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1、第二章 地球的宇宙环境,地球人类的家园,一、宇宙的形成,1、大爆炸理论宇宙是150亿年前从一个极小的点（奇点，集聚巨大物质和能量的无限小的点。）诞生的，从那里诞生了时间和空间、质量和能量，从而由物质小微粒聚集成大团的物质，最终形成星系、恒星和行星等。在大爆炸发生前，宇宙中没有物质，没有能量，甚至没有生命。但是，大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样，或者说发生这次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理论，宇宙没有开端。CMB是从各个方向袭击地球的持续的电磁声波。这些遥远的声音是大爆炸之后的遗留辐射。CMB也叫做宇宙背景辐射和微波宇宙背景。 2、宇宙膨胀理论天文观测到的所有星系都在四
2、散离开，彼此之间间隔在扩大，所以假设宇宙整体在持续膨胀。 3、平行宇宙并非一种比喻。空间似乎是无限的。如果真是这样，一切可能会发生的事情必然会发生，不管这些事有多荒唐。在比我们天文观测能企及范围远得多的地方，有和我们一摸一样的宇宙。,二、宇宙的形状,1.宇宙为球形：光是由物质发出的球面波，在宇宙大爆炸瞬间，由奇点发出的第一列球面光波，以30万公里/秒的光速向周围传播，至今已经150亿年了。由于光速是一切物质运动速度的最大极限，因此大爆炸产生的第一列光所到之处便是宇宙的边缘，结论：宇宙的形状为，大爆炸产生的第一列光笼罩下的好大一个圆球！ 2.宇宙半径约为1.41912*10的19次方万公里： 由
3、于宇宙是个圆球，只要我们计算出它的半径便知道宇宙有多大。宇宙半径指得是，发生大爆炸的奇点至第一列光所到之处的直线距离。根据距离=速度*时间的公式，宇宙半径=光速*宇宙形成时间=1.41912*10的19次方万公里。 3、一组科学家指出该结果与一个有限大小的足球形状的宇宙吻合。如果宇宙是有限的，光由一点发出沿很多方向都会最终回到出发点。这种效应将会产生宇宙的重复镜象，就象我们在一个充满镜子的房间中看到的那样。这样就给出了验证宇宙是否为有限的一个判据。（平行宇宙）,宇宙的有限无限,1、有许多证据表明，宇宙还在继续膨胀。目前我们探测到的最远天体，已超过150亿光年，但那里仍然不是宇宙的尽头，宇宙似乎
4、有无限的空间。不过，多数科学家趋向于认为，“宇宙有限，但无尽头”。因为如果宇宙确实是由大爆炸从“无”膨胀起来的，它不可能是无限的，只能是一个有限的三维空间，就像膨胀的气球总有一个一定的体积，威力巨大的氢弹爆炸总有一个可算出的影响范围一样。但是，宇宙确实没有尽头，我们找不到宇宙的边缘。 2、科学家们从宇宙的形状上去解开“宇宙有限，但无尽头”之谜。以球形的地球表面来说，从任何一点出发一直往前走，我们找不到地球的边缘，但可以回到原来的出发点。这说明二维空间的地球表面没有尽头，但却是有限的。如果宇宙是一个三维空间的球体，那么，在这个球体中的任何一点，不管从上下左右前后哪个方向前进，我们找不到边缘，但可
5、以回到原来的出发点。不过，科学家们认为，宇宙不一定是一个球体，也可能是轮胎形、克莱因瓶形或其它什么形状。,三、宇宙的组成,1、天体与人造天体 1、一个脱口而出的答案是：由那些亮晶晶的星星组成的。但在最近几十年中，科学家越来越发现这个答案是不正确的。天文学家认为，组成恒星、行星、星系当然还有我们的物质，或者叫普通物质，只占宇宙总质量的不到5。他们估计，另外25，可能是由尚未发现的粒子组成的暗物质。剩下的70呢？天文学家认为那可能是暗能量让宇宙加速膨胀的力量。暗物质和暗能量的本质是什么？科学家正在用加速器和望远镜寻找这些问题的答案，如果找到了，其意义肯定是宇宙级的。 2、暗能量是宇宙的斥力大于引力
6、后导致宇宙加速向外扩张；而黑洞则使物质集聚，连光都不可逃逸。 3、行星： 我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有九颗大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除了大行星以外，还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。他们都是离我们地球较近的，是人们了解的较多的天体。,天体:宇宙中恒星、星云、行星、流星、彗星及其它星际物质的总称,人造天体:人工研制并用宇宙飞船或航天飞机或运载火箭运送到宇宙空间的物体的总称,恒星太阳,恒星就是由炽热的气体组成、能自己发光的球状天体,太阳系,地月系,银河系,太阳系,银河系,河外星系,人马座三叶星云,猎户座马头状
