1.1.1　地球的宇宙環(huán)境　拓展探究

1．材料：宇宙就是天地萬(wàn)物的總稱(chēng)。宇宙一詞最早出現于戰國時(shí)代尸校的《尸子》一書(shū)中。尸校認為：“上下四方曰宇，往古來(lái)今曰宙。”這樣，我們可以知道“宇”是表示空間，“宙”是表示時(shí)間�？臻g和時(shí)間的概念，隨著(zhù)歷史的演進(jìn)而逐漸發(fā)展。宇宙的界限，隨著(zhù)天文學(xué)的進(jìn)步而逐漸擴大。我們的祖先由于受條件的限制，只能用眼睛觀(guān)測大地萬(wàn)物，因而錯誤地認為宇宙是有邊界的，所以人們常說(shuō)“近在眼前，遠在天邊”。雖然先祖關(guān)于宇宙邊界的認識有失偏頗，但他們在2300多年前就巧妙地把時(shí)間和空間結合在一起，這一點(diǎn)是值得肯定的。而歐洲在中古以前，還是把空間與時(shí)間割裂開(kāi)來(lái)的。關(guān)于宇宙的思想，我們的祖先要比當時(shí)的西方人豐富得多。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，觀(guān)測工具日益先進(jìn)，人們對宇宙的認識逐步加深，從太陽(yáng)到太陽(yáng)系，再擴展到銀河系、河外星系、星系團、總星系�，F已能觀(guān)測到200多億光年的宇宙深處，這個(gè)范圍內包含了10億個(gè)以上的星系。
　　問(wèn)題：你所認識的宇宙是怎樣的？你能說(shuō)出人類(lèi)認識宇宙經(jīng)歷了一個(gè)怎樣的過(guò)程？
　　我的思路：盡管每個(gè)人對宇宙的認識水平不同，認識能力也有差別，但對宇宙認識總有一些共同點(diǎn)，如宇宙是物質(zhì)的，物質(zhì)走運動(dòng)的，宇宙處于不斷的運動(dòng)和發(fā)展之中。天體之間相互吸引和相互繞轉，形成天體系統。目前，人們認識到的天體系統，從小到大排列，有以下幾個(gè)層次：地月系—太陽(yáng)系—銀河系—總星系。
　　人類(lèi)對宇宙的認識經(jīng)歷了漫長(cháng)的時(shí)間。古代自然哲學(xué)所討論的天文學(xué)的宇宙，不外平大地和天空。16世紀哥白尼倡導的“日心說(shuō)”，認為“太陽(yáng)是宇宙的中心”，意味著(zhù)宇宙實(shí)際上就是太陽(yáng)系。18世紀天文學(xué)家引進(jìn)“星系”一詞，在一定意義上也不過(guò)是宇宙的同義語(yǔ)。20世紀以來(lái)，尤其是60年代大型天文望遠鏡的使用，以及空間探測技術(shù)的發(fā)展，使天文觀(guān)測的尺度大大擴展，達到上百億年和上百億光年的時(shí)空區域。人們對宇宙的認識不斷加深。
2．材料：1972年8月7日太陽(yáng)出現耀斑大爆發(fā)。爆發(fā)后，強烈的太陽(yáng)X射線(xiàn)、紫外線(xiàn)和射電伴隨著(zhù)大量帶電粒子流連續猛烈轟擊地球達一個(gè)星期之久。其中在爆發(fā)開(kāi)始后5小時(shí)之內有一股粗約16千米、長(cháng)達7000多萬(wàn)米的帶電粒子流，以每秒6500千米的速度闖進(jìn)地球大氣層，頓時(shí)引起地球電離層和地磁場(chǎng)變化。當時(shí)幾乎所有的飛機和輪船上的磁羅盤(pán)指針都顫動(dòng)起來(lái)，全世界的短波無(wú)線(xiàn)電通訊徹底中斷，極區出現明亮的極光。在一些地區甚至影響到電力線(xiàn)路，致使電燈忽明忽暗，仿佛發(fā)生了強烈的雷暴。至于弱電儀器和電子設備更是變化無(wú)常，不能正常工作。
