第一章I地球的宇宙环境
第一章I地球的宇宙环境
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第一章I地球的宇宙环境
皿核聚变 太阳中心区域 在超高温髙压 条件下,不断 地大规模进行 着氢氯核聚变 反应,既四个 氢原子核聚变 成一个気原子 核的热核反应
(4H—He), 并在核聚变过 程中释放出巨 大能量.
第一节形形色色的天体
宇宙(universe), 一般用做天地万物的总称。中国战国时 期的《淮南子•原道训》曾指出,“四方上下曰宇,古往今来曰 宙,以喻天地”,今天人们所认识的宇宙环境,指的是各种各样 的天体。
晴朗的夜晚,除了圆缺多变的月亮,我们还可以用肉眼或借 助望远镜,看见星光闪烁的恒星、在星空中明显位移的行星、卫 星,有时还可以看到轮廓模糊的星云、ー闪即逝的流星、拖着长 尾的彗星。借助天文望远镜和其它空间探测工具及方法,还可以 探测到存在于星际空间的气体和尘埃等。所有这些,通称天体。
恒星与太阳
(-)恒星的主要特征
恒星(star)是由炽热气体组成,能自己发光的天体。恒星 并非不动,只是由于离我们太远,不借助特殊工具和方法,很难 发现它们相对位置的变化,因此古代人称之为恒星。实际上,所 有恒星都在运动和变化中。我们所熟悉的北斗七星,现在看起来 排列得像勺子形状。但是十万年前,其形状与现在不同:十万年 后,又将会是另ー种形状(图L1) 〇
恒星最大的特征是能自身发光。恒星之所以能发光,是由 于其核心承受的巨大压力和温度使得氢氯核聚变反应的发生。恒 星的光和热,是靠内部氢核聚变为氮的热核反应时所产生。
图1.1
北斗七星形状的
变化
现在
5万年后 I。刀年后
002
地球的宇宙环境I
（二）星等与星座
由于恒星距离地球的远近不同,即使发光能力相同,观测 到的明暗程度也不相同。若将天体亮度加以分等,即称为星等。 星等每降低1等,亮度约暗2. 5倍,就如2等星比1等星暗2. 5倍。 通常星等越低,星数越多。为了要更精确的表示天体的亮度,天 文学家在星等中加入了小数点,以便可以区分两颗等级相似的天 体。例如:织女星的视星等为0.0等,北极星为2.0等,太阳则为 -26. 7等（图 1.2） 〇
但是观测到的星等,并非是天体本身的实际亮度,因此天 文学家引入了 “绝对星等”的概念,此方法将所有夭体放在距离 地球32. 6光年的标准位置,之后再测量亮度,便可以在不受距离 的影响下作出客观的比较。在此标准下,织女星为0.45等,北极 星为ー3. 6等,太阳为4. 8等（图1.2） 〇
B0X——
光年
光年是计量天 体间距离的单 位。1光年即 光在一年中传 播的距离,约 为94, 607亿公 里。
骚氣的福
太阳
亮
8分钟
织女星•
图1.2
恒星的亮度ー视 星等和绝对星等
25光年
北极星
2.0
43。光年
距离地球L
鴛導蠢的亮度）
距离地球L
北极星 J -3.6 亮 织女星0,45.
太阳够 4.8 .暗
32. 6光年
另外,为了便于认识恒星,人们把星空所见的部分恒星组
合而成的图形,称为星座。每个星座都有自己独特的形状,古
代人结合神话中的人物或动物为星座命名,某些名称一直沿用至
今,例如:大熊座、双子座等（图1.3、1.4） 〇 !930年,国际天 文学联合会把星空划分为88个星座,把己发现的恒星都纳入到特
003
第一章I地球的宇宙环境
匿!1.3 （左）
大熊座 （三）太阳的圈层结构
副.4 （右） 离地球最近且与地球关系最密切的恒星是太阳。太阳为ー
双子座
个巨大炽热的气体球,主要成分是氢和氮,表面温度约5,770" 在恒星世界中,其质量、亮度、表面温度和寿命等方面多处在中 间状态,年龄也恰到中年,是ー颗很典型的中等恒星。
凯氏温度
“K”为凯氏 温度,是热カ 学温度单位。 它与摄氏温度 的换算公式 为:
0 =T-273.15 »。为摄氏温 度,单位为P ,T为凯氏温 度,单位为 K»
1•太阳的内部圈层
太阳内部的温度、密度和压カ随深度而增加。太阳中心温 度高达!,500万K,压カ相当于地球大气压的2, 500亿倍。巨大 太阳能的热核反应,发生于温度在700万K以上的太阳核反应区 （图1.5） 〇核反应区产生的能量通过辐射区,以辐射方式向外 传输太阳能,进入对流区后,再以对流方式用更快的速度向外 输送。对流区以外就是人们能直接观测到的太阳表面。
2.太阳外部圈层及其太阳活动
人们能够直接观测到的太阳,是太阳的表面和大气 层。从内到外分为光球、色球和日冕三层（图1.6） 〇光球 （photosphere）是人们看到明亮发光的太阳表面,厚度约500公 里。地球上接收到的太阳光基本上都是从这ー层发出的。色球 （chromosphere）是光球外面一层呈淡红色的太阳大气,厚度约 为2,000公里至5,000公里。由于气体稀薄,所发出的可见光不及 光球的千・分之一。因此,只有在日全食时或用特殊的望远镜才能 看到。ロ冕（corona）是太阳大气的最外层,从色球的外面可以 延伸至儿百万公里。它是很稀薄、完全电离的气体层,亮度仅为 光球的百万分之一,也只有在日全食时或使用特制的口冕仪才能
