书城科普精彩绚丽的宇宙时空(A卷 新编科技大博览)
21182600000009

第9章 天文发现(4)

太阳温度在变冷。经观测发现,自1978年以来,太阳辐射强度每年下降约0.016%。科学家们设想,假如太阳继续变冷,地球上可能再次出现一个“小冰川期”。

太阳亮度在减弱。美国和瑞士的天文学家发现,从1978年起,太阳的亮度已开始减弱。科学家们认为,这是由于太阳黑子数量的变化引起的。这种现象如果持续若干年,将会明显地影响地球上的气候。

偌大大千世界,变化是必然的,人们不必为太阳的这些变化感到惊恐。

月球的发现

众所周知,月球是地球惟一的天然卫星。月球的直径为3476千米,大约等于地球直径的3/11。月球的表面积大约等于地球的1/14,比亚洲的面积稍小些。月球的质量为7.35×1022千克,相当于地球质量的1/81。月球离地球虽然很近,但平均距离也有38.4万多千米。从这几个枯燥的数字来看,可知月球同其他卫星相比是有点特别。一般说来,卫星与其中心行星相比要小得多,两者间的质量比小于10-4,而且离中心行星较近。

人们鉴于月球是一颗颇有特色的天然卫星,因而认为它可能是一个有着特殊起源,具有极大科学研究价值的天体。有的人根据康德(Kant,1724~1804)、拉普拉斯(1749~1827)太阳系起源的星云假说提出的同源说认为:同行星是原始太阳星云收缩演化形成的那样,卫星则是行星在收缩时形成的,是行星形成过程在小规模上的重复。首先,这种看法是片面的,卫星系形成与行星系形成有某些相似之处,但决不是行星形成的重演。木星、土星周围存在不规则卫星就是一个佐证。其次,既然月球和地球有相同的起源,那为什么地球的平均密度是5.52克/厘米?,而月球仅为3.34克/厘米??同源说在解释为什么月球有一个与地核相比却存在如此之小的金属核时也总是遇到麻烦。为了克服这些困难,同源说又认为月球形成时间比地球稍晚,地球形成时已把含铁等金属元素较多的尘粒聚集成原始地球,月球则是由残余在原始地球周围的含金属较少的尘粒聚集成的。但这种解释似乎证据不足。

有的人考虑到月球的平均密度与地球表层地幔的平均密度相当,以及存在太平洋巨大凹陷的事实,提出月球是在地球处在熔融状态时分裂出去的,这就是“分裂说”。它最先是由查理·达尔文(Charles Robert Darwin,1809~1882)的二儿子乔治·达尔文(George Howard Darwin,1845~1912)提出的。他们估计早期地球自转很快,约每4时转一圈。与此同时月落乌江,太阳对地球的潮汐作用与当时地球摆动的周期相等,造成共振。于是地球赤道部分隆起如此之高,以致最终有一小块被抛出演化成月球。若果真如此,月球应当在地球的赤道面上绕地球公转。可是月球的公转平面(白道面)与地球赤道面之间却有28°35′的夹角。而且根据计算表明,地月系统的全部角动量也不足以使地球分裂。地球必须每2.5时自转一周,才能通过离心力作用抛出形成月球的物质。即使把能补充角动量的事件——直径大到几百千米的星子的撞击——包括在内,也无济于事。可见分裂说难成立,所以又有人提出“俘获说”。这个假说认为很久以前,在地球轨道附近的小行星或在火星区域的一个天体,偶然被地球俘获成为今天的月球。不过月球刚被地球俘获时是绕地球逆行的,由于地球长期对它的潮汐摩擦作用,月球才逐渐接近地球。在此期间月球把地球原来的几个小卫星都一个一个地吞下去了,形成了月瘤,或者与小卫星碰撞形成月面上的大凹地。潮汐摩擦作用到一定程度,月球从逆行变成顺行,然后逐渐离开地球。显然,俘获说可毫不费力地解释月球在密度、化学组成上与地球的差别,但地球要捕捉这样大的月球几乎是不可能的,即使捕捉到了,也会引起地球上起潮力的巨大变化,而这必定会在地球上留下痕迹,但至今仍没有找到这类痕迹。最近通过月球样品分月亮和地球析,表明月球和地球具有近似数量的各种氧同位素,说明两者很可能同根。若月球在太阳系内的别处形成,那它很可能会具有与地球不同的氧同位素组成。这是对俘获说的致命打击。

