11地球的宇宙环境

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宇宙
  1.主干知识
  (1)宇宙中有各种形态的物质,如星云、恒星、行星、卫星、彗星、流星体、星际物质等,统称天体。
  (2)恒星和星云是最基本的天体。
  (3)各种天体受彼此间的引力作用而相互绕转,构成不同级别的天体系统。
  (4)人类认识的宇宙范围在不断扩大。
  2.思维提示
  (1)天体的概念:宇宙是物质的,宇宙中有各种形态的物质。宇宙间物质的存在形式,统称天体。
  天体的大小、质量、光度、温度等方面存在很大差别。天体可以分为自然天体和人造天体两大类。
  天体天体
   (2)天体系统:宇宙处于不断的运动和发展之中。天体之间相互吸引和相互绕转,形成天体系统。目前,人们认识到的天体系统,从小到大排列,有以下几个层次:
  地月系:月球绕地球公转,构成地月系。月地平均距离为38.4万千米。
  太阳系:地球和水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星等行星,以及小行星、彗星、流星体等天体围绕太阳公转,构成太阳系。太阳是太阳系的中心天体,占有太阳系总质量的99.86%。冥王星是距离太阳最远的行星,它的轨道直径约为120亿千米。
  银河系:太阳和千千万万颗恒星又组成庞大的恒星集团,称为银河系。在银河系中,像太阳这样的恒星有2000多亿颗。银河系主体部分的直径约为8万光年。
  河外星系:银河系以外还有许许多多同银河系规模相当的天体系统,称为河外星系,简称星系。用目前最大的望远镜,可以观测到数以十亿计的星系,其中离我们最远的估计为150亿~200亿光年。
  总星系:天文学上把银河系和现阶段所能观测到的河外星系,合起来叫做总星系,这就是目前我们能观测到的宇宙范围。
  (3)人类对宇宙认识的发展:人类对宇宙的认识经历了漫长的时间。古代自然哲学所讨论的天文学的宇宙,不外乎大地和天空。
  16世纪哥白尼倡导的“日心说”,认为“太阳是宇宙的中心”,意味着宇宙实际上就是太阳系。
  18世纪天文学家引进“星系”一词,在一定意义上也不过是宇宙的同义词。19世纪人类发现了河外星系,认识到银河系在宇宙大家庭中只不过是相当渺小的一员。
  20世纪以来,尤其是60年代大型天文望远镜的使用,以及空间探测技术的发展,使天文观测的尺度大大扩展,达到上百亿年和上百亿光年的时空区域。
  近年又扩大到150亿光年。人们对宇宙的认识不断加深。
  3.能力提升
  你知道儿歌“太阳大,地球小,太阳带着地球跑;地球大,月亮小,地球带着月亮跑”吗?为什么?这说明了宇宙空间的天体系统有不同的级别和层次,小的天体系统组成大的天体系统,简单的天体系统组成复杂的天体系统。
  各种天体系统的层次和级别可用下面的图表(图1-2)来表示:
  目前认识到的宇宙总星系天体系统

  
  图1—2

太阳
  (一)太阳系
  1.主干知识
  (1)太阳是太阳系的中心天体,它的质量占整个太阳系的99.86%。在太阳的引力下,其他天体绕日运动。
  (2)太阳系的九大行星绕日公转具有同向性、共面性、近圆性的特征。
  (3)太阳内部物质,经核聚变反应产生巨大能量,成为一个炽热的气体球,源源不断地向外辐射能量。
  2.思维提示
  (1)太阳是太阳系的中心天体,它的质量占整个太阳系的99.86%。在太阳的引力下,太阳系的水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星等九大行星及其卫星、小行星、流星体、彗星、行星际物质不断绕日运动共同构成太阳系。见下面的太阳系模式图。


  (图l—3)

  (2)太阳是由氢和氦组成的炽热的气体球。太阳的内部有1500万度,2500亿个大气压,在这样的高温高压下,发生核聚变反应,由一个氢原子核聚变成一个氦原子核,损失一部分质量,产生巨大的能量。太阳能量的产生可用下面的公式表示:
  
  3.能力提升
  从下面两幅九大行星相关参数比较我们可以得出:

行星

与太阳的距离(地球=1

质量(地球=1

体节(地球=1

字转周期

公转周期

表面平均温度(℃)

类地行星

水星

0.387

0.05

0.056

58.6

87.9

白天350夜晚—170(固体表面)

金星

0.723

0.82

0.856

243

224.7

33(云)480(固体表面)

地球

1.00

1.00

1.00

23 小时56

1.0

22(固体表面)

火星

1.52

0.11

0.15

24小时37

1.9

23(固体表面)

巨行星

木星

5.20

317.94

1316.00

9小时50

11.8

180(云)

土星

9.5

95.18

745.00

10小时14

29.5

220(云)

远日行星

天王星

19.20

14.63

65.20

32小时54

84.0

220(云)

海王星

30.10

17.22

57.10

17小时48

164.8

150(云)

冥王星

39.40

0.0024

0.009

69小时

247.5

230

九大行星公转轨道的相关参数比较

行星

水星

金星

地球

火星

木星

土星

天王星

海王星

冥王星

轨道面与地球公转轨道面夹角(°)

7.0

3.4

0

1.9

1.3

2.5

0.8

1.8

17.1

公转轨道偏心率*

0.206

0.007

0.017

0.093

0.048

0.005

0.051

0.006

0.256

  *偏心率是指焦点到椭圆中心的距离与椭圆半长轴之比,它决定椭圆的形状,偏心率越小,椭圆越趋近于圆。
  (1)结构特征的共性
  依据质量、体积和距日距离把九大行星分为三类:
  类地行星,即类似于地球的行星;
  巨行星,质量、体积都很大的行星;
  远日行星,即距离太阳较远的三颗行星。
  (2)运动特征
  同向性:九大行星的公转方向相同,都是自西向东,从北极星方向看呈逆时针方向。
  共面性:九大行星的公转轨道面与地球的公转轨道面几乎在同一个平面内。即轨道倾角很小,最大的水星、冥王星也只有7.0°和17.1°。
  近圆性:九大行星的公转轨道同圆相近,其偏心率较小。
  (二)太阳活动及太阳对地球的影响
  1.主干知识
  (1)太阳大气层时常发生变化,有时甚至较为剧烈,这些变化统称为太阳活动。
  (2)太阳活动包括光球层上的黑子和色球层上的耀斑。
  (3)太阳活动的标志:黑子,其活动周期是11年。
  (4)日地距离:一个天文单位,约1.5亿千米。
  (5)太阳是地球上能量最主要来源。
  (6)太阳活动对地球的自然环境和人类活动具有一定的影响。
  2.思维提示
  (1)太阳活动的类型

类型

概 念

成 因

特 点

位置

黑子

太阳光球上的暗黑的斑点

黑子实际上并不黑,只是因为它的温度比太阳表面其他地方低,所以才显得暗一些

太阳活动的主要标志;

  周期性变化,其常见周期为11

光球

耀斑

太阳色球有时出现的突然增大、增亮的斑块

太阳一段时间内释放出巨大能量造成的

耀斑爆发是太阳活动的最激烈的显示

色球

太阳风

(略)

日冕

  (2)太阳是地球上能量的最主要的源泉
  太阳是距离地球最近的一颗恒星平均距离是1.5亿千米(天文学上称之为一个天文单位),太阳光到达地球需要大约8分钟。太阳是一个巨大炽热的气体球,表面温度很高,源源不断地以电磁波的形式向四周放射能量,其中有22亿分之一到达地球,对地球产生巨大的影响。
  对地理环境形成和变化的影响太阳直接为地表提供光能和热能;维持地表温度,为生物繁衍生长、大气和水体运动等提供能量。
  太阳辐射→
  太阳辐射对人们生产和生活的影响
  一是人们可直接利用太阳能,如植物的生长需要光和热,晾晒衣服需要阳光。世界各国正在探索和研究对太阳能的利用,尤其是大规模的太阳能发电。目前利用较多的如太阳灶、太阳能干燥器、小型太阳能发电站等。
  二是可利用地质历史时期固定积累下来的太阳能,即由太阳能转化形成的煤、石油等化石燃料,它们被称为“储存起来的太阳能”。
  (3)太阳活动对地球的影响
  对地球气候的影响。太阳活动与地球上气候变化之间的因果关系,目前虽未查明,但从统计材料分析,二者肯定是有联系的。例如,下图世界许多地区降水量的年际变化,与黑子的11年周期有一定的相关性(图1—4)。