004
地球的宇宙环境I
zMX-
太阳#^ 日地距离: 半 径: 质 量: 平均密度: 中心温度: 表面温度: 中心密度: 中心压カ: 年 龄:
ヽ
149, 598, 000 km
696, 000 km
1.989 X 10釦 g
1. 409 g/cm3 约 1. 5 X 107 K
5, 770 K
约 !60 g/cm3
约2, 500亿个大气压
5 X 109 年
图1.5 太阳結构
看到。
太阳表面大气经常发生大规模的运动,称为太阳活动。太
阳活动的类型很多,其中最主要的是黑子、口珥、耀斑和日冕物 质抛射,它们是太阳活动的重要标志（图1.7） 〇
光球表面常出现ー些黑斑点,叫做太阳黑子（sunspot） 〇 由于黑子的温度比较低,所以会显得暗ー些。根据长期的观察和
记录,人们发现太阳黑子在某些年份比较多,某些年份比较少, 其变化的周期大约为11年。
色球层中,有时有巨大的气体升腾而起,如同火焰喷舌, 高度可达儿万至百万公里以上,再落回太阳表面,或脱离太阳的 引力消散不见,这些气柱称为日珥（prominence）。有时候,色 球的表面会突然出现大而亮的斑块,称为耀斑（solar flares） 〇
副.6 （左） 太阳的外部圈层
副.7 （右）
太阳活动
005
第一章丨地球的宇宙环境
它是太阳大气高度集中的能量释放过程,耀斑爆发是太阳活动最 激烈的表现（图L8）。
日冕的温度可达百万K以上,所含物质在超高温下高度电 离,并高速运动,一部分高能带电粒子,主要是质子（氢原子 核）和电子,能挣脱太阳引力,奔向太阳系广阔的行星际空间。 这种从ロ冕“吹”出来的高速带电粒子流,就是太阳风（solar
00:13 UT
()0:28 UT
()0:44 UT
()0:59 UT
空
图1.9太阳黑子数的変化
太阳黑孑数
太P05W4帥
(a) 1985-2015年
(b) 1700-2015年
根据图1.9 （a）和（b）,回答下列问题。
1. 1985 -2015年太阳黑子数经历了什么样的变化?周期大约是多少年?
2. 18世纪以来,太阳黒子数的变化周期是否与（a）相同?
3. 如何得出太阳黑子数11年周期变化的规律?
006
地球的宇宙环境I
照1.1
极光（澳洲Cape
Schanck）
wind) 〇若物质非常剧烈地从日冕层抛射出去,则称为日冕物质 抛射 (coronal mass ejection) 〇
通常黑子数目最多的地方和时期,也是耀斑等其它形式的 太阳活动出现频繁的地方和时期。因此太阳黑子的多少和大小, 可以作为太阳活动强弱的标志。太阳黑子周期与地球上气候变化 之间,似乎存有某种因果关系,例如,世界许多地区降水量的年 际变化,都与黑子的11年周期具有某程度的相关性。
此外,当太阳黑子和耀斑增多时,其发射的电磁波进入地 球大气层,会引起大气层扰动,使地球上无线电短波通讯受到影 响,甚至出现短暂的中断。太阳大气抛出的高能带电粒子会扰乱 地球磁场,使地球磁场突然出现“磁暴”现象,导致罗盘指针剧 烈颤动,不能正确指示方向。太阳大气抛出的高能带电粒子会威 胁到宇航员们的健康和安全,如果高能带电粒子高速冲进两极地 区的高空大气,并与那里的稀薄大气相互碰撞,还会出现美丽的 极光(照1.1)。 太阳风对地球的
/Bex-----------------------
太阳风暴袭击地球
太阳表面新形成的巨大黑子群和大耀斑,喷射出 的大量气体、电磁波和带电粒子流,会以每小时300万 公里以上的速度向宇宙空间喷射,形成太阳风暴。有 人形象地把太阳风暴比喻为“太阳打喷嚏” 〇
太阳风暴的电磁波进入地球大气层,会使地球 上无线电短波通讯受到影响,通讯设施受损。据报 道,2003年10月23日至11月5日,太阳风暴连续多次袭 击地球。亚洲、欧洲、美洲许多国家的短波通讯受到 干扰,通讯设施受损。例如:日本一颗通讯卫星信号 中断,另ー颗环境监测卫星则受损而报废。
007
第一章I地球的宇宙环境
行星与地球
（-）行星的主要特征
行星（planet）是在椭圆轨道上环绕恒星运行,近似球形 的天体,其质量比恒星小得多,本身不发光,全靠反射恒星的 光而发亮。行星一词的原意是天空中游荡的天体,在希腊语中 是“流浪者”的意思。
目前己知环绕太阳运行的有八大行星。按照它们与太阳 的远近,由近到远依次为水星、金星、地球、火星、木星、土 星、天王星、海王星。八大行星的自转周期、自转轴倾角和自 转方向各不相同（表1.1、图1. 11）。
表1.1
太阳系八大行星的 与日距离、 自转周 期、自转轴倾角和 自转方向
行墨 与日距肉 （以日地平均 距髙为单位） 自转周期 自转轴傾角 自转方向
