1.1.1　地球的宇宙環(huán)境　拓展探究

1．材料：宇宙就是天地萬物的總稱。宇宙一詞最早出現(xiàn)于戰(zhàn)國時代尸校的《尸子》一書中。尸校認(rèn)為：“上下四方曰宇，往古來今曰宙。”這樣，我們可以知道“宇”是表示空間，“宙”是表示時間�？臻g和時間的概念，隨著歷史的演進(jìn)而逐漸發(fā)展。宇宙的界限，隨著天文學(xué)的進(jìn)步而逐漸擴(kuò)大。我們的祖先由于受條件的限制，只能用眼睛觀測大地萬物，因而錯誤地認(rèn)為宇宙是有邊界的，所以人們常說“近在眼前，遠(yuǎn)在天邊”。雖然先祖關(guān)于宇宙邊界的認(rèn)識有失偏頗，但他們在2300多年前就巧妙地把時間和空間結(jié)合在一起，這一點(diǎn)是值得肯定的。而歐洲在中古以前，還是把空間與時間割裂開來的。關(guān)于宇宙的思想，我們的祖先要比當(dāng)時的西方人豐富得多。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，觀測工具日益先進(jìn)，人們對宇宙的認(rèn)識逐步加深，從太陽到太陽系，再擴(kuò)展到銀河系、河外星系、星系團(tuán)、總星系�，F(xiàn)已能觀測到200多億光年的宇宙深處，這個范圍內(nèi)包含了10億個以上的星系。
　　問題：你所認(rèn)識的宇宙是怎樣的？你能說出人類認(rèn)識宇宙經(jīng)歷了一個怎樣的過程？
　　我的思路：盡管每個人對宇宙的認(rèn)識水平不同，認(rèn)識能力也有差別，但對宇宙認(rèn)識總有一些共同點(diǎn)，如宇宙是物質(zhì)的，物質(zhì)走運(yùn)動的，宇宙處于不斷的運(yùn)動和發(fā)展之中。天體之間相互吸引和相互繞轉(zhuǎn)，形成天體系統(tǒng)。目前，人們認(rèn)識到的天體系統(tǒng)，從小到大排列，有以下幾個層次：地月系—太陽系—銀河系—總星系。
　　人類對宇宙的認(rèn)識經(jīng)歷了漫長的時間。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(jì)哥白尼倡導(dǎo)的“日心說”，認(rèn)為“太陽是宇宙的中心”，意味著宇宙實(shí)際上就是太陽系。18世紀(jì)天文學(xué)家引進(jìn)“星系”一詞，在一定意義上也不過是宇宙的同義語。20世紀(jì)以來，尤其是60年代大型天文望遠(yuǎn)鏡的使用，以及空間探測技術(shù)的發(fā)展，使天文觀測的尺度大大擴(kuò)展，達(dá)到上百億年和上百億光年的時空區(qū)域。人們對宇宙的認(rèn)識不斷加深。
2．材料：1972年8月7日太陽出現(xiàn)耀斑大爆發(fā)。爆發(fā)后，強(qiáng)烈的太陽X射線、紫外線和射電伴隨著大量帶電粒子流連續(xù)猛烈轟擊地球達(dá)一個星期之久。其中在爆發(fā)開始后5小時之內(nèi)有一股粗約16千米、長達(dá)7000多萬米的帶電粒子流，以每秒6500千米的速度闖進(jìn)地球大氣層，頓時引起地球電離層和地磁場變化。當(dāng)時幾乎所有的飛機(jī)和輪船上的磁羅盤指針都顫動起來，全世界的短波無線電通訊徹底中斷，極區(qū)出現(xiàn)明亮的極光。在一些地區(qū)甚至影響到電力線路，致使電燈忽明忽暗，仿佛發(fā)生了強(qiáng)烈的雷暴。至于弱電儀器和電子設(shè)備更是變化無常，不能正常工作。
　　太陽活動對地球除爆發(fā)性影響之外，還有人從歷史記載的統(tǒng)計中得出太陽活動起伏，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(rèn)為，太陽黑子數(shù)的變化與自然災(zāi)害活躍期有一定關(guān)系，與我國地震活躍期和嚴(yán)重洪澇和其他自然災(zāi)害有一定關(guān)聯(lián)。1909、1931、1954、1975年是太陽黑子的雙周期，這些雙周期剛好就在奉世紀(jì)4個地震活躍期中，而雙周期及其前后又是我國長江、黃淮流域出現(xiàn)特大洪澇或其他自然災(zāi)害的時期。當(dāng)然，太陽活動對地球的這種影響十分復(fù)雜，至今還沒有整理出比較確切可靠并可資利用的統(tǒng)計規(guī)律，其物理機(jī)制是怎樣的也還沒有搞清楚。
　　問題：閱讀上述材料回答：太陽活動主要類型有哪幾種？對地球有哪些影響？
　　我的思路：這是一個與現(xiàn)實(shí)密切結(jié)合的問題。太陽大氣層時常發(fā)生變化，有時甚至較為劇烈，這些變化統(tǒng)稱為太陽活動。它包括光球?qū)由系暮谧雍蜕�球�(qū)由系囊�斑，太陽的黑子�?shù)的增減常作為太陽活動強(qiáng)弱的標(biāo)志，耀斑是太陽活動最激烈的顯示，二者往往相伴出現(xiàn)，活動周期都是11年。
