书城教材教辅新课改·高一地理备课素材(上)
16781200000005

第5章 宇宙中的地球(4)

温度进一步下降到100万度后,早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙。

大爆炸模型能统一说明以下几个观测事实:

1.大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度至今天这一段时间为短,即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

2.观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映。

3.在各种不同天体上,氦丰度相当大,而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么又如此多的氦。而根据大爆炸理论,早期温度很高,产生氦的效率也很高,则可以说明这一事实。

4.根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等,可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言宇宙已经很冷,只有绝对温度几度。1965年,果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射,温度大约为3K,这一结果无论在定性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。但是,在星系的起源和各向同性分布等方面,大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题。

1.3人类对宇宙的新探索

一、前苏联人造地球卫星

1.技术卫星

技术试验卫星,是进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星。

人造卫星在发射之前须经过一系列的地面试验,但为了更加全面地考验卫星的技术性能,还必须把卫星发射上天加以验证,技术稳定了才能正式应用。

美国的技术试验卫星,进行了很多实验,如话音通信、卫星导航、无线电传输等,为美国以后的通信卫星、气象卫星、导航卫星、资源卫星的研制与应用作了大量准备。

“实践一号”卫星是中国第一颗科学探测和技术实验卫星。它的主要任务是试验星上太阳能电池供电系统、主动无源温控系统、长寿命遥测设备及无线电线路性能、并进行其他太空环境的探测。“实践一号”的设计寿命为一年,但它实际在太空工作了八年之久,直到1979年6月17日才陨落。

技术试验卫星中最让人感兴趣的是生物卫星。我们知道,在载人航天之前须先进行动物试验,看看动物是否能适应太空生活,失重、强辐射的环境对发育、遗传、生育有什么影响,应采取什么防护措施,然后才能慎重地将人送上天。那些携带生物上天的卫星即是生物卫星。

前苏联自1966年起开始执行专门研究空间生命科学的生物卫星计划,基本上每隔1至2年发射一颗生物卫星。星上载有猴子、狗、白鼠、乌龟、苍蝇、细菌、藻类、植物种子等生物,科学家对它们进行了重力生理学、放射生物学和发育生物学实验。卫星飞行最长时间为22天,最短为5天。前苏联的生物卫星计划是一项国际合作项目,东欧诸国、美国、法国等都参加了实验。

中国在1990年10月5日发射的返回式卫星上也进行了太空动物试验,两只雄性小白鼠率先光顾宇宙。它们在天上生活5天零8个小时,由于种种不适应,在返回地面之前死去了。

2.太空驿站——通信卫星

通信卫星,是作为无线电通信中继站的卫星。它像一个国际信使,收集来自地面的各种“信件”,然后再“投递”到另一个地方的用户手里。由于它是“站”在36000公里的高空,所以它的“投递”覆盖面特别大,一颗卫星就可以负责1/3地球表面的通信。如果在地球静止轨道上均匀地放置三颗通信卫星,便可以实现除南北极之外的全球通信。当卫星接收到从一个地面站发来的微弱无线电信号后,会自动把它变成大功率信号,然后发到另一个地面站,或传送到另一颗通信卫星上后,再发到地球另一侧的地面站上,这样,我们就收到了从很远的地方发出的信号。

通信卫星一般采用地球静止轨道,这条轨道位于地球赤道上空35786公里处。卫星在这条轨道上以每秒3075米的速度自西向东绕地球旋转,绕地球一周的时间为23小时56分4秒,恰与地球自转一周的时间相等。因此从地面上看,卫星像挂在天上不动,这就使地面接收站的工作方便多了。接收站的天线可以固定对准卫星,昼夜不间断地进行通信,不必像跟踪那些移动不定的卫星一样而四处“晃动”,使通信时间时断时续。现在,通信卫星已承担了全部洲际通信业务和电视传输。

通信卫星是世界上应用最早、应用最广的卫星之一,许多国家都发射了通信卫星。1965年4月6日美国成功发射了世界第一颗实用静止轨道通信卫星:国际通信卫星1号。到目前为止,该型卫星已发展到了第八代,每一代都在体积、重量、技术性、通信能力、卫星寿命等方面有一定提高。

前苏联的通信卫星命名为“闪电号”,包括闪电1、2、3号等。由于前苏联国土辽阔,“闪电号”卫星大多数不在静止轨道上,而在一条偏心率很大的椭圆轨道上。

中国的第一颗静止轨道通信卫星是1984年4月8日发射的,命名为“东方红二号”,至今已发射成功了五颗。这些卫星先后承担了广播、电视信号传输,远程通讯等工作,为国民经济建设发挥了巨大作用。