水星 0.39 59天 〇0 逆时
金星 0.72 243天 177°18， 顺时
地球 1.00 24时 23"26， 逆时
火星 1.52 24时37分 25°ir 逆时
木星 5.20 9时56分 37 逆时
土星 9.54 ］〇吋14分 26"44‘ 逆时
天王星 19.19 17吋14分 97,52' 顺时
海王星 30.07 16时07分 2935， 逆时
图 1.11
行星的自转轴侦亀 和自转方向
蒔“.0バ
水星金星 地球 火星 木星 土星 大王星 海土星
拳生
1.请根据表1.1的数据资料,讨论行星的自转轴倾角和自转方向的关系。
（二）行星的分类
根据八大行星的质量、体积和组成物质,可把它们分为类地 行星、气态巨行星、冰巨行星三类（表1.2）。
类地行星（terrestrial planets）是指与地球类似的行星,包 括水星、金星、地球和火星。它们距离太阳近,体积和质量都较 小,平均密度大,表面温度较高,中心有铁核,金属含量较高,
008
地球的宇宙环境
没有或很少卫星。
气态巨行星（gas giants）主要是由氢、氮等物质构成,包括 木星和土星。它们离太阳比类地行星远,体积和质量都很大,平 均密度小,表面温度低,卫星数目多,并且有光环。
冰巨行星（ice giants）表层气体以氢、氮和甲烷为主,包括 天王星和海王星。它们距太阳远,表面温度低,平均密度介于前 两类之间,卫星数多寡不等。天王星和海王星亦有光环。
（三）地球是一颗既普通又特殊的行星
地球是太阳系中的一颗普通行星,与其它行星一样,既有 自转运动,也有绕日的公转运动。地球的特殊之处,在于它是 太阳系中目前已知唯一有高等生物的行星。地球上会出现高等 生物的原因,和地球所处的宇宙环境及其本身的条件息息相关表口
（图1.12） 〇 八大行星的分类
比较表
分斐 类地行星 气态巨行星 冰巨行星
行星 水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星
质量（地球为1） 0.055 0.815 1.000 0.107 317.83 95.16 14.54 17.15
体积（地球为1） 0.056 0.857 1.000 0.151 1321 764 63 58
密度(g/cm3) 5.43 5.24 5.51 3.93 1.33 0.69 1.27 1.64
表面 温度 （°C） 最高温 427 462 58 20 一 一 — 一
最低温 -173 -88 -153
有效温度（C） 一 — 一 一 -148 -178 -216 -214
卫星数 〇 〇 1 2 67 62 27 14
环物质 无 无 无 无 有 有 有 有
主要成分 重物质（岩石） 气物质 冰物质
轻4 勿质
大气状况 无 野。2 较浓密 氮氧大 气 理。2 「分浓密的氢、 氯大气 氢、気和甲烷 大气
1.在太阳系成员中,类地行星和气态巨行星有何相似及相异之处?
009
第一章I地球的宇宙环境
图 1.12
地球所处的宇宙环 境及其条件
1. 地球的宇宙环境
在恒星世界里,有半数以上的恒星或成双成对,或三五成 群,甚至成千上万的恒星因相互吸引而形成集团。太阳是单颗恒 星,在其周围的恒星分布比较稀落。例如:太阳光到达地球大约 需要8分钟的时间,而离太阳最近的恒星（比邻星）的光到达地 球大约需要4. 2年的时间。太阳附近的恒星密度小,对太阳的影 响也小,有利于太阳的稳定。
从太阳系诞生到地球上开始有原始的生命痕迹,中间经历 了漫长的时间。在这历程中,太阳儿乎没有任何明显的变化,地 球所处的光照条件一直很稳定,生命演化的各级成果不易受到破 坏,并继续向更高级的结构演化。
地球附近的行星际空间,大、小行星绕日公转方向一致, 而且公转轨道面儿乎在同一个平面上。大、小行星各行其道,互 不干扰,使地球处于ー个比较安全的宇宙环境之中。
2. 地球本身的条件
地球与太阳的距离适中,地表的平均温度在15°C左右,有 利于生命的发生和发展。如果地球距离太阳太近,温度过高,不 可能形成生命物质。如果地球距离太阳太远,温度过低,生物也 无法生存。
地球的体积和质量适中,其引力可以聚拢大量气体形成包 围球体的大气层,再经过漫长的演化,形成适合生物呼吸的大 气。如果地球的体积和质量太小,引力太弱,气体将散逸到宇宙 空间,就没有大气层的存在。反之,如果地球的体积和质量太 大,则会保持太厚的大气层和太多有害气体。
010
地球的宇宙环境
地球内部因重力收缩而产生高压高温,使地壳下方形成固 态、液态混合的软流层。软流层的活动频繁,许多物质透过火山 活动喷出地表。喷出物质中的水汽,遇冷凝结并降水。经过长时 期的作用,降至地面的水在低洼处汇聚成海洋。海洋是地球上最 初孕育单细胞生物的温床。
1. 根据地球上存在高等生物的条件,宇宙空间哪些地方存在生命的可能性较大?
