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第4章 宇宙中的地球(3)

此外,“婴儿行星”距离其母恒星的距离非常近,约为3700万英里(约合5954万公里),因此它每3.56天就能完成一圈公转。最令研究人员兴奋的是,他们在这颗行星外还发现了“原行星盘”,即由气体和尘埃组成、围绕恒星的薄盘。盘内边缘距离母恒星的距离为5600万英里(约9012万公里),因此行星的位置是在母恒星和“原行星盘”之间。根据行星形成理论的假设,行星是在“原行星盘”中形成的,这个盘会在母恒星形成1000万年后逐渐被恒星风和宇宙射线驱散。

二、太阳会熄灭吗?

太阳当然会熄灭,但那至少是60亿年之后的事情了。现在太阳核心正在进行氢-氦聚变,当氢聚变结束的时候,核心由于没有辐射压将会受到重力压缩,将使中心区温度上升到1亿摄氏度以上,达到氦元素核聚变的条件,此时的太阳将变成红巨星。氦被点燃后其产生能量的效率不如氢高,太阳在红巨星阶段只能停留10亿年左右,氦聚变的产物是碳,碳的起始聚变温度是6亿度,而太阳中心无法达到如此高温,核聚变将停止。随后,太阳将变得非常不稳定,抛出一些外层的物质后把致密的核心暴露在外面形成白矮星。

太阳到达白矮星其核反应就已经停止,但其余热还能够再挥发一段时间,数亿年之后,太阳余温散尽,变成死气沉沉的黑矮星,结束一生。

三、太阳辐射

太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。地球所接受到的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十亿分之一,但却是地球大气运动的主要能量源泉。

到达地球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。在地球位于日地平均距离处时,地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量,称为太阳常数。太阳常数的常用单位为瓦/米2。因观测方法和技术不同,得到的太阳常数值不同。世界气象组织(WMO)1981年公布的太阳常数值是1368瓦/米2。地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上在波长0.15~4.0微米之间。大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区(波长0.4~0.76微米),7%在紫外光谱区(波长<0.4微米),43%在红外光谱区(波长>0.76微米),最大能量在波长0.475微米处。由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长(约3~120微米)小得多,所以通常又称太阳辐射为短波辐射,称地面和大气辐射为长波辐射。太阳活动和日地距离的变化等会引起地球大气上界太阳辐射能量的变化。

太阳辐射通过大气,一部分到达地面,称为直接太阳辐射;另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间,另一部分到达地面,到达地面的这部分称为散射太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。太阳辐射通过大气后,其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多,在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区几乎绝迹,在可见光谱区减少至40%,而在红外光谱区增至60%。

在地球大气上界,北半球夏至时,日辐射总量最大,从极地到赤道分布比较均匀;冬至时,北半球日辐射总量最小,极圈内为零,南北差异最大。南半球情况相反。春分和秋分时,日辐射总量的分布与纬度的余弦成正比。南、北回归线之间的地区,一年内日辐射总量有两次最大,年变化小。纬度愈高,日辐射总量变化愈大。

到达地表的全球年辐射总量的分布基本上成带状,只有在低纬度地区受到破坏。在赤道地区,由于多云,年辐射总量并不最高。在南北半球的副热带高压带,特别是在大陆荒漠地区,年辐射总量较大,最大值在非洲东北部。

太阳辐射是地球表层能量的主要来源。太阳辐射在大气上界的分布是由地球的天文位置决定的,称此为天文辐射。由天文辐射决定的气候称为天文气候。天文气候反映了全球气候的空间分布和时间变化的基本轮廓。

除太阳本身的变化外,天文辐射能量主要决定于日地距离、太阳高度角和昼长。

地球绕太阳公转的轨道为椭圆形,太阳位于两个焦点中的一个焦点上。因此,日地距离时刻在变化。每年1月2日至5日经过近日点,7月3日至4日经过远日点。地球上接受到的太阳辐射的强弱与日地距离的平方成反比。