图1—4

  对地球电离层的影响。耀斑爆发时发射的电磁波进入地球电离层,会引起电离层的扰动。此时在电离层传播的短波无线电信号会被部分或全部吸收,从而导致通讯衰减或中断。例如,1989年3月发生的几十个强烈耀斑活动,引起短波通讯15次突然中断,24次全部中断。
  对地球磁场的影响。地球上存在着磁场。当太阳活动增强时,太阳大气抛出的带电粒子流,能使地球磁场受到扰动,产生“磁暴”现象,使磁针剧烈颤动,不能正确指示方向。
  另外,太阳活动还与气象、地震都有一定的相关性。
  由于太阳活动对地球的影响很大,世界各国都十分重视对太阳活动的观测和预报,以便有关部门及早做好准备,把太阳活动可能造成的不利影响减小到最低程度。
  3.能力提升
  俗语说:“上看天,下看地,天地之间有联系。”我们地球上的降水与太阳活动有一定的相关性。上图太阳黑子与年降水量相关性分析(课本第7页“太阳黑子与年降水量的相关性”图):
  分析:该组图上中下三部分表示北半球三个不同纬度的降水量和太阳黑子的相关性。每部分图中的两条曲线,红色表示三个不同纬度地区实测的年降水量的分布,蓝色表示的是三个不同纬度地区实测的太阳黑子相对数的变化。
  三个地区降水量的年际变化与太阳黑子相对数的年变化有一定的相关性,但每个地区两者的相关性并不完全一致,如70°~80°N,157°W~81°E测站两者全部为正相关(两条线基本重合、一致),60°~70°N,166°W~41°E测站两者全部为负相关(两条线呈分离状态),50°~60°N,177°W~150°E测站的若干时段内是负相关,若干时段内是正相关。仔细分析可看出,两者的变化周期大体为11年,即与太阳黑子、耀斑出现的周期是基本上一致的。

地球
  1.主干知识
  (1)地球是太阳系中一颗普通的行星。
  (2)地球是一颗特殊的行星,是目前所能探测到的宇宙环境中唯一存在生命的天体。
  2.思维提示
  (1)地球所处的宇宙环境有利于生命的出现。
  从恒星际空间来看,太阳周围的恒星际空间比较有利于太阳的稳定,太阳的稳定一光照的稳定,有利于地球上生命的产生和演化。
  从行星际空间来看,地球附近的行星际空间,大、小行星绕日公转方向一致,而且绕日公转轨道面几乎在一个平面上。大、小行星各行其道,互不干扰,使地球处于一个比较稳定的安全的宇宙环境之中,有利于地球上生命的产生和演化。
  但是在太阳系中的其他行星也处于同样一个宇宙安全环境之中,为什么生命只出现在地球上呢?这就要从地球本身来找原因了。
  (2)地球本身在太阳系中所处的位置、体积、质量和其内部物质运动等方面的特征满足了生命所需要的温度、液态水、大气等条件。
  地球与太阳之间的距离适中,使地球上有适于生命物质存在的温度条件。
  地球的体积和质量适中,其引力可使大量气体聚集在地球周围,形成包围地球的大气层。当然,这里要注意的是地球原始大气又经过漫长的大气演化过程,才形成了现在以氮和氧为主的适合生物呼吸的大气。
  地球上早期海洋环境的形成:地球内部放射性元素衰变致热和原始地球重力收缩,使地球内部温度升高,结晶水汽化。地球内部的物质运动,加速了水汽从地球内部逸出的过程。随着地表温度的下降,水汽经过凝结、降雨,落到地面低洼处,形成原始的大洋。海洋是生命的“摇篮”,地球上最初的单细胞生命,就出现在海洋中。
  3.能力提升
  总结:地球上存在生命物质的条件。


作者:along 来源:本站原创 发布时间:2005年07月28日
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