2. 为什么说地球是ー颗既普通乂特殊的行星?
由上述可知,地球处在ー个比较稳定和安全的宇宙环境 中,自身又具备了生物生存所必需的温度、大气、水等条件,以 致发展成目前已知拥有高等生物的行星,所以地球是ー颗既普通 又特殊的行星。
(四)地球的圏层构造
地球的外部圈层包括大气圈、水圈、生物圈等(图1.13), 这些圈层之间相互联系、相互制约,形成人类赖以生存和发展的 自然环境。
大气圈(atmosphere)是由气体和悬浮物质所组成,主要成 分是氮和氧。它包围着地球,是地球自然环境的重要组成部分。
水圈(hydrosphere)是由地球表层水体构成连续但不规则的 圈层。它包括地表水、地下水、大气水、生物水等。水圈的水处 于不断的循环和运动中。
生物圈(biosphere)是地球表层生物及其生存环境的总称。 它占有大气圈的底部、水圈的全部和岩石圈(lithosphere)的上 部,是大气圈、水圈和岩石圈相互影响的结果。 图
地球内部大致可分为地壳、地幔和地 ー 農・密部圈层
核三个圈层(图1.14) 〇 大 ラ 圈
地壳(earth crust)是扩‘中
表面一层薄薄的,由岩石组』 的坚硬外壳。其厚度不一, 大陆地壳比大洋地壳厚,平 均厚度为17公里。地壳的
011
第一章I地球的宇宙环境
圏 1.14
物质组成很不均匀,一般把地壳分为上下两层 (图1.15) 〇上层叫硅铝层(sial),含硅和铝 较多,主要由花岗岩与变质岩组成,其上覆盖 着沉积岩。下层叫硅镁层(sima),硅、铝成分 相对较少,镁、铁成分较多,主要由玄武岩和 辉长岩组成。大陆地壳具有硅铝层与硅镁层的 双层结构,硅铝层厚度10公里左右,硅镁层厚 度在20公里以上,其形成年代久远;大洋地売 仅有硅镁层,缺少硅铝层,其形成年代较晚。
地幔(mantle)厚度为2, 800多公里,可分 为上地幔和下地幔两层。上地幔上部的物质是
地球的内部圈层 固态和液态的混合物。由于混有液态物质,这ー带的物质比较
“软”,容易发生塑性流动,故称为软流层(asthenosphere)。 软流层可能是岩浆的发源地。软流层以上的部分都是由岩石构
成,所以称为岩石圈(lithosphere),包括整个地壳和上地慢顶 部。
地核(core)厚度为3,400多公里,温度很高,压力和密度
很大。地核又可分为外核和内核两层,外核呈液态,5, 000公里 以下深处为内核,呈固态,其物质组成成分以铁、镣为主。
圈 1.15
地壳结构示意图
冋原 冋山
（密度3. 3）
卫星与月球
(-)卫星的主要特征
天然卫星(natural satellite)是围绕行星运行的天体,本身 不发光,只能反射外来的光线。从地球上看,除了月球外,其它 卫星的反射光都非常微弱,肉眼不易发现。1610年意大利天文学
012
地球的宇宙环境I
家伽利略（Galileo）利用望远镜首次发现木星的四颗大卫星,被 命名为伽利略卫星。此后科学家又在其它行星外围陆续发现了数 十颗卫星。
（二）月球概况
月球是地球唯一的天然卫星,也是离地球最近的天体,年 龄与地球一样,也是46亿年。月球的直径约为地球的1/4,体积 为地球的1/49,表面重力只相当于地球的1/6。所以,登上月球 的宇航员,穿着沉重的宇航服,拿着探测仪器,在月面上行走还 是轻飘飘的。
由于月球表面重力小,保留不住大气,声音无法借由空气 传播,因此成为一片寂寥、万籁无声的世界。月球上既然没有大 气层,当然也就没有水汽,没有风、云、雨、雪等天气变化。那 里昼夜温差很大,白天在太阳直射的地方,温度可达127°C,夜 晚则降到-183°Co
肉眼看到的月面,其明亮的部分是月球上的山脉、高原, 月球上最高的山峰高达9,000公尺,比地球上的珠穆朗玛峰还 高。其暗黑部分,则是广阔的平原和低地。过去人们误以为这 些暗黑部分是海洋,把它们取名为“风暴洋”ヽ“静海”等等