　　太陽(yáng)活動(dòng)對地球除爆發(fā)性影響之外，還有人從歷史記載的統計中得出太陽(yáng)活動(dòng)起伏，可能與氣候、氣象、江河水位，甚至地震等很多方面有關(guān)系。例如，有人經(jīng)研究認為，太陽(yáng)黑子數的變化與自然災害活躍期有一定關(guān)系，與我國地震活躍期和嚴重洪澇和其他自然災害有一定關(guān)聯(lián)。1909、1931、1954、1975年是太陽(yáng)黑子的雙周期，這些雙周期剛好就在奉世紀4個(gè)地震活躍期中，而雙周期及其前后又是我國長(cháng)江、黃淮流域出現特大洪澇或其他自然災害的時(shí)期。當然，太陽(yáng)活動(dòng)對地球的這種影響十分復雜，至今還沒(méi)有整理出比較確切可靠并可資利用的統計規律，其物理機制是怎樣的也還沒(méi)有搞清楚。
　　問(wèn)題：閱讀上述材料回答：太陽(yáng)活動(dòng)主要類(lèi)型有哪幾種？對地球有哪些影響？
　　我的思路：這是一個(gè)與現實(shí)密切結合的問(wèn)題。太陽(yáng)大氣層時(shí)常發(fā)生變化，有時(shí)甚至較為劇烈，這些變化統稱(chēng)為太陽(yáng)活動(dòng)。它包括光球層上的黑子和色球層上的耀斑，太陽(yáng)的黑子數的增減常作為太陽(yáng)活動(dòng)強弱的標志，耀斑是太陽(yáng)活動(dòng)最激烈的顯示，二者往往相伴出現，活動(dòng)周期都是11年。
　　通過(guò)上面的材料，我們很容易找出太陽(yáng)活動(dòng)的主要類(lèi)型有黑子和耀斑兩種。至于對地球的影響具體有好多方面，需要我們分析、歸納總結。一般思路是：先找出材料中給出了哪些影響，然后再將這些影響分類(lèi)整理，結合教材進(jìn)行分析。太陽(yáng)活動(dòng)對地球的影響包括對地球自然環(huán)境的影響和對人類(lèi)活動(dòng)的影響兩大方面，具體來(lái)說(shuō)主要影響有：太陽(yáng)活動(dòng)會(huì )對地球上的大氣產(chǎn)生影響，出現氣候異常；太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的短波輻射和粒子流對地球的電離層產(chǎn)生擾動(dòng)，影響地面無(wú)線(xiàn)電短波通信；當太陽(yáng)活動(dòng)增強時(shí)，太陽(yáng)大氣拋出的帶電粒子流能使地球磁場(chǎng)受到擾動(dòng)，產(chǎn)生“磁暴現象”使磁針劇烈顫動(dòng)，不能正確指示方向；另外，太陽(yáng)活動(dòng)還與氣象、地震都有一定的相關(guān)性。
3．材料：今年（2004年）年初，美國宇航局發(fā)射火星車(chē)“勇氣”號及其孿生兄弟“機遇”號相繼在火星上著(zhù)陸，它們的主要使命是研究火星上是否有過(guò)水。“機遇”號在對著(zhù)陸的火星“梅里迪亞尼平面”進(jìn)行探測的過(guò)程中，發(fā)現了這一區域歷史上部分被液態(tài)咸水覆蓋的證據。“勇氣”號此前也在“古謝夫環(huán)形山”其他地方找到水曾存在過(guò)的蛛絲馬跡。