　　通過上面的材料，我們很容易找出太陽活動的主要類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(jié)。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整理，結(jié)合教材進(jìn)行分析。太陽活動對地球的影響包括對地球自然環(huán)境的影響和對人類活動的影響兩大方面，具體來說主要影響有：太陽活動會對地球上的大氣產(chǎn)生影響，出現(xiàn)氣候異常；太陽活動產(chǎn)生的短波輻射和粒子流對地球的電離層產(chǎn)生擾動，影響地面無線電短波通信；當(dāng)太陽活動增強(qiáng)時，太陽大氣拋出的帶電粒子流能使地球磁場受到擾動，產(chǎn)生“磁暴現(xiàn)象”使磁針劇烈顫動，不能正確指示方向；另外，太陽活動還與氣象、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“勇氣”號及其孿生兄弟“機(jī)遇”號相繼在火星上著陸，它們的主要使命是研究火星上是否有過水。“機(jī)遇”號在對著陸的火星“梅里迪亞尼平面”進(jìn)行探測的過程中，發(fā)現(xiàn)了這一區(qū)域歷史上部分被液態(tài)咸水覆蓋的證據(jù)。“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的蛛絲馬跡。
　　盡管火星車還沒有找到火星存在有機(jī)生物的直接證據(jù)，但是美宇航局科學(xué)家稱，“機(jī)遇”號火星車找到了火星上曾經(jīng)存在液態(tài)水的證據(jù)。根據(jù)對火星車探測到的巖層以及其他礦石狀況的數(shù)據(jù)分析，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)火星車所在區(qū)域的一些巖層表面有被水浸泡的跡象，這些發(fā)現(xiàn)支持這樣一個結(jié)論，當(dāng)這些巖層形成時，當(dāng)時火星的環(huán)境可能適合有機(jī)生物體的存在和繁衍，當(dāng)然，這個結(jié)論并不表明火星上存在過生命，因?yàn)檫�沒有直接證據(jù)。
　　問題：你認(rèn)為火星上可能有生命嗎？同樣是太陽系的成員，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重要課題，也是人類長期的夢想之一。據(jù)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。火星上曾經(jīng)有水的痕跡，也激起了人們對火星生命的企望。不過，到現(xiàn)在為止人們還沒有在火星上發(fā)現(xiàn)有任何生命活動的證據(jù)。盡管火星和地球同屬于太陽系的九大行星之一，也屬于類地行星，和地球相比有許多共性，但卻沒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(zhuǎn)方向一致，而且繞日公轉(zhuǎn)軌道面幾乎在一個平面上。大、小行星各行其道，互不干擾，使地球處于一個比較穩(wěn)定的安全的宇宙環(huán)境之中；太陽比較穩(wěn)定，使地球所處的光照條件比較穩(wěn)定，生命從低級向高級的演化沒有中斷；地球在太陽系中的位置適中，使之具有人類適宜的溫度條件；地球的體積和質(zhì)量適中，使其能吸引住大氣，并經(jīng)過漫長的演化形成了適宜生物呼吸的大氣；地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動使其具有人類不可或缺的生命之源——水的形成和存在。

4、材料：自1975年以來，約有4600顆廢棄衛(wèi)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(yùn)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(jī)為避免與一個失效衛(wèi)星發(fā)生碰撞，機(jī)上宇航員不得不對航線進(jìn)行調(diào)整。1995年，日本宇宙事業(yè)開發(fā)團(tuán)發(fā)射的大空實(shí)驗(yàn)觀測自由飛行器，在太空運(yùn)行8個月后被“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)收回，經(jīng)檢查，其外殼被太空垃圾撞擊布滿麻坑。1983年一小塊剝落的油漆曾撞壞“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)的前窗。目前人類發(fā)射的航天器在地面監(jiān)控中心與宇航員密切配合下可及時躲避太空垃圾，而人造衛(wèi)星則難以躲避。人類現(xiàn)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，一起來保護(hù)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！”
