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，隨著歷史的演進而逐漸發(fā)展。宇宙的界限，隨著天文學的進步而逐漸擴大。我們的祖先由于受條件的限制，只能用眼睛觀測大地萬物，因而錯誤地認為宇宙是有邊界的，所以人們常說“近在眼前，遠在天邊”。雖然先祖關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間和空間結合在一起，這一點是值得肯定的。而歐洲在中古以前，還是把空間與時間割裂開來的。關于宇宙的思想，我們的祖先要比當時的西方人豐富得多。隨著科學技術的發(fā)展，觀測工具日益先進，人們對宇宙的認識逐步加深，從太陽到太陽系，再擴展到銀河系、河外星系、星系團、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：你所認識的宇宙是怎樣的？你能說出人類認識宇宙經(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，如宇宙是物質(zhì)的，物質(zhì)走運動的，宇宙處于不斷的運動和發(fā)展之中。天體之間相互吸引和相互繞轉，形成天體系統(tǒng)。目前，人們認識到的天體系統(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。
　　人類對宇宙的認識經(jīng)歷了漫長的時間。古代自然哲學所討論的天文學的宇宙，不外平大地和天空。16世紀哥白尼倡導的“日心說”，認為“太陽是宇宙的中心”，意味著宇宙實際上就是太陽系。18世紀天文學家引進“星系”一詞，在一定意義上也不過是宇宙的同義語。20世紀以來，尤其是60年代大型天文望遠鏡的使用，以及空間探測技術的發(fā)展，使天文觀測的尺度大大擴展，達到上百億年和上百億光年的時空區(qū)域。人們對宇宙的認識不斷加深。
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7000多萬米的帶電粒子流，以每秒6500千米的速度闖進地球大氣層，頓時引起地球電離層和地磁場變化。當時幾乎所有的飛機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)生了強烈的雷暴。至于弱電儀器和電子設備更是變化無常，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系。例如，有人經(jīng)研究認為，太陽黑子數(shù)的變化與自然災害活躍期有一定關系，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害的時期。當然，太陽活動對地球的這種影響十分復雜，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)實密切結合的問題。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。它包括光球層上的黑子和色球層上的耀斑，太陽的黑子數(shù)的增減常作為太陽活動強弱的標志，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。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，結合教材進行分析。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；當太陽活動增強時，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。“機遇”號在對著陸的火星“梅里迪亞尼平面”進行探測的過程中，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生物的直接證據(jù)，但是美宇航局科學家稱，“機遇”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)支持這樣一個結論，當這些巖層形成時，當時火星的環(huán)境可能適合有機生物體的存在和繁衍，當然，這個結論并不表明火星上存在過生命，因為還沒有直接證據(jù)。
　　問題：你認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、小行星繞日公轉方向一致，而且繞日公轉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)部結構和物質(zhì)運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”號航天飛機為避免與一個失效衛(wèi)星發(fā)生碰撞，機上宇航員不得不對航線進行調(diào)整。1995年，日本宇宙事業(yè)開發(fā)團發(fā)射的大空實驗觀測自由飛行器，在太空運行8個月后被“奮進”號航天飛機收回，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，一起來保護宇宙環(huán)境。
　　面對這些存在于大空之中的潛在危險，科學家們大聲疾呼，“保持太空清潔！”
　　問題：現(xiàn)在你是中學生，將來可能成為一名航天科學家，現(xiàn)在你以一名未來航天科學家的身份，向有關部門提出建議，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。一些新聞媒體進行了報道。隨之，不少新聞媒體報道有關太陽活動對人類的影響。報道中有些不實之詞，甚至聳人聽聞。現(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。如太陽的強粒子輻射若到達地球，就會破壞宇航環(huán)境以及與之相關的現(xiàn)代尖端技術的試驗和實施。太陽X射線爆發(fā)會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，不管多強的太陽活動對我們?nèi)祟惼匠５牡孛婊顒硬粫�構成像地震那樣的直接嚴重威脅。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暴。當這些高能帶電粒子流到達地球軌道附近時，我們稱它們?yōu)樘�陽質(zhì)子事件。當這些粒子沿地球磁場到達地球極區(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，強太陽質(zhì)子事件也會對在高緯地區(qū)飛行的旅客和乘務人員構成輻射威脅。另外，強高能帶電粒子流對地球的沖擊會引起地球電磁系統(tǒng)的變化和地磁暴，從而可能導致高緯地區(qū)高壓輸電網(wǎng)絡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。因為X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，從而導致通訊衰減或中斷。太陽紫外線輻射增強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”。我國的地震學家也證明，這個時期是華北大地震最多的時期。人們認為這個時期的寒冷和地震與太陽上少黑子有關。
　　從1801年科學家就開始研究太陽黑子與地球上旱澇災害的關系，發(fā)現(xiàn)當日面上黑子少時，一些地區(qū)雨量就少，地面干旱，但是，后來有的統(tǒng)計研究認為當日面上黑子多時，一些地區(qū)雨量就少，地面干旱。這種對不同地區(qū)統(tǒng)計而得到的相反結果就很難使人相信地面雨量的多少與太陽活動有直接關系。從物理角度講，太陽對地球的影響是全球性的，即便有關也是太陽因素經(jīng)地球內(nèi)因的作用進行了再分配。
　　太陽活動可能對人類的情緒和疾病有推波助瀾的作用�？臻g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弱呈正相關關系。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弱呈正相關關系。但是，應提請注意的是，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。一些科學家認為，起因于太陽風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?shù)卮呕顒訌娏視r，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。還有一些科學家和醫(yī)學家認為人體有生物電。腦電圖、心電圖等的測試儀器就是據(jù)此而設計的。無數(shù)細胞生物電匯集，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?shù)厍虼艌霰粡娏覕_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)境最強烈的、災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，它的面積相當于幾十個地球的面積。此黑子群發(fā)生的幾十個強烈耀斑活動引起過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暴到達地球，引起強烈地磁暴。這次強日地活動使加拿大魁北克省的大部分地區(qū)停電達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)境的嚴重影響和控制。從60年代開始，紛紛成立日地空間天氣的預報結構，進行相關研究和預報服務，并且成立了“國際空間環(huán)境服務中心”，總部設在美國。其下設有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60年代末就開始了太陽活動預報的研究和服務，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，我國正在組織有關單位制定“我國空間天氣戰(zhàn)略計劃”。隨著我國科學技術的進步，日地空間環(huán)境預報和服務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。太陽活動不會給在地面活動的人類帶來像地震那樣可怕的災難，更何況能導致強烈地磁暴的太陽爆發(fā)是稀少事件。