（照1.2）,实际上那里是月球早期火山爆发,喷出大量岩浆所 形成的熔岩平原。
照1.2
月球的浅面形态: 正面〈左〉及背面 （右）
月面最显着的特征是坑穴星罗棋布,坑穴周围直径大于1公 里的环形山,在月球正面就有33, 000多个（照1.3）,这些环形 山都是宇宙物体冲击月面和火山活动的产物。
013
第一章I地球的宇宙环境
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月球的早期活动
现代月球虽然卜分宁静,但研究表明,早期月球的内外力作用还是相当剧烈 的。39亿年前,月球曾经历过ー系列大陨星的撞击。31亿年前,月球的岩 浆、火山活动或构造运动曾经十分活跃,后来因月球表层冷却和岩石圏加厚 到ー定程度,オ平静下来。现代月球的表面形态,主要是早期由巨大内外カ 作用造成的遗迹。大陨星的撞击曾使早期月球岀现相当大、相当深的凹陷, 在后来的若干亿年里,月球火山活动连续不断,从火山口喷出的岩浆逐渐填 充凹陷区,形成灰暗、宽广的培岩平原,即是月海，
地球上的人们听惯了各种不同的声音,如交通工具的声音、エ厂机器运作的震动、 收音机传出悦耳的音乐声等等。如果把地球上的戏院搬到月球上去,你在那里只能 看到哑剧或无声电影。
1. 为什么月球是ー个寂静的世界?
2. 为什么月球上不见蓝天,白天的天空背景也是暗黑的?
3, 为什么来自太阳的高能辐射或流星体等,可以长驱直入地冲击月面?
4, 为什么人们推断月球上不会有生命存在?
自1969年7月“阿波罗11号”登月以来,先后儿次釆集到各 种月球岩石样品,经过分析,共发现近60种矿物,其中有6种是 地球上所没有的。此外,在月岩和月壤中发现有地球上的全部化 学元素及多种有机化合物,但没有发现存在生物物质的迹象。
矮行星、小行星、彗星、流星体、行星际物质
太阳系的小天体,除较小的卫星外,还包括矮行星、小行 星、彗星、流星体和行星际物质。
(-)矮行星
矮行星(dwarf planet)是绕太阳运行,呈球体形状的天体, 但不像行星,它未能清除自身轨道邻近的其它天体。冥王星即属 此类。
014
地球的宇宙环境I
（二）小行星
小行星（asteroid）是绕太阳运行,主要由岩石物质组成的 小天体（照L4）,直径多为儿公里至儿十公里。根据巡天观测 估计,小行星总数在50万颗以上,总质量约为地球质量的万分 之四。小行星大多分布于火星、木星轨道之间,与太阳的平均 距离为2. 8个天文单位。
（三）彗星
彗星（comet）大多是沿扁长轨道上绕太阳运行的ー种质 量很小的天体（照!.5） 〇彗星有着独特的外貌,当它远离太 阳时,外观看似朦胧的星状小亮斑,其较亮的中心部分叫做彗 核,一般认为它是由冰物质和岩石物质的固结体。当彗星接近 太阳的时候,彗核中的冰物质升华,挥发成气体,在周围形成 云雾状的彗发（图!.16） 〇彗星绕过太阳到达相应的距离后, 彗尾和彗发相继消失（图1.17） 〇
01.16 （左）
彗星的結构
副.17 （右）
彗星绕太阳公转
变化图
（wx----------------------------------
哈雷彗星
哈雷彗星是ー颗著名的周期彗星。当它在1682年出现后,英国天文学家哈雷 注意到它的运动轨道与1607年和1531年出现的彗星轨道相似,认为是先后出 现的同一颗彗星,并预言它将在1758年底或1759年初再度出现。虽然哈甫于 1742年逝世,没能看到它的出现,但在1759年它果然又回来这是天文学 史上一个惊人的成就,这颗彗星因而命名为哈甫彗星（Halley's comet）。哈 宙彗星的公转周期为76年•
——X
及单位
是天文学上的 长度单位,日 地平均距离为
1天文单位, ー天文单位 =149,597, 870
公里。
照1.4 （上） 小行星灶神星
照1.5 （下） 海尔ー感普彗星
1,在公转轨道的不同位置上,彗尾的指向和长短有什么变化规律?为什么?