　　盡管火星車(chē)還沒(méi)有找到火星存在有機生物的直接證據，但是美宇航局科學(xué)家稱(chēng)，“機遇”號火星車(chē)找到了火星上曾經(jīng)存在液態(tài)水的證據。根據對火星車(chē)探測到的巖層以及其他礦石狀況的數據分析，科學(xué)家發(fā)現火星車(chē)所在區域的一些巖層表面有被水浸泡的跡象，這些發(fā)現支持這樣一個(gè)結論，當這些巖層形成時(shí)，當時(shí)火星的環(huán)境可能適合有機生物體的存在和繁衍，當然，這個(gè)結論并不表明火星上存在過(guò)生命，因為還沒(méi)有直接證據。
　　問(wèn)題：你認為火星上可能有生命嗎？同樣是太陽(yáng)系的成員，為什么地球上有生命？
　　我的思路：探索地外文明，尋找地球以外的生命是宇宙探索的一個(gè)重要課題，也是人類(lèi)長(cháng)期的夢(mèng)想之一。據科學(xué)家研究，生命是起源于水中，因此尋找水，特別是液態(tài)水就成了尋找生命的前提�；鹦巧显�經(jīng)有水的痕跡，也激起了人們對火星生命的企望。不過(guò)，到現在為止人們還沒(méi)有在火星上發(fā)現有任何生命活動(dòng)的證據。盡管火星和地球同屬于太陽(yáng)系的九大行星之一，也屬于類(lèi)地行星，和地球相比有許多共性，但卻沒(méi)有地球上存在生命物質(zhì)的條件。
　　地球上存在生命物質(zhì)的條件有：地球附近的行星際空間，大、小行星繞日公轉方向一致，而且繞日公轉軌道面幾乎在一個(gè)平面上。大、小行星各行其道，互不干擾，使地球處于一個(gè)比較穩定的安全的宇宙環(huán)境之中；太陽(yáng)比較穩定，使地球所處的光照條件比較穩定，生命從低級向高級的演化沒(méi)有中斷；地球在太陽(yáng)系中的位置適中，使之具有人類(lèi)適宜的溫度條件；地球的體積和質(zhì)量適中，使其能吸引住大氣，并經(jīng)過(guò)漫長(cháng)的演化形成了適宜生物呼吸的大氣；地球的內部結構和物質(zhì)運動(dòng)使其具有人類(lèi)不可或缺的生命之源——水的形成和存在。

4、材料：自1975年以來(lái)，約有4600顆廢棄衛星及同樣多的失事火箭及其他航天器的碎片在近地軌道上游蕩，它們中雖然每天有2～3顆脫離軌道進(jìn)入大氣盡被燒毀，但仍以每年200～300件的速度增加。它們的運行速度是炮彈飛行速度的幾十倍，所以對航天器造成巨大威脅。1996年1月，在太空飛行的美國“奮進(jìn)”號航天飛機為避免與一個(gè)失效衛星發(fā)生碰撞，機上宇航員不得不對航線(xiàn)進(jìn)行調整。1995年，日本宇宙事業(yè)開(kāi)發(fā)團發(fā)射的大空實(shí)驗觀(guān)測自由飛行器，在太空運行8個(gè)月后被“奮進(jìn)”號航天飛機收回，經(jīng)檢查，其外殼被太空垃圾撞擊布滿(mǎn)麻坑。1983年一小塊剝落的油漆曾撞壞“挑戰者”號航天飛機的前窗。目前人類(lèi)發(fā)射的航天器在地面監控中心與宇航員密切配合下可及時(shí)躲避太空垃圾，而人造衛星則難以躲避。人類(lèi)現在正研制限制大空垃圾、減少危害的方法，這同樣需要世界各國的共同努力，一起來(lái)保護宇宙環(huán)境。
　　面對這些存在于大空之中的潛在危險，科學(xué)家們大聲疾呼，“保持太空清潔！”
　　問(wèn)題：現在你是中學(xué)生，將來(lái)可能成為一名航天科學(xué)家，現在你以一名未來(lái)航天科學(xué)家的身份，向有關(guān)部門(mén)提出建議，告訴他們保持太空清潔的重要性，太空垃圾是怎樣產(chǎn)生的，怎樣保持太空清潔？