　　問題：現(xiàn)在你是中學(xué)生，將來可能成為一名航天科學(xué)家，現(xiàn)在你以一名未來航天科學(xué)家的身份，向有關(guān)部門提出建議，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(jù)：人類向宇宙空間發(fā)射的各種航天器，固然有十分重大的科研和應(yīng)用價值，但是不可避免地會產(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，也會造成航天器的重大損壞。
　　現(xiàn)在，航天專家們已經(jīng)開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(wèi)星推進(jìn)到其他軌道上去，以免同正常工作的衛(wèi)星發(fā)生碰撞；用航天飛機(jī)把損壞的衛(wèi)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、太陽能資源、礦產(chǎn)資源。人們利用宇宙空間這個特殊環(huán)境，通過人造衛(wèi)星可從遠(yuǎn)距離觀測地球，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、太陽活動對人類影響有多大？
　　2004年的2月底到3月初，日面上出現(xiàn)了兩個大太陽黑子群。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)太陽活動對人類的影響。報道中有些不實(shí)之詞，甚至聳人聽聞�，F(xiàn)在，太陽正處在它的第23個活動高峰期，日面上黑子群相當(dāng)多。經(jīng)常會出現(xiàn)大太陽黑子群，這是很正常的。2月底到3月初的兩太陽黑子群雖然大，但并沒有發(fā)生太強(qiáng)烈的太陽爆發(fā)，對地球影響不大。
　　人們常說，太陽是萬物之源，萬物生長靠太陽。太陽給地球帶來了光明和溫暖，給人類以生存的條件，創(chuàng)造了人類生活的美好環(huán)境。但是，太陽活動特別是大爆發(fā)確實(shí)會影響和破壞地球環(huán)境，特別是近地空間環(huán)境。如太陽的強(qiáng)粒子輻射若到達(dá)地球，就會破壞宇航環(huán)境以及與之相關(guān)的現(xiàn)代尖端技術(shù)的試驗(yàn)和實(shí)施。太陽X射線爆發(fā)會引起地球電離層突然騷擾，因而導(dǎo)致短波通信衰減，甚至中斷。但是，不管多強(qiáng)的太陽活動對我們?nèi)祟惼匠５牡孛婊顒硬粫��?gòu)成像地震那樣的直接嚴(yán)重威脅。太陽和太陽爆發(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(dāng)太陽上有大爆發(fā)時，有時會噴射出大量的高能帶電粒子流，人們把它稱作太陽風(fēng)暴。當(dāng)這些高能帶電粒子流到達(dá)地球軌道附近時，我們稱它們?yōu)樘�陽質(zhì)子事件。當(dāng)這些粒子沿地球磁場到達(dá)地球極區(qū)時，人們稱它們?yōu)闃O蓋事件。高能帶電粒子流會破壞衛(wèi)星的控制系統(tǒng)和擊毀電子元器件，從而導(dǎo)致航天器的控制系統(tǒng)和傳感器失靈，以致整個航天器被毀；太陽高能帶電粒子流還會威脅宇航員的生命，強(qiáng)太陽質(zhì)子事件也會對在高緯地區(qū)飛行的旅客和乘務(wù)人員構(gòu)成輻射威脅。另外，強(qiáng)高能帶電粒子流對地球的沖擊會引起地球電磁系統(tǒng)的變化和地磁暴，從而可能導(dǎo)致高緯地區(qū)高壓輸電網(wǎng)絡(luò)和地下輸油管道損壞。
　　除了粒子輻射外，伴隨太陽耀斑，還發(fā)射強(qiáng)烈的X射線輻射。我們稱它為X射線爆發(fā)或X射線耀斑。這種頻率極高的輻射，在20世紀(jì)60年代，隨著火箭的升空和宇宙飛行器的問世才被觀測到。因?yàn)閄射線爆發(fā)的絕大部分都被地球大氣吸收了，在地面很難觀測到它們。與太陽耀斑相伴的X射線爆發(fā)會引起地球電離層的擾動，使電離層的電子密度增加，這時通過電離層反射傳播的短波無線電信號會被部分地、甚至全部地吸收，從而導(dǎo)致通訊衰減或中斷。太陽紫外線輻射增強(qiáng)也會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(wèi)星的拖曳力。
　　另外，太陽活動對氣候、天氣、人類的地面活動有沒有影響呢？應(yīng)該說是有的，但比起對空間環(huán)境的影響要弱得多，而且是間接的。
　　大家都聽說過太陽活動的“蒙德極小期”，這是英國天文學(xué)家蒙德最先發(fā)現(xiàn)的，因而以其名命名。蒙德的研究證明，公元1645到1715年間，太陽上很少有黑子。這個時期，北歐氣候非常寒冷。我國歷史學(xué)家的考證證明，這個時期是人類有史以來最冷的時期，被稱作“小冰河期”。我國的地震學(xué)家也證明，這個時期是華北大地震最多的時期。人們認(rèn)為這個時期的寒冷和地震與太陽上少黑子有關(guān)。