015
第一章I地球的宇宙环境
照1.6
流星
（四）流星体
流星体（meteoroid）通常指绕太阳 运行、比小行星和彗星更小的固体块。当 流星体高速进入地球大气层后,因撞击压 カ而在高空灼热发光,从而在星空中划 出光迹,之后即迅速消失,这就是流星 （meteor）现象（照!. 6） 〇当成群的流星 体闯入地球大气层时,则会形成流星雨。
未烧尽的流星体降落到地面,叫做陨星（meteorite） 〇其中 石质陨星叫做陨石,铁质陨星叫做陨铁（照1.7） 〇流星体内部 温度一般不高,其物质形成以来,从未经历过高温过程,少有变
照1.7 （左）
空坳辛格陨石是巴 林杰陨石坑周困寻 获的最大陨石碎 片,现存于陨石坑 旁的游客中心內
照1.8 （右）
巴林杰陨石坑航空 影像
质而保留许多原始状态,当中甚至还保留着太阳系行成初期的信 息。因此,流星体落至地面的陨星,不仅有助于探讨太阳系、地 球及其生命起源或演化的过程,也是估计地球内部状态和组成的 重要借鉴。
（五）行星际物质
太阳系内较大的星体,如行星、小行星和彗星等都围绕着太 阳运行。各星体之间并非空空荡荡,而是有极稀薄的气体和极少 量的尘埃分布其间,称为行星际物质。
「BOX-----------------------------
太阳系小天体的不稳定性
太阳系小天体的存在和运动具有不稳定性，这是因为它们质量小,运动轨道 可能受行星等天体引力或太阳辐射压力等的影响,发生变化:而轨道改变后 的小天体,又可能撞入大天体而被呑噬。太阳系早期很多小天体,就是因此 而被“清扫”殆尽。
016
地球的宇宙环境I
第二节不同层次的天体系统
不同层次的天体系统
宇宙中的天体都在运动着,运动 中的天体相互吸引,不断绕转,形成天 体系统。天体系统有不同的级别,地球 所处的夭体系统,按从低到高的级别, 依次为地月系、太阳系、银河系和总星 系（图!.18） 〇对于每ー级别的天体系 统,地球都有相应的位置。
（-）地月系
总星系
银河系
太阳系
地月系
图 1.18
宇宙中不同级别的
天体系统
地球与月球组成地月系,地球是地月系的中心天体。月球是
地球唯一的天然卫星,地月平均距离为384, 400公里。月球自转
和绕地球公转一周的时间都是27. 32口。
（二）太阳系
太阳的引力将行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星、流 星体和行星际物质等系结在ー起构成太阳系（solar system）
（图1.19） 〇太阳系的直径大约为10万个天文单位。口地平均距 离约为1.5亿公里（1个天文单位）〇
火星・絲
'地球善 •金星
水星 阳 ------太
•天王星
行星 矮行星
图 1.19 太阳系
017
第一章I地球的宇宙环境
生
1.根据松期观测研究,发现行星公转轨道有一些共同的特性。请根据表1.3的数据 资料,从近圆性、共面性及同向性三方面,讨论八大行星公转轨道的特征。
近圆性:
共面性:
同向性:
八大行星 公转周期 公转轨道偏心率 公转轨道倾角 公转轨道方向
水星 88.0 天 0.21 r 逆时
金星 224.7天 0.01 3°24， 逆时
地球 365.2天 0.02 〇» 逆时
火星 687.0天 0.09 1°54' 逆时
木星 11.9^ 0.05 ri8f 逆时
土星 29.5 年 0.06 2*3〇, 逆时
天王星 84.咋 0.05 〇・48' 逆时
海王星 164.8年 0.01 「48' 逆时
表1.3
八大行星公转轨道 的特征
副.20 （左）
银河系
（三）银河系与河外星系
太阳和千千万万颗恒星组成庞大的恒星集团ーー银河系 （milky way galaxy） 〇在银河系中,像太阳这样的恒星有1, 000 多亿颗。银河系的直径为10万光年,太阳系与银河系中心的距离 大约为2. 7万光年（图1.20） 〇
在银河系之外,还能观测到其它与银河系类似的天体系统, 叫做河外星系,简称星系。星系有的由儿万颗恒星组成,有的则 由儿百亿,其至上千亿颗恒星组成。目前最大的望远镜可以观测 到超过10亿颗恒星以上的星系。
照1.9 （右）
哈伯太空望远镜所 拍撮到的宇宙最深 处影像
018
地球的宇宙环境
(四)总星系
通常天文学上把银河系和河外星系,合称总星系 (metagalaxy) 〇它是最高-・级天体系统,也是目前人们所能观 测到的宇宙部分(照1.9) 〇
L太阳本身是ー颗普通的恒星,但是在与地球的关系上,太阳并不是ー颗普通的 恒星。为什么?