以上是月球起源的3个经典假说,均有捉襟见肘的缺点。1975年哈特曼(Hartmnann)等人首先提出大碰撞假说。这个假说认为:大约距今45亿年前,有一颗质量约为地球质量1/7的飞来星体(比火星还大)与当时的地球发生极其猛烈的碰撞,原地球与飞来星体的一部分被撞碎了,并汽化而溅出。原地球的大部分与飞来星体的大块重新组合成一个新的地球。而那些飞到外部空间的溅射体,受到地球引力的作用,速度越来越小,最后它们聚拢到一起,并绕地球转动,这就形成了月球。由于月球主要是由飞来星体的幔与少部分地幔物质组成的,所以它的平均密度较低,与地球上部地幔的平均密度相近。按该假说,月球公转的轨道不一定要与地球赤道面重合。大碰撞时产生约7000℃的高温,使易挥发的元素逃逸到宇宙空间中去,留下较多的难熔的元素,因此月球富含钙、铝、钛、铁、铀等元素,而缺少钠、钾、铅、铋等挥发性元素。人们分析阿波罗登月带回的岩石样品,测得月球平均元素的组成,并与地壳相比较,与人们的预料基本相符。

科学家根据大碰撞理论作模拟计算,重现了两星体从碰撞到分离又各自聚合的全过程,并适当地调整飞来星体的质量便可得到与实际比较符合的结果。值得指出的是,根据美国重返月球计划,于1994年发射了克莱门汀(Clementine)-1号无人驾驶宇宙飞船,在绕月飞行71天中,对月球进行了迄今为止最为详尽的地貌测绘,并对其矿物构成和引力分布进行了分析。对这些数据以及150多万张雷达照片的判读,人类对月球虽然有了新认识,但没有动摇大碰撞的观点。

月球上的空气和水

晴朗的夜晚,皓月当空,在闪烁的群星中,月亮显得特别明亮。由于古代科学技术水平的限制,人们曾想象月亮上是个美丽的神仙世界,上面有金碧辉煌的广寒宫,翩翩起舞的嫦娥……

那么,月亮上真是神话中的仙境吗?上面有没有人类赖以生存的水和空气呢?到月亮上去看一看,是人类长期以来的一个梦想。

1969年7月21日,“阿波罗11号”宇宙飞船载着航天员第一次登上了神秘的月球,实现了人类的登月之梦。以后,1969~1972年,又有10名航天员探索了月球表面,从此揭开了月球神秘的面纱。航天员在月球表面拍摄了1.5万张照片,带回了380千克的月岩及月壤的样品。探索结果不仅击碎了美丽的神话,还发现月球上面既没有水也没有空气,白天酷热,夜晚奇冷,没有花草树木,更没有飞禽走兽,是一个寂静、荒芜的世界。在月球上,由于没有空气,声音也无法传播,航天员只有利用无线电波才能进行通话。

令人高兴的是,1998年初,美国“月球探索者号”飞船,在对月球作进一步探测时发现,在月球的南北极,终年照不到阳光的环形坑内的土壤中,存在着大量的水冰。根据初步估计,这些水冰可能多达100亿吨。这个发现,为人类进一步开发月球提供了必要的保证。因为,未来的月球居民可以从水冰来获得必要的水源,并可以把水分解成氢气和氧气,从而得到人类和动植物呼吸所需要的空气。看来,到月球上去生活并非仅仅是幻想。

月球上的“海洋”和“陆地”

夜晚,仰望当空的明月,你可以看出月亮上有的地方明亮、有的地方暗淡。古时候,人们无法解释这种现象,就把月亮想象成嫦娥居住的广寒宫。17世纪初,意大利科学家伽利略第一次用自制的望远镜指向月亮时,他没有看到美丽的嫦娥,却发现月亮上坑坑洼洼、凹凸不平。伽利略认为,那些凸起的明亮的部分一定是高山和陆地,称为“月陆”;而那些凹下去的暗浅的部分一定是海洋,称为“月海”。伽利略还给这些“海洋”取了名字,如云海、湿海、雨海、风暴洋等等。

这么说来,月球上的确有“陆地”和“海洋”啰?