　　從1801年科學(xué)家就開始研究太陽黑子與地球上旱澇災(zāi)害的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)日面上黑子少時，一些地區(qū)雨量就少，地面干旱，但是，后來有的統(tǒng)計研究認(rèn)為當(dāng)日面上黑子多時，一些地區(qū)雨量就少，地面干旱。這種對不同地區(qū)統(tǒng)計而得到的相反結(jié)果就很難使人相信地面雨量的多少與太陽活動有直接關(guān)系。從物理角度講，太陽對地球的影響是全球性的，即便有關(guān)也是太陽因素經(jīng)地球內(nèi)因的作用進(jìn)行了再分配。
　　太陽活動可能對人類的情緒和疾病有推波助瀾的作用。空間物理環(huán)境隨太陽活動（能量）的波動經(jīng)日地能量耦合可能會影響地面人類的生理功能和疾病。一些研究表明動、植物的繁殖、發(fā)育和生長過程受太陽活動的調(diào)節(jié)。一些研究者指出，新生兒的死亡率和婦女的疾病發(fā)生率與太陽黑子活動強(qiáng)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)病率都與太陽活動的強(qiáng)弱呈正相關(guān)關(guān)系。但是，應(yīng)提請注意的是，這些影響不是太陽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(rèn)為，起因于太陽風(fēng)暴的地磁活動對人體內(nèi)分泌水平具有顯著的調(diào)制作用，人體的神經(jīng)系統(tǒng)對地磁擾動非常敏感。當(dāng)?shù)卮呕顒訌?qiáng)烈時，人類植物神經(jīng)系統(tǒng)交感神經(jīng)的緊張程度有提高，因而人類的攻擊性行為加劇，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(yī)學(xué)家認(rèn)為人體有生物電。腦電圖、心電圖等的測試儀器就是據(jù)此而設(shè)計的。無數(shù)細(xì)胞生物電匯集，形成人體的電磁場。在通常情況下，人體電磁場和地球電磁場處于相互融洽狀態(tài)。當(dāng)?shù)厍虼艌霰粡?qiáng)烈擾動時，會打破人體電磁場和地球電磁場的平衡，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。
　　近十幾年來引起地球空間環(huán)境最強(qiáng)烈的、災(zāi)害性變化的太陽活動發(fā)生在1989年3月。3月初，日面上出現(xiàn)了一個大太陽黑子群，它的面積相當(dāng)于幾十個地球的面積。此黑子群發(fā)生的幾十個強(qiáng)烈耀斑活動引起過39次強(qiáng)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，或者說衛(wèi)星軌道空間引起了一場災(zāi)難。據(jù)美國地球物理資料中心統(tǒng)計，1989年3月份，有46例衛(wèi)星異常的記錄。源于這個黑子群的太陽風(fēng)暴到達(dá)地球，引起強(qiáng)烈地磁暴。這次強(qiáng)日地活動使加拿大魁北克省的大部分地區(qū)停電達(dá)9小時以上，600萬居民受到影響，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，不少國家非常注意太陽活動對地球環(huán)境的嚴(yán)重影響和控制。從60年代開始，紛紛成立日地空間天氣的預(yù)報結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相關(guān)研究和預(yù)報服務(wù)，并且成立了“國際空間環(huán)境服務(wù)中心”，總部設(shè)在美國。其下設(shè)有10個區(qū)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(jì)60年代末就開始了太陽活動預(yù)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(xiàn)。目前，我國正在組織有關(guān)單位制定“我國空間天氣戰(zhàn)略計劃”。隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，日地空間環(huán)境預(yù)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(xiàn)。
　　然而，我們不要產(chǎn)生誤解，更不必驚慌失措。太陽活動不會給在地面活動的人類帶來像地震那樣可怕的災(zāi)難，更何況能導(dǎo)致強(qiáng)烈地磁暴的太陽爆發(fā)是稀少事件。