月球、地球和太阳的关系
太阳系包含着地月系,因此月球、地球和太阳在绕转的过程 中,彼此相互影响,以至引起月相、ロ月食与潮汐等自然现象的 发生。
(-)月相及其变化
月球圆缺的各种形状叫做月相(phases of the moon)。月球 本身不发光,只反射太阳光。月球相对于地球和太阳运动,月、 地、日三者的相对位置不断变化,因此,地球上所见到的月球被 照亮的部分也在不断变化,从而产生不同的月相。
农历每月初一称为朔日,此时月球处在太阳与地球之间的 位置,并与地球、月球、太阳儿乎处在一条直线上,月球以黑暗 半面对着地球,人们便看不到月球。此时的月相称为新月(new moon) 〇
新月以后,月球被照亮的部分慢慢转向地球。农历每月初 三、初四,人们在傍晚的西半部天空,常常可以看到形如蛾眉的 月亮。此时的月相称为蛾眉月。
蛾眉月以后,月球被照亮的部分越来越多地转向地球。农历 每月初七、初ハ,月球和地球、太阳呈90° ,它的亮面和暗面各 一半面向地球,人们在前半夜的西半部天空,可以看到呈半圆形 的月亮。此时的月相称为上弦月。
上弦月以后,月球亮面一天天变大。农历每月十一、十二, 在傍晚的东部天空,可以看到大半个月球。此时的月相称为盈凸 月。
019
第一章I地球的宇宙环境
农历每月十五、十六称为望日,此时地球位于太阳与月球之 间,三者凡乎在一条直线上,月球的整个光亮面对着地球,人们 可以看到ー轮圆月。此时的月相称为满月（fullmoon）。
继满月之后,开始了月缺的过程,先后经历亏凸月、下弦 月和残月的变化。月相由缺到圆,再由圆到缺,这样循环ー个周 期,叫做一个朔望月,时间为29. 53H （图1.21） 〇
月相变化的周期性,提供了计量时间的尺度。古代的人们很 早就根据月相的变化来计时,阴历或农历就是以月相变化周期为 基础而来的。此外,从朔到上弦,上弦到望,望到下弦,下弦再 到朔,这种朔望两弦四相,每相7口的现象,就是星期这种计时 单位的起源（图1.22） 〇
图 1.22
月相的变化,农历 朔日到望日傍晩所 见的月亮（左｝;农 历望日到朔日清晨 所见月亮（右）。
图 1.21
月相的变化过程
上弦冃
«K 西
下弦m
馬 西
（二）日月食的形成和过程
当月球运行在太阳和地球之间,月球遮住了太阳,即为日食 （solar eclipse） 〇当地球处于太阳与月球之间,月球进入到地球 的阴影,便是月食（lunar eclipse） 〇由此可见,日食一定发生在 农历初・一,月食一定发生在农历十五或十六。但是,并非每月的 初一都有日食,每月的十五、十六都有月食。这是因为月球绕地
020
地球的宇宙环境I
球运行的轨道,与地球绕太阳运行的轨道不在ー个平面上,两个 轨道面斜交成5。09『的交角,而这个交角的方向和大小始终保 持不变。
图1.23中的四个小平面,是不同时间月球轨道面所在的位 置。当地球和月球处在位置A和C时,虽然是在望和朔的时刻,但由 于日、月、地三者不在同一平面的直线上,这时的月球阴影不会 落在地球上（图1.24）,地球的阴影也不会遮住月球（图1.25）, 所以不会发生食的现象。当地球和月球在位置B和D时,无论在望还 是朔,日、地、月三者基本都在同一平面的直线上,就会发生食 的现象。
从地球上看去,月球的公转方向是自西向东,因此,每次日 食总是从太阳光轮的西边缘开始,而月食则从月轮的东边缘开 始。口全食（或日环食）和月全食都经历初亏、食既、食甚、生 光和复圆五个阶段。 个阶段（图1.26） 〇
图 1.23
日月食发生的条件
日偏食或月偏食只经历初亏、食甚和复圆三 与日食相比,能观测到月食的机会较多,因
副.24 （左下）
日、月、地三球不 在同一平面的直线 上・所以日食不会 发生
副.25 （右下） 日、地、月三球不 在同一平面的直线 上,所以月食不会 发生
B A
可能发生日、月食 满月
月球轨道面
/ 地域轨道面
不会发生日、月食 满月’
ラAS’夹角
满目・
不会发生日、月食
满月 可能发生日、月食
C
D
021
第一章I地球的宇宙环境
副.26 （左） 月食五阶段及其 类型
照1.10 （右）
日食的类型
为月食的覆盖面较广,所以在地球上比较多区域的人可以同时观 测到月食（照 1. 10、1. 11、1.12） 〇
日全食是观测太阳色球和日冕变化的最佳时机,研究太阳外 层大气,对于认识太阳的物理状况、太阳活动的发展,以及它们 对地球气象条件的影响,都有重大意义。月全食的科学价值虽然 不如日全食,但从历史角度来看,月食是向人们展示地球是球形 的第一个证据。
•■（（八 〇（ *）»•
照1.11日全食变化过程图
生
日食和月食都是很平常的自然现象。日食就是太阳被月球遮蔽的现象;月食是月球
进入地球阴影,月面变暗的现象。
1. 为什么不是每个月都会发生日、月食?
2. 日食和月食在观测上主要有娜些不同?试说明原因。
3. 为什么月全食的月亮是红橙色的?
