组成。

天王星Uranus，海王星Neptune主要由甲烷Methane和氨气Ammonia组成，并且主要以冰ice的形式存在，所以也称为ice giants.类木行星都有环 (rings) ，其中土星Saturn的环可以从地球上明显观察到。

土星(Saturn)

土星周围有一圈环状物rings，气体组成成份和木星类似，主要由氢气Hydrogen和氦气Helium组成。环状物rings主要包含一些小冰块和岩石颗粒 (rock particles)。土星的卫星(moon)总共有62颗，其中土卫六(Titan)是土星系统中和太阳系中第二大的卫星。土卫六上的表面重力极低，和月球相当，但又拥有浓厚大气层。土卫六比水星还要大很多，有着广阔的大气层，主要成分是氮气(nitrogen)和一点点甲烷(methane) 和乙烷(ethane), 所以需要用雷达观测它。在它的表面，科学家发现了湖泊，但是这块地方并不是液态水，它实际上是甲烷。

人类研究发现，土卫六就是45亿年前的地球。 泰坦具有两个生命偏爱的特征，那就是沸腾的有机化合物和浓密的有保护性的大气层(atmosphere)。泰坦(Titan)是太阳系拥有合格大气层的卫星(moon)，也是太阳系4个仅有的有着浓密大气层的岩石质星球之一，其它几个分别是地球、火星和金星。在某些方面，泰坦的大气层最像地球。它的大气主要由氮气组成，气压略高于地球。它上面甚至有云，只是这些云的成分是甲烷和其它碳氢化合物，而不是水。很多太空生物学家渴望把土卫六大气作为地球大气的原型去研究，希望能够发现地球生命出现前，复杂有机分子是怎样产生的。

土卫六上的氰和烃在一定情况下可生成腈，再被星球上的水冰水解，生成羧酸和胺类物质，而这两者还可以生成具有重大意义的氨基酸 (amino acid)。不过，土卫六上也存在制约生命存在的重要因素。一是温度过低，二是尚未发现液态水 (liquid) 的存在，三是土卫六没有磁场(magnetic field)的保护，所以当它有时运行在土星的磁气层外时，便直接暴露在太阳风之下，辐射可能使生命无法存在。

相关链接：2016.5.28 托福官考

                      2016. 10.28 官考

小行星带(Asteroid Belt)与彗星（Comets）

小行星带坐落于火星Mars和木星Jupiter之间，小行星的成分和类地行星相似，由rock和metal组成。谷神星Ceres是小行星带中的一颗，现在被称为矮行星dwarf planet。Ceres在1801年发现的时候被误认作行星planet，1850年的时候被重新归为小行星，2006年的时候被划为矮行星。

彗星(Comets)与小行星类似，但是组成成分中所含甲烷或氨等冰质比较多，所以整个结构比较松散。

比小行星小的太空岩石碎屑一般统称为流星体(meteoroids)，流星体根据他们进入地球的状态又分为流星(meteors)与陨石(meteorite),在TPO13lecture4 与TPO26Lecture3中进行了考查：

流星(meteors)：主要是指我们在夜晚星空中看到的流星体进入地球大气后，与大气摩擦生热的现象，而不是指流星体本身。

陨石(meteorites)：如果流星体的一部分碎屑熬过地球大气的煎熬，最终着陆于地球，这些坠落的石块碎屑称为陨石。

艺术家Tim Lillis 绘制了视觉咨询表更好的解释了四者之间的关系，大家可以参考下图帮助理解：

相关链接：

TPO02L4

TPO13L4

TPO26L3

真经4 12-09

2016. 9.3 托福官考

天文学相关词汇总结