7、星云,狐狸座哑铃状星云,流星雨,彗星,4、恒星和星云： 晴夜，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，他们绝大多数是恒星，恒星就是象太阳一样本身能发光发热的星球。我们银河系内就有1000多亿颗恒星。 5、恒星常常爱好“群居“，有许多是“成双成对“地紧密靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，这称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚在一起，称为聚星。如果是十颗以上，甚至成千上万颗星聚在一起，形成一团星，这就是星团。银河系里就发现1000多个这样的星团。 6、在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星-变星。它们有的变化很有规律，有的没有什么规律。现在已发现了2万多颗变星。有时侯天空中会突然出现一颗
8、很亮的星，在两三天内会突然变亮几万倍甚至几百万倍，我们称它们为新星。还有一种亮度增加得更厉害的恒星，会突然变亮几千万倍甚至几亿倍，这就是超新星。 7、星云：星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，如有名的猎户座星云。在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，还有些什么呢？是绝对的真空吗？当然不是。那里充满着非常稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展，人们必定可以发现越来越多的新天体。,8、流星：行星际空间小而暗的尘粒和固体物质。当闯入地球大气层时，与大气发生剧烈摩擦而发光，产生短暂而明亮的光迹，称之谓流星。流星分偶发流星和流星群两类。偶发流星是单个的、零星
9、的、彼此无关的，出现时间和方向没有规律，一般下半夜流星多于上半夜，而且亮一些。流星群是指集合在同一轨道上围绕太阳旋转的流星体群，它们可能是彗星瓦解后的破碎物，在轨道上分布不均匀。当地球穿过这些流星群的密集部分时，流星从天空的某一点向四周放射而出，好像下雨一般，人们称这种流星群为“流星雨”。英仙座、狮子座与其他星座相比，“流星雨”较多，是著名的流星群星座。 9、彗星是一种绕太阳运行、质量较小的云雾状小天体。为纪念英国天文学家哈雷，首次利用万有引力定律推算一颗彗星的轨道，并预言它将以76年为周期绕太阳运转，而命名这颗彗星为哈雷彗星。彗星由彗头和彗尾构成，彗头包括彗核、彗发和氢云，彗核由比较密集的固
10、体块和质点组成，其周围的云雾状光辉叫彗发，氢原子云分布在彗头的外围。彗尾由极稀薄的气体和尘埃组成，当彗星接近太阳时，组成彗尾的物质，受太阳风的辐射压力，朝着背向太阳的方向延伸，形状像扫帚，因此，彗星俗称扫帚星，我国古代称它为“妖星”。,10、银河系及河外星系： 随着测距能力的逐步提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立了立体的观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河。它包含两重含义，一是了解了银河的形状，二是认识了河外天体的存在。 银河系是太阳所属的一个庞大的恒星集团，约包括1011颗恒星。这种恒星集团叫星系。银河系中大部分恒星分布成扁平的盘状。盘的直径为25kpc（千秒差距，1秒差距