月海随着天文观测技术的进步,特别是宇航探测技术的发展,人们又进一步发现,月亮上明亮的部分确实是高地、山峰和环形山等,但暗淡的部分却并非是海洋,里面根本没有水,只是些低洼而广阔的大平原而已。尽管如此,“月海”这个并不确切的名称一直沿用到现在。

已正式命名的月海有22个,其中绝大多数分布在月球正对着地球的一面,其中最大的月海称为风暴洋,面积超过500万平方千米,其次是雨海,面积在80万平方千米以上。

由于月海一般都比月陆低2000~3000米,最深的地方要低6000米。再加上月陆部分主要是由浅色的岩石组成,而月海部分主要由暗色的熔岩物质组成。所以,月陆部分反射太阳光的本领强,看上去较明亮;而月海部分反射太阳光的本领弱,看上去就暗淡一些。

月亮上的环形山

用望远镜观测月球表面,除了看见有大片平原和一些高山以外,还可以看到月球表面上有许许多多大大小小的圆圈。这每一个圆圈就是月亮上的一座环形山。普通环形山在我们所能观测到的半球上,直径在1千米以上的环形山约有30万座以上。有一座叫贝利的环形山,直径有295千米,可以把整个海南岛放在里面。月球背面的环形山更多。

环形山的结构很有趣,当中是一块圆形的平地,外围是一圈山环,山环高达几千米,内坡一般比较陡峭,外坡比较平缓,有些环形山的中间还耸立着一个孤单单的山峰。

对于月亮上环形山的形成原因,现在有两种解释:一种认为,环形山是由于陨星撞击月球表面而形成的。月亮上没有空气,陨星可以直接撞击月面,撞击爆发出来的物质堆积成为圆形的环形山。一部分飞溅得特别远的,洒落在月面上便形成以环形山为中心向四方伸展达几千千米的“辐射纹”。

另外一种解释认为月球在历史上发生过猛烈的火山爆发,环形山就是喷射出来的物质凝结而成的。由于月面重力只有地球的六分之一,所以火山喷发的规模大,往往形成巨大的环形山。

现在公认的看法是,月亮上的环形山,主要是由于陨星撞击形成的,而由火山爆发形成的环形山只占一小部分。

月面环形山多以地球上著名科学家的名字命名,如哥白尼环形山、阿基米德环形山、牛顿环形山、伊巴谷环形山、卡西尼环形山等。科学家认为,环形山大都是由流星体、小行星和彗星撞击而成,个别的则是由火山爆发形成。

月食的发现

月明星稀的晴夜,圆圆的月亮也会缺一大块,甚至变得暗淡无光。这就是月食。

过去,人们不知道日食和月食发生的原因,每当看到日月食时,都引起恐慌,认为日月失光,是很不吉利的。于是人们作出种种迷信的解释。例如,我国古代普遍认为日食是天狗吃日,月食是蟾蜍食月。所以,每逢日食或月食,人们都要敲锣击鼓,鸣盆响罐来“救日”和“救月”,以为这样可以吓跑天狗和蟾蜍。

有一个月食扭转了战局的故事。公元前413年,地中海西西里岛的叙拉库斯人和雅典人交战。当时,雅典舰队正满怀胜利信心攻打叙拉库斯的港口。但是,那夜有月食发生,雅典人迷信天象,以为此时进攻不吉利,推迟攻打日期。这样叙拉库斯人有了准备的机会,加强了兵力和设防,结果把雅典人舰队打得全军覆没。

月食比较简单,只有月全食和月偏食两种,没有月环食。这是因为地球比月球大,地本影比月本影长,月球不会落进地球的伪本影内。

由于月球自西向东进入地影,所以月食是从月轮东边开始,这与日食相反。另外,日全食只有几分钟,而月全食却可延续一小时以上,这是因为在月球完全进入本影时才发生月全食,而地本影的直径是月轮直径的两倍半,月球通过地本影的时间也就比较长。在观测方面,月食和日食的最大不同是:在朝向月球的半个地球表面上,各地观测者所看到的月食情况完全一样,月食的各阶段(例如初亏、食甚、复圆等)发生的时刻也完全一样。这是由于月球本身不发光,落进地影的月轮从任何地方看都是黑暗的。

月全食时,即使月球已全部进入地本影,月光也并不完全消失,而呈现为暗弱的红铜色。这是由于日光经过地球大气的折射,其中的蓝光和紫光被地球大气吸收和散射了,而红光则被大气折射到地本影里,照到了月面。

日、月食的发生既然与月球周期性的会合旋转密切联系在一起,就不难理解日、月食的发生也具有周期性。这个周期很早就被人们发现了,约为6585.3天(相当于18年零11天左右)。

就整个地球而言,一年最多可以有7次日、月食,其中5次日食和2次月食,或4次日食和3次月食,一般情况是两次日食和两次月食。