太阳光线与地平面的夹角称为太阳高度角,它有日变化和年变化。太阳高度角大,则太阳辐射强。

白昼长度指从日出到日落之间的时间长度。赤道上四季白昼长度均为12小时,赤道以外昼长四季有变化,40°纬度的春、秋分日昼长12小时,夏至和冬至日昼长分别为14小时51分和9小时09分,到纬度66°33′出现极昼和极夜现象。南北半球的冬夏季节时间正好相反。

天文辐射的时空变化特点是:①全年以赤道获得的辐射最多,极地最少。这种热量不均匀分布,必然导致地表各纬度的气温产生差异,在地球表面出现热带、温带和寒带气候;②天文辐射夏大冬小,它导致夏季温高冬季温低。

大气对太阳辐射的削弱作用包括大气对太阳辐射的吸收、散射和反射。太阳辐射经过整层大气时,0.29μm以下的紫外线几乎全部被吸收,在可见光区大气吸收很少。在红外区有很强的吸收带。大气中吸收太阳辐射的物质主要有氧、臭氧、水汽和液态水,其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和尘埃等。云层能强烈吸收和散射太阳辐射,同时还强烈吸收地面反射的太阳辐射。云的平均反射率为0.50~0.55。

经过大气削弱之后到达地面的太阳直接辐射和散射辐射之和称为太阳总辐射。就全球平均而言,太阳总辐射只占到达大气上界太阳辐射的45%。总辐射量随纬度升高而减小,随高度升高而增大。一天内中午前后最大,夜间为0;一年内夏大冬小。

太阳辐射能在可见光线(0.4~0.76μm)、红外线(>0.76μm)和紫外线(<0.4μm)分别占50%、43%和7%,即集中于短波波段,故将太阳辐射称为短波辐射。

四、太阳常数

太阳常数(solarconstant),表征的是到达大气顶(大气层上界)的总太阳能量(即包含整个太阳光谱)值。

在日地平均距离(一天文单位)处,与太阳光束方向垂直的单位面积上,单位时间内所接受到的太阳总辐射能。所使用的单位为W/m2,或卡/平方厘米/分钟(cal/cm2/min)。

太阳辐射通过星际空间到达地球,但由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行,因此太阳与地球之间的距离不是一个常数,而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知,某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比,这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而,由于日地间距离太大(平均距离为1.5x108km),所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。

太阳常数也有周期性的变化,变化范围在1%~2%,这可能与太阳黑子的活动周期有关。

昼夜是由于地球自转而产生的,而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈23°27′的夹角而产生的。地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜,所以地球每小时自转15°。地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线始终成23.5°。地球公转时自转轴的方向不变,总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时,太阳光投射到地球上的方向也就不同,于是形成了地球上的四季变化。每天中午时分,太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区(即在赤道南北纬度23°27′之间的地区),一年中太阳有两次垂直入射,在较高纬度地区,太阳总是靠近赤道方向。在北极和南极地区(在南北半球大于90°~23°27′),冬季太阳低于地平线的时间长,而夏季则高于地平线的时间长。

由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行,因此太阳与地球之间的距离不是一个常数,而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知,某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比,这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而,由于日地间距离太大,所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时,在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w/m2。

五、黄道和黄道带

黄道,指太阳在星座中穿行的视轨迹的大圆,也可以说是地球围绕太阳运行的轨道在天球上的投影。黄道星座沿黄道排列,黄道与天赤道有23.5°的交角;黄道与天赤道的两个交点是春分点和秋分点。在黄道坐标系中,天体的黄经从春分点起沿黄道向东计量,北黄纬为正,南黄纬为负,南、北黄极距相应的天极都是23.5°。

黄道带:天球上黄道南北两边一个9°宽的环形区域。月球和行星的轨道都在黄道带中(冥王星除外)。

黄道十二宫的一宫各占整个黄道带的1/12(或30°)。实际上,黄道十二宫与太阳实际所处的黄道星座不能一一对应,黄道星座的大小和形状并不一致,而太阳每年总要穿过的蛇夫座,并非黄道十二宫之一,尽管岁差使星座东移但关于黄道十二宫的数据仍然被占星术沿用。