022
地球的宇宙环境I
（三）潮汐的形成
潮汐（tidal wave）是海水周期性的涨落现象,每天大约两 次。古人把白天海水的涨落称为潮,把夜晚海水的涨落叫做汐。 潮汐的形成与太阳和月球有关,同时也与地球本身的运动有关。
由于星球之间互有引力,因此假设整个地球都被海水包围 着,在万有引力与离心力的作用下,“水球”会被拉成像蛋形的 长球体。就地球上的某一点来说,海水会随着地球本身的自转运 动,大约在ー天内经历两次涨潮,两次退潮。
虽然太阳的质量远大于月球,但月球到地球的距离比较近, 所以月球的起潮力是太阳的两倍多。一般在朔或望时发生大潮, 因为当时月球、太阳和地球儿乎在一条直线上,太阳与月亮的起 潮力彼此相加,以至涨潮特别高,退潮特别低。因此有“初一、 十五涨大潮”的说法。上下弦的时候发生小潮,因为当时月球和 地球、太阳的位置呈90° ,太阳与月亮的起潮力彼此抵消了一部 分,因此有"初ハ、二十三,到处见海滩”的说法（图1.27） 〇图い］
丄弦月
下弦月
研究潮汐有利于人类活动的发展。例如,在涨潮时,打开盐 田的闸门,让海水流入,然后关闸晒盐;利用潮汐蕴藏的巨大能 照1.13 量,建立潮汐能发电站;修建港口或在岸边施工必须考虑当地的鶴海賈%* 潮汐形势;沿岸渔民则利用涨退潮捕捞渔获（照1.13）。 Ba园）
023
第一章I地球的宇宙环境
1.根据已学的知识,试解释大潮一般会发生在朔、望之后几日;小潮则发生在上 弦、下弦之后几日的原因?
练习题
选择题
1 “光年”是我们用来表示下列哪ー种测量值的单位?
2
A,时间
B,距离
C,亮度
D.质量
太阳的能量是如何产生的?
A.内部物质的核聚变
C,太阳风抛岀的太阳粒子流
B,黑子和耀斑的强烈活动
D,放射性元素衰变产生的热能
3 下列地理现象中,何者的产生与太阳活动密切相关?
A.酸雨 B.磁暴 C.沙暴 D.臭氧层空洞
4 中国的“嫦娥三号’’携带“玉兔”成功登月。“玉兔”月球车在无大气的月 面上行走时,最可能遇到的考验为何?
A.风吹雨打 B.荒漠沼泽 C.严寒酷热 D.雪山沟谷
5 下列哪个条件决定地球上具有适合生物繁衍的温度?
A,日地距离适中 B.卫星数量适当
C,地球的体积适当 D,地球的质量适当
6 宇航员登上月球后,除了太阳,他们还能看到什么景象?
A, 一片明亮,无法看见星星
B, 一片天蓝色,还有朵朵白云
C, 一片黑夜,能看见星星,但不会闪烁
D, 一片黑夜,能看见星星,且星星闪烁
7 彗星运转的轨道中布满了彗星的尘埃粒子,若地球运转到这附近时,就会形 成:
A.日食 B.极光 C,流星雨 D,地球上的磁暴
024
地球的宇宙环境I
8 为什么我们在地球上观测月球表面时,永远都只能看见月球的同一面呢?
A. 月球只有公转而没有自转
B. 月球自转周期和月球公转周期相同
C, 月球公转周期和地球公转周期相同
D, 月球公转周期和地球自转周期相同
9 将月球分为固定的A、B二面,下列哪ー张图才能代表其对地球公转的情形?
B. C.
g b>a
B
D.
成，A
10当地球上的人们能看到西部半个月面时,该月相称为:
A,新月 B.满月 C•上弦月
11月相的变化,具有下列哪些特征?
I月相变化的周期为29.53日 II下弦月时,月球的亮面朝西
n!农历是以月相变化的周期为依据!V满月时,地球位于太阳与月球之间 a. I、II、m b. I、、!V c. I、m、!V d. II > in. IV
12从朔日回复到第二个朔日,我们依次可见的正确月相盈亏的顺序为何?
D.下弦月
13当气象局发布某地台风警报,并预测将下三天的豪雨,试问沿海地区在哪ー 天最需要严防海水倒灌?
A.初五 B•初十 C,十五 D.二十
025
第一章I地球的宇宙环境
13下图为太阳、地球和月球轨道关系图。下列哪一情况出现时,最可能发生月 偏食?
A. 月球在乙、丙间运转时
B. 月球在甲、乙间或丙、丁间运转时
C. 月球由丙逐渐进入本影或由乙逐渐远离本影时
D. 月球由丁逐渐进入丙、丁半影内或由甲逐渐远离半影时
看图作答
下图是太阳外部大气结构示意图,读图回答下列问题:
1. 填写太阳的大气层名称:A.____ B._____ C.____
2. 太阳活动的主要表现:①是_____〇其数量变化的周期为_____〇
它的多少和大小可以作为太阳活动强弱的主要标志:②是_______〇它
是太阳活动最激烈的表现。
3. 当太阳活动增强时,太阳黑子会_______,这时,地球磁场会受到扰
动,产_______现象。
4. 2006年12月13010时40分前后,太阳特大耀斑爆发,受其影响出现的现象 是:
A. 各地都突发强烈的大风
B. 无线电短波信号出现大面积中断
C. 几分钟内天空中显现绚丽多彩的极光
D. 使到达地球的可见光增强,太阳辐射中的紫外线有所减少
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