3.科学卫星

科学探测卫星,是用来进行空间物理环境探测的卫星。它携带着各种仪器,穿行于大气层和外层空间,收集来自空间的各种信息,使人们对宇宙有了更深的了解,为人类进入太空、利用太空提供了十分宝贵的资料。世界各国最初发射的卫星多是这类卫星或是技术试验卫星。

美国发射的第一颗卫星“探险者”号就是一颗科学探测卫星,以后“探险者”发展成一个科学卫星系列,它们主要用于探测地球大气层和电离层;测量地球高空磁场;测量太阳辐射、太阳风;探测行星际空间等。“探险者”号卫星系列多为小型卫星,但其外形结构差别很大,由于探测的空间区域不同,它们的运行轨道有高有低、有远有近,差别也很大。

“电子号”卫星是前苏联的科学卫星系列,星上装有高、低灵敏度的磁强计、低能粒子分析器、质子检测器、太阳X射线计数器以及研究宇宙辐射成分的仪器等。该系列卫星的主要任务是研究进入地球内、外辐射带的粒子以及相关的各种空间物理现象。

中国的“实践”系列卫星即是技术实验卫星,又是科学探测卫星。“实践一号”卫星装有红外地平仪、太阳角计等探测仪器,取得了许多环境数据。“实践二号”和二号甲、二号乙是用一枚火箭同时发射的三颗卫星。其中“实践二号”外形为八面棱柱体,任务是探测空间环境,试验太阳电池阵对日定向姿态控制和大容量数据存贮等新技术。

天文卫星也是一种科学卫星,它专门对各种天体和其他空间物质进行科学观测。天文卫星在离地面几百公里或更高的轨道上运行,由于没有大气层的阻挡,星上仪器可以接收来自其他天体的各波段电磁波辐射,能够更好地观测宇宙空间。

天文卫星的轨道多数为圆形或近圆形、高度为几百公里,但一般不低于四百公里。这是因为太阳系以外的天体离地球极远,再增加轨道高度也不能缩短相互间的距离,改善观测能力;而轨道太低时,大气密度增加,卫星也难以长时期运行。

4.侦察卫星

侦察卫星,就是窃取军事情报的卫星,它站得高看得远,既能监视又能窃听,是个名副其实的超级间谍。

侦察卫星利用光电遥感器或无线电接收机,搜集地面目标的电磁波信息,用胶卷或磁带记录下来后存贮在卫星返回舱里,待卫星返回时,由地面人员回收。或者通过无线电传输的方法,随时或在某个适当的时候传输给地面的接收站,经光学、电子计算机处理后,人们就可以看到有关目标的信息。

侦察卫星根据执行任务和侦察设备的不同,分为照相侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星和预警卫星。

照相侦察卫星,装有可见光照相机或电视摄像机,能对目标拍照。为了发现和识别目标,照相机镜头和图像分辨率要求很高。这种卫星一般运行在近地点高度150~280公里的轨道上,如果装备红外相机和多光谱相机,还具有夜间侦察和识别伪装的能力。照相侦察卫星按侦察信息送回地面的方式分为返回型和传输型。返回型是将拍好的胶卷存入回收舱中返回地面,它利用胶片成像的原理,优点是图像分辨率高、直观,易于识别分析,缺点是回收不及时,容易贻误战机。传输型利用光电成像原理,先把图像信息记录在磁带上,飞到地面接收站的控制区时,再将图像信息发送到地面,由地面进行处理、识别。它的优点是地面收到信息快,但图像分辨率不高。美国从1959年2月开始发射照相侦察卫星,其中有代表性的为“大鸟”号,它兼有回收胶卷和无线电传输两种功能,寿命52~220天,它拍的照片可以清晰地分辨出火车、汽车、建筑物及行人。

电子侦察卫星,用来侦辨雷达或者其他无线电设备的位置和特性,窃听遥测和通信等机密信息。这种卫星一般运行在高约500或1000多公里的近圆形轨道上。电子侦察卫星是窃听能手,当它经过别国上空时,星上磁带迅速录下雷达信号、电台信号等,等飞经本国上空时又把这些信号输送到地面站,经地面分析、研究,就能掌握别国地面雷达的位置、特性,破译电台的信号。美国1988年8月发射的一颗重型电子侦察卫星,可以同时监听到中苏两国11000条电话和步话机的通话。

海洋监视卫星,装有雷达、无线电接收机、红外探测器等侦察设备,监视海上舰船和潜艇的活动。为了对广阔的海洋连续监视,卫星轨道一般比较高,为1000公里左右的近圆形轨道,并需要由多颗卫星组成海洋监视网。