　　依據：人類(lèi)向宇宙空間發(fā)射的各種航天器，固然有十分重大的科研和應用價(jià)值，但是不可避免地會(huì )產(chǎn)生空間垃圾，例如：工作壽命終止的航天器、因意外或有意爆炸產(chǎn)生的碎片，以及宇航員扔出飛船艙外的垃圾等。這些空間垃圾大約以每年10％的速度增加，而且體積越來(lái)越大。由于空間垃圾和航天器之間的相對速度很大，一般為每秒幾千米至每秒幾十千米，因此，即使輕微的撞擊，也會(huì )造成航天器的重大損壞。
　　現在，航天專(zhuān)家們已經(jīng)開(kāi)始研究限制太空垃圾的產(chǎn)生，以及清除太空垃圾的方法。例如：將停止工作的衛星推進(jìn)到其他軌道上去，以免同正常工作的衛星發(fā)生碰撞；用航天飛機把損壞的衛星帶回地球，以減少空間的大件垃圾。
　　拓展：宇宙資源主要有空間資源、太陽(yáng)能資源、礦產(chǎn)資源。人們利用宇宙空間這個(gè)特殊環(huán)境，通過(guò)人造衛星可從遠距離觀(guān)測地球，迅速、大量收集地球的各種信息。宇宙具有的失重、高真空、超凈和極端溫度等條件是生產(chǎn)某些特殊物品所必需的，如太空育種、太空冶金等。

5、太陽(yáng)活動(dòng)對人類(lèi)影響有多大？
　　2004年的2月底到3月初，日面上出現了兩個(gè)大太陽(yáng)黑子群。許多人在早晨和傍晚都以肉眼看到了它們。一些新聞媒體進(jìn)行了報道。隨之，不少新聞媒體報道有關(guān)太陽(yáng)活動(dòng)對人類(lèi)的影響。報道中有些不實(shí)之詞，甚至聳人聽(tīng)聞�，F在，太陽(yáng)正處在它的第23個(gè)活動(dòng)高峰期，日面上黑子群相當多。經(jīng)常會(huì )出現大太陽(yáng)黑子群，這是很正常的。2月底到3月初的兩太陽(yáng)黑子群雖然大，但并沒(méi)有發(fā)生太強烈的太陽(yáng)爆發(fā)，對地球影響不大。
　　人們常說(shuō)，太陽(yáng)是萬(wàn)物之源，萬(wàn)物生長(cháng)靠太陽(yáng)。太陽(yáng)給地球帶來(lái)了光明和溫暖，給人類(lèi)以生存的條件，創(chuàng )造了人類(lèi)生活的美好環(huán)境。但是，太陽(yáng)活動(dòng)特別是大爆發(fā)確實(shí)會(huì )影響和破壞地球環(huán)境，特別是近地空間環(huán)境。如太陽(yáng)的強粒子輻射若到達地球，就會(huì )破壞宇航環(huán)境以及與之相關(guān)的現代尖端技術(shù)的試驗和實(shí)施。太陽(yáng)X射線(xiàn)爆發(fā)會(huì )引起地球電離層突然騷擾，因而導致短波通信衰減，甚至中斷。但是，不管多強的太陽(yáng)活動(dòng)對我們人類(lèi)平常的地面活動(dòng)不會(huì )構成像地震那樣的直接嚴重威脅。太陽(yáng)和太陽(yáng)爆發(fā)的能量輻射分為粒子輻射和電磁輻射。它們對地球大氣的影響是不同的。
　　當太陽(yáng)上有大爆發(fā)時(shí)，有時(shí)會(huì )噴射出大量的高能帶電粒子流，人們把它稱(chēng)作太陽(yáng)風(fēng)暴。當這些高能帶電粒子流到達地球軌道附近時(shí)，我們稱(chēng)它們?yōu)樘��?yáng)質(zhì)子事件。當這些粒子沿地球磁場(chǎng)到達地球極區時(shí)，人們稱(chēng)它們?yōu)闃O蓋事件。高能帶電粒子流會(huì )破壞衛星的控制系統和擊毀電子元器件，從而導致航天器的控制系統和傳感器失靈，以致整個(gè)航天器被毀；太陽(yáng)高能帶電粒子流還會(huì )威脅宇航員的生命，強太陽(yáng)質(zhì)子事件也會(huì )對在高緯地區飛行的旅客和乘務(wù)人員構成輻射威脅。另外，強高能帶電粒子流對地球的沖擊會(huì )引起地球電磁系統的變化和地磁暴，從而可能導致高緯地區高壓輸電網(wǎng)絡(luò )和地下輸油管道損壞。