六、过去光锥

将一块石头扔进水塘,水表面的涟漪向四周散开,涟漪以圆周的形式越变越大,这个二维的池塘水面加上一维的时间,扩大的水圈与时间就能画出一个圆锥,顶点是石头击中到水面的地方和时间。类似地,从一个事件出发的光在四维的空间-时间里形成了一个三维的圆锥,这个圆锥称为事件的过去光锥,它的宇宙学意义就是当我们遥望夜空的时候,我们并没有看到目前状态的宇宙,天空所显示的图像不同于一副瞬时拍摄的快照因为光从遥远的地方到达我们这里要花一定的时间,我们在天空中所见到的任何一个天体都是它在发光瞬间的像。

望远镜好比是“望时镜”,天体离得越远,我们今天见到的像在时间上就倒退的越早,实际上我们所见的宇宙是一个穿越时空回溯的像。同样道理,一个事件将产生一个未来光锥,事件以光速向我们逼近,它的物理影响在到达前是完全无法预测的,因为我们没有发现事件发生,我们此刻还在这个事件的未来光锥之外。

例如,假定太阳在三分钟之前停止发光,这个事件不会对此刻的地球发生影响,我们只能在五分钟后,当地球位于太阳停止发光这一事件的未来光锥之内才受到绝对过去发生的这一事件的影响。

七、有关月球的三个未解之谜

尽管人类已经登上月球,但是众多的月球之迷仍待科学家去一一破解。

月球不是规则球形,而是其直径略小于月球赤道(以下简称“赤道”)直径的天体。仔细观察月球形状,我们会发现它好像被人用拇指和食指捏住两极“挤”过一样。

这一现象并不稀奇,因为在久远的月球形成初期,月球自转产生的离心力可能使岩浆尚未冷却的月球赤道地区“鼓”出一块。然而,这只是关于月球形状的种种假设之一,尽管人类已经登上月球,但众多的月球之谜仍待科学家一一破解。

1.形状不规则

早在18世纪末,法国数学家拉普拉斯就注意到,形状不规则的月球自转时会发生“颤抖”。

“谜团在于月球太扁了”,美国麻省理工学院地球物理学与行星科学教授玛丽亚·T·朱伯说。

20世纪六七十年代,太空探测器发现,处于月球与地球地心连线上的月球半径被拉长,也就是说,如果沿赤道把月球分成两半,截面不是正圆,而是像橄榄球一样的椭圆,“球尖”指向地球。但迄今无人能就月球当前形状的成因给出完全令人信服的解释。

2.质量不均匀

一般认为,45亿年前,一个火星大小的天体撞击地球,产生的部分碎片形成月球,但这也仅限于推测。

月球形状的另一个谜团是,月球面对地球一面在物质构成及外貌方面与背对地球一面差异很大:前者地壳比另一面地壳薄许多,并拥有由玄武岩构成的广阔平原,这些平原被称为月海,这是很久以前月球表面火山喷发的结果。背对地球的一面地壳厚很多,有更多陨石坑,几乎没有月海。

一定程度上,月海中密度较高的玄武岩使月球的质量中心不在几何中心,偏离了约1.6千米。但是,迁移的发生过程尚不清楚。

3.月地渐远离

法国人拉普拉斯在18世纪末发现月球形状不规则难能可贵,然而,他没有看到的是,月球正在逐渐远离地球。月球每年远离地球约3.8厘米。

现在的月球自转和公转周期相同,所以它的一面总是朝向地球。科学家估计,和现在约38万千米的距离不同,早期的月地距离可能只有约2.6万千米。由于天体运行轨道半径与天体转速有关,按照这一假设,1比1的自转公转周期比可以解释当前月球形状不规则的现象。

还有一些科学家假设,月球形成初期的自转公转周期比为3比2,也就是公转2周期间自转3周,这种情况至多持续了几亿年,最后因为潮汐力而自转降速,自转公转比稳定为现在的1比1。计算结果表明,这段自转比公转快的时期可能提供足够的力,为月球形成目前的形状准备了条件。

八、大爆炸宇宙学

大爆炸宇宙学是现代宇宙学中最有影响的一种学说,与其他宇宙模型相比,它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。这一从冷到热,从密到稀的过程如同一次规模很大的爆发。

根据大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是:在宇宙的早期,温度极高,在100亿度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素,化学元素就是从这一时期开始形成的。