预警卫星,运行在地球静止轨道,并由几颗卫星组成一个预警网。星上装有红外探测仪,用来探测敌方导弹飞行时发动机尾焰的红外辐射,配合电视摄像机及时准确地判断导弹飞行方向,迅速报警,使防空部队及时拦击导弹,城市居民紧急疏散隐蔽。在预警卫星出现前,人们用巨型雷达预警,由于地球曲面的阻挡,只有当导弹爬高到250公里高空时,雷达才能“看”到目标,预警时间只有15分钟,常常由于来不及准备而被动挨打。预警卫星可以把预警时间提前到30分钟,海湾战争中,美国的爱国者导弹拦截伊拉克的飞毛腿导弹,预警卫星起了极大的作用。

5.气象卫星

明天天气怎么样?这是人们经常要问的一个问题。可是用地面气象台、气球、飞机乃至火箭等去观察天气却有很大局限性,而且地球上有80%的地区无法用上述工具去观测,于是气象卫星便大显身手。

气象卫星是对地球及其大气层进行气象观测的人造地球卫星,具有范围大、及时迅速、连续完整的特点,并能把云图等气象信息发给地面用户。

气象卫星的本领来自于它携带的气象遥感器。这种遥感器能够接收和测量地球及其大气的可见光、红外与微波辐射,并将它们转换成电信号传送到地面。地面接收站再把电信号复原绘出各种云层、地表和洋面图片,进一步处理后就可以发现天气变化的趋势。

气象卫星的轨道大致有两种,一种是太阳同步轨道,一种是地球静止轨道。按照前一种轨道运行,卫星每天对地球表面巡视两遍,其优点是可以获得全球气象资料,缺点是对某一地区每天只能观测两次。若运行于地球静止轨道,则可以对地球近1/5的地区连续进行气象观测,实时将资料送回地面,用四颗卫星均匀地布置在赤道上空,就能对全球中、低纬度地区气象状况进行连续监测;它的缺点是对纬度大于55度地区的气象观测能力差。这两种卫星如果同时在天上工作,就可以优势互补。

到目前为止,美国、前苏联、日本、欧洲空间局、中国、印度等共发射了100多颗气象卫星。

世界上第一颗气象卫星是美国发射的“泰罗斯”卫星,它为美国提供了大量气象资料。但它的云图分辨率不高,随发随收的功能还不理想,只能作为试验型卫星。

前苏联的气象卫星命名为“流星”号,分Ⅰ、Ⅱ号两个系列。“流星Ⅱ号”卫星为太阳同步轨道卫星,每天两次探测全球有关云层分布、雪和冰层覆盖、地面温度、云顶高度等数据,并将数据传给本国及其他国家的60多个自动图象接收站,业务十分繁忙。

中国1988年9月7日发射了第一颗气象卫星——“风云一号”太阳同步轨道气象卫星。卫星云图的清晰度强,但由于星上元器件发生故障,它只工作了39天。目前,性能更先进的“风云二号”地球静止轨道气象卫星已经投入应用,并为国民经济建设发挥了巨大作用。

二、载人飞船

载人飞船(mannedspacecraft),能保障航天员在外层空间生活和工作以执行航天任务并返回地面的航天器。又称宇宙飞船。载人飞船可以独立进行航天活动,也可用为往返于地面和空间站之间的“渡船”,还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行。载人飞船容积较小,受到所载消耗性物质数量的限制,不具备再补给的能力,而且不能重复使用。1961年苏联发射了第一艘东方号飞船,后来又发射了上升号和联盟号飞船。美国也相继发射了水星号、双子星座号、阿波罗号等载人飞船。阿波罗号是登月载人飞船。载人飞船一般由乘员返回舱、轨道舱、服务舱、对接舱和应急救生装置等部分组成,登月飞船还具有登月舱。为了保证人员能进入太空和安全返回地面,载人飞船有以下主要分系统:结构系统;姿态控制系统;轨道控制系统;无线电测控系统;电源系统;返回着陆系统;生命保障系统;仪表照明系统和应急救生系统。

载人飞船具有多种用途,主要有:①进行近地轨道飞行,试验各种载人航天技术,如轨道交会和对接、航天员出舱进入太空等。②考察轨道上失重和空间辐射等因素对人体的影响,发展航天医学。③为航天站接送人员和运送物资。④利用各种遥感设备进行对地球的观测。⑤进行空间探测和天文观测。⑥进行登月飞行或行星际飞行。