　　除了粒子輻射外，伴隨太陽(yáng)耀斑，還發(fā)射強烈的X射線(xiàn)輻射。我們稱(chēng)它為X射線(xiàn)爆發(fā)或X射線(xiàn)耀斑。這種頻率極高的輻射，在20世紀60年代，隨著(zhù)火箭的升空和宇宙飛行器的問(wèn)世才被觀(guān)測到。因為X射線(xiàn)爆發(fā)的絕大部分都被地球大氣吸收了，在地面很難觀(guān)測到它們。與太陽(yáng)耀斑相伴的X射線(xiàn)爆發(fā)會(huì )引起地球電離層的擾動(dòng)，使電離層的電子密度增加，這時(shí)通過(guò)電離層反射傳播的短波無(wú)線(xiàn)電信號會(huì )被部分地、甚至全部地吸收，從而導致通訊衰減或中斷。太陽(yáng)紫外線(xiàn)輻射增強也會(huì )增加地球電離層的電離度，因而使地球大氣向外膨脹，增加對中、低軌道衛星的拖曳力。
　　另外，太陽(yáng)活動(dòng)對氣候、天氣、人類(lèi)的地面活動(dòng)有沒(méi)有影響呢？應該說(shuō)是有的，但比起對空間環(huán)境的影響要弱得多，而且是間接的。
　　大家都聽(tīng)說(shuō)過(guò)太陽(yáng)活動(dòng)的“蒙德極小期”，這是英國天文學(xué)家蒙德最先發(fā)現的，因而以其名命名。蒙德的研究證明，公元1645到1715年間，太陽(yáng)上很少有黑子。這個(gè)時(shí)期，北歐氣候非常寒冷。我國歷史學(xué)家的考證證明，這個(gè)時(shí)期是人類(lèi)有史以來(lái)最冷的時(shí)期，被稱(chēng)作“小冰河期”。我國的地震學(xué)家也證明，這個(gè)時(shí)期是華北大地震最多的時(shí)期。人們認為這個(gè)時(shí)期的寒冷和地震與太陽(yáng)上少黑子有關(guān)。
　　從1801年科學(xué)家就開(kāi)始研究太陽(yáng)黑子與地球上旱澇災害的關(guān)系，發(fā)現當日面上黑子少時(shí)，一些地區雨量就少，地面干旱，但是，后來(lái)有的統計研究認為當日面上黑子多時(shí)，一些地區雨量就少，地面干旱。這種對不同地區統計而得到的相反結果就很難使人相信地面雨量的多少與太陽(yáng)活動(dòng)有直接關(guān)系。從物理角度講，太陽(yáng)對地球的影響是全球性的，即便有關(guān)也是太陽(yáng)因素經(jīng)地球內因的作用進(jìn)行了再分配。
　　太陽(yáng)活動(dòng)可能對人類(lèi)的情緒和疾病有推波助瀾的作用�？臻g物理環(huán)境隨太陽(yáng)活動(dòng)（能量）的波動(dòng)經(jīng)日地能量耦合可能會(huì )影響地面人類(lèi)的生理功能和疾病。一些研究表明動(dòng)、植物的繁殖、發(fā)育和生長(cháng)過(guò)程受太陽(yáng)活動(dòng)的調節。一些研究者指出，新生兒的死亡率和婦女的疾病發(fā)生率與太陽(yáng)黑子活動(dòng)強弱呈正相關(guān)關(guān)系。像一些傳染�。ㄐ杉t熱、白喉癥、痢疾、流感等）、心血管疾病、眼病等等的發(fā)病率都與太陽(yáng)活動(dòng)的強弱呈正相關(guān)關(guān)系。