11、3.26光年3.09亿亿米），厚度约为2kpc。盘的中心有一球状隆起，称为核球。盘的外部由几条旋臂构成。太阳位于其中一条旋臂上，距离银心约7kpc。银盘上下有球状的延展区，其中恒星分布较稀疏，称为银晕。晕的总质量约占整体的10%，直径约为30kpc。我们的太阳，就其光度，质量和位置讲，都只是银河系中一个极普通的成员。,四、太阳和太阳系,（一）太阳系的组成： 太阳系家族是由太阳、九大行星、几十颗卫星、成千上万颗小行星和为数众多的彗星、数不清的流星体以及充满太阳系空间的行星际物质等构成的天体系统。 太阳系疆域极为辽阔。如以冥王星作为太阳系边界的话，它到太阳的距离是天文单位，约合亿千米。假如乘坐时速
12、千米的高速飞机，从太阳到冥王星要连续飞行年！ 太阳是太阳系的中心天体，太阳系所有的成员都围绕着太阳旋转。 九大行星距离太阳由近及远的顺序是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。木星个头最大，是行星中的“老大哥”。而冥王星最小，是行星中的“小弟弟“。除水星和金星以外，另外七颗行星都有自己的卫星。卫星中以土卫六直径最大，约千米，比水星还大。 彗星是太阳系中形状最为奇特，多变的一员。接近太阳时，彗头直径有的大到万千米以上，彗尾更是长达上千万千米甚至更长， 真是一个庞然大物，然而它的平均密度竟比人造真空低得多。10亿颗，每年仅见几颗或几十颗。 流星体平常看不见，只有当它们闯入地
13、球大气层时，与大气摩擦并燃烧，就在天空中留下了一道耀眼的亮光，这就是我们看到的流星。每年落到地面的没有燃尽的流星体不下万吨，绝大多 数只有针尖般大小，有些质量较大的流星体， 没烧完就落下来，这就是陨星。 行星际物质极为稀薄，它们大多集中在黄道附近。,（二）太阳系的起源：太阳系形成至今至少有46亿年。这一点已被公认，然而，太阳系的成因尚属探讨中的问题。太阳系由何而来？至今已有五十多种不同的学说或假设，但就其实质而言，大致可归结为两大阵垒-灾变说和星云说。灾变说的实质是认为太阳系大体是在一次突然的巨大的剧变中产生的，太阳先于行星和卫星形成；星云说则主张整个太阳系包括太阳都是由同一块星云物质凝聚而成
14、的。从最近半个世纪的发展看来，星云说取得了很大的进展，占据了主导地位。 1、最早的灾变说是法国动物学家布丰（George Louis Leclerc de Buffon）在1745年提出的。他认为，太阳比行星先形成，太阳形成后，曾经有一个彗星“掠碰”（擦边而过）到它，使太阳自转起来，同时碰出了不少物质。这些物质一部分落回太阳，一部分脱离太阳的引力飞走了，还有一部分则绕太阳旋转起来，后来形成了行星。根据我们现在对彗星的认识，这种观点显然是不成立的，但在布丰的时代，彗星被认为是质量巨大的天体。 2、大约亿年前，太阳系还是一团弥漫的缓慢转动的气体云。由于其他天体的引力扰动或邻近超新星爆发的冲击波，这
15、块气体云开始坍缩，稠密的核心变为原始太阳，周围旋转的尘粒和气体原子，形成一个薄盘-原太阳星云。如同原始星系云会分裂为众多恒星一样，类似的物理过程也会将原太阳星云分裂为大量引力束缚的团块（星子），星子具有小行星的尺度，其中一部分就是今天的小行星和彗核，另一部分通过碰撞合并长大成星胚。这些星胚继续吸积周围的物质，像滚雪球一样最后变为大行星及其卫星。,（三）太阳： 1、 太阳是一颗普通恒星, 银河系中共有约1亿颗这样的恒星。直径: 1,390,000 千米.质量: 1.989e30 千克 温度: 5800 开 （表面)15,600,000 开 (核心) 太阳是太阳系中最大的物体. 它拥有全部太阳系质
16、量的99.8% (木星具有剩余的大部分质量)。 太阳的质量由75%氢和25%氦组成(原子数量的92.1%为氢，7.8%为氦); 其他物质 (“金属”)的数量总合仅为0.1%。在太阳核心区氢转化为氦，而这些量的改变很慢。 2、太阳的外表面被称作光球，温度约为5800开。太阳黑子属于太阳上“凉爽”的地方，仅为3800开（它们之所以看起来比较暗是因为与周围地区比较的缘故）。太阳黑子可以很大，直径可达50,000公里。太阳黑子的产生是由于复杂且目前又不为人所掌握的来自太阳磁力区的作用所产生的。 3、处在光球之上的一个小范围被称作色球。在色球之上即阔又稀的物质称为日晕，向太空绵延数百万公里，日晕的内部温度超过1,000,000开。 4、太阳的磁场作用力极大（按地球标准）并且十分复杂。它的磁层范围甚至大大超过了冥王星。,5、除了光和热，太阳也发散一种低密度的粒子流（多半为电子和质子）形成太阳风，以450公里/秒的速度在太阳系中传播。太阳风和高能量粒子在太阳上闪光时