但是，應提請注意的是，這些影響不是太陽(yáng)輻射的電磁波和粒子直接打到地面上引起的。一些科學(xué)家認為，起因于太陽(yáng)風(fēng)暴的地磁活動(dòng)對人體內分泌水平具有顯著(zhù)的調制作用，人體的神經(jīng)系統對地磁擾動(dòng)非常敏感。當地磁活動(dòng)強烈時(shí)，人類(lèi)植物神經(jīng)系統交感神經(jīng)的緊張程度有提高，因而人類(lèi)的攻擊性行為加劇，交通事故增多，人的判斷錯誤串上升。還有一些科學(xué)家和醫學(xué)家認為人體有生物電。腦電圖、心電圖等的測試儀器就是據此而設計的。無(wú)數細胞生物電匯集，形成人體的電磁場(chǎng)。在通常情況下，人體電磁場(chǎng)和地球電磁場(chǎng)處于相互融洽狀態(tài)。當地球磁場(chǎng)被強烈擾動(dòng)時(shí)，會(huì )打破人體電磁場(chǎng)和地球電磁場(chǎng)的平衡，使人體的某些功能發(fā)生紊亂，影響人的情緒和誘發(fā)疾病。
　　近十幾年來(lái)引起地球空間環(huán)境最強烈的、災害性變化的太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)生在1989年3月。3月初，日面上出現了一個(gè)大太陽(yáng)黑子群，它的面積相當于幾十個(gè)地球的面積。此黑子群發(fā)生的幾十個(gè)強烈耀斑活動(dòng)引起過(guò)39次強烈短波通訊突然騷擾，其中15次通訊部分中斷，24次全部中斷。這個(gè)黑子群發(fā)生的大爆發(fā)把大量的高能帶電粒子拋向地球，在近地空間，或者說(shuō)衛星軌道空間引起了一場(chǎng)災難。據美國地球物理資料中心統計，1989年3月份，有46例衛星異常的記錄。源于這個(gè)黑子群的太陽(yáng)風(fēng)暴到達地球，引起強烈地磁暴。這次強日地活動(dòng)使加拿大魁北克省的大部分地區停電達9小時(shí)以上，600萬(wàn)居民受到影響，使魁北克省電力公司損失19400兆瓦的電力。
　　正是鑒于上述原因，不少?lài)�家非常注意太�?yáng)活動(dòng)對地球環(huán)境的嚴重影響和控制。從60年代開(kāi)始，紛紛成立日地空間天氣的預報結構，進(jìn)行相關(guān)研究和預報服務(wù)，并且成立了“國際空間環(huán)境服務(wù)中心”，總部設在美國。其下設有10個(gè)區域警報中心。有美國、加拿大、俄羅斯、日本、捷克斯洛伐克、法國、印度、澳大利亞、波蘭和我國。隨著(zhù)我國航天事業(yè)的崛起和國防通訊事業(yè)的發(fā)展，我國從20世紀60年代末就開(kāi)始了太陽(yáng)活動(dòng)預報的研究和服務(wù)，為我國的航天事業(yè)、國防通訊事業(yè)作出了有益的貢獻。目前，我國正在組織有關(guān)單位制定“我國空間天氣戰略計劃”。隨著(zhù)我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，日地空間環(huán)境預報和服務(wù)必將為我國的航天事業(yè)，國防通訊事業(yè)作出更大的貢獻。
　　然而，我們不要產(chǎn)生誤解，更不必驚慌失措。太陽(yáng)活動(dòng)不會(huì )給在地面活動(dòng)的人類(lèi)帶來(lái)像地震那樣可怕的災難，更何況能導致強烈地磁暴的太陽(yáng)爆發(fā)是稀少事件�！　