1.1.1　地球的宇宙环境　拓展探究

1．材料：宇宙就是天地万物的总称。宇宙一词最早出现于战国时代尸校的《尸子》一书中。尸校认为：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”这样，我们可以知道“宇”是表示空间，“宙”是表示时间。空间和时间的概念，随着历史的演进而逐渐发展。宇宙的界限，随着天文学的进步而逐渐扩大。我们的祖先由于受条件的限制，只能用眼睛观测大地万物，因而错误地认为宇宙是有边界的，所以人们常说“近在眼前，远在天边”。虽然先祖关于宇宙边界的认识有失偏颇，但他们在2300多年前就巧妙地把时间和空间结合在一起，这一点是值得肯定的。而欧洲在中古以前，还是把空间与时间割裂开来的。关于宇宙的思想，我们的祖先要比当时的西方人丰富得多。随着科学技术的发展，观测工具日益先进，人们对宇宙的认识逐步加深，从太阳到太阳系，再扩展到银河系、河外星系、星系团、总星系。现已能观测到200多亿光年的宇宙深处，这个范围内包含了10亿个以上的星系。
　　问题：你所认识的宇宙是怎样的？你能说出人类认识宇宙经历了一个怎样的过程？
　　我的思路：尽管每个人对宇宙的认识水平不同，认识能力也有差别，但对宇宙认识总有一些共同点，如宇宙是物质的，物质走运动的，宇宙处于不断的运动和发展之中。天体之间相互吸引和相互绕转，形成天体系统。目前，人们认识到的天体系统，从小到大排列，有以下几个层次：地月系—太阳系—银河系—总星系。
　　人类对宇宙的认识经历了漫长的时间。古代自然哲学所讨论的天文学的宇宙，不外平大地和天空。16世纪哥白尼倡导的“日心说”，认为“太阳是宇宙的中心”，意味着宇宙实际上就是太阳系。18世纪天文学家引进“星系”一词，在一定意义上也不过是宇宙的同义语。20世纪以来，尤其是60年代大型天文望远镜的使用，以及空间探测技术的发展，使天文观测的尺度大大扩展，达到上百亿年和上百亿光年的时空区域。人们对宇宙的认识不断加深。
2．材料：1972年8月7日太阳出现耀斑大爆发。爆发后，强烈的太阳X射线、紫外线和射电伴随着大量带电粒子流连续猛烈轰击地球达一个星期之久。其中在爆发开始后5小时之内有一股粗约16千米、长达7000多万米的带电粒子流，以每秒6500千米的速度闯进地球大气层，顿时引起地球电离层和地磁场变化。当时几乎所有的飞机和轮船上的磁罗盘指针都颤动起来，全世界的短波无线电通讯彻底中断，极区出现明亮的极光。在一些地区甚至影响到电力线路，致使电灯忽明忽暗，仿佛发生了强烈的雷暴。至于弱电仪器和电子设备更是变化无常，不能正常工作。
　　太阳活动对地球除爆发性影响之外，还有人从历史记载的统计中得出太阳活动起伏，可能与气候、气象、江河水位，甚至地震等很多方面有关系。例如，有人经研究认为，太阳黑子数的变化与自然灾害活跃期有一定关系，与我国地震活跃期和严重洪涝和其他自然灾害有一定关联。1909、1931、1954、1975年是太阳黑子的双周期，这些双周期刚好就在奉世纪4个地震活跃期中，而双周期及其前后又是我国长江、黄淮流域出现特大洪涝或其他自然灾害的时期。当然，太阳活动对地球的这种影响十分复杂，至今还没有整理出比较确切可靠并可资利用的统计规律，其物理机制是怎样的也还没有搞清楚。
　　问题：阅读上述材料回答：太阳活动主要类型有哪几种？对地球有哪些影响？
　　我的思路：这是一个与现实密切结合的问题。太阳大气层时常发生变化，有时甚至较为剧烈，这些变化统称为太阳活动。它包括光球层上的黑子和色球层上的耀斑，太阳的黑子数的增减常作为太阳活动强弱的标志，耀斑是太阳活动最激烈的显示，二者往往相伴出现，活动周期都是11年。
　　通过上面的材料，我们很容易找出太阳活动的主要类型有黑子和耀斑两种。至于对地球的影响具体有好多方面，需要我们分析、归纳总结。一般思路是：先找出材料中给出了哪些影响，然后再将这些影响分类整理，结合教材进行分析。太阳活动对地球的影响包括对地球自然环境的影响和对人类活动的影响两大方面，具体来说主要影响有：太阳活动会对地球上的大气产生影响，出现气候异常；太阳活动产生的短波辐射和粒子流对地球的电离层产生扰动，影响地面无线电短波通信；当太阳活动增强时，太阳大气抛出的带电粒子流能使地球磁场受到扰动，产生“磁暴现象”使磁针剧烈颤动，不能正确指示方向；另外，太阳活动还与气象、地震都有一定的相关性。
3．材料：今年（2004年）年初，美国宇航局发射火星车“勇气”号及其孪生兄弟“机遇”号相继在火星上着陆，它们的主要使命是研究火星上是否有过水。“机遇”号在对着陆的火星“梅里迪亚尼平面”进行探测的过程中，发现了这一区域历史上部分被液态咸水覆盖的证据。“勇气”号此前也在“古谢夫环形山”其他地方找到水曾存在过的蛛丝马迹。
　　尽管火星车还没有找到火星存在有机生物的直接证据，但是美宇航局科学家称，“机遇”号火星车找到了火星上曾经存在液态水的证据。根据对火星车探测到的岩层以及其他矿石状况的数据分析，科学家发现火星车所在区域的一些岩层表面有被水浸泡的迹象，这些发现支持这样一个结论，当这些岩层形成时，当时火星的环境可能适合有机生物体的存在和繁衍，当然，这个结论并不表明火星上存在过生命，因为还没有直接证据。
　　问题：你认为火星上可能有生命吗？同样是太阳系的成员，为什么地球上有生命？
　　我的思路：探索地外文明，寻找地球以外的生命是宇宙探索的一个重要课题，也是人类长期的梦想之一。据科学家研究，生命是起源于水中，因此寻找水，特别是液态水就成了寻找生命的前提。火星上曾经有水的痕迹，也激起了人们对火星生命的企望。不过，到现在为止人们还没有在火星上发现有任何生命活动的证据。尽管火星和地球同属于太阳系的九大行星之一，也属于类地行星，和地球相比有许多共性，但却没有地球上存在生命物质的条件。
　　地球上存在生命物质的条件有：地球附近的行星际空间，大、小行星绕日公转方向一致，而且绕日公转轨道面几乎在一个平面上。大、小行星各行其道，互不干扰，使地球处于一个比较稳定的安全的宇宙环境之中；太阳比较稳定，使地球所处的光照条件比较稳定，生命从低级向高级的演化没有中断；地球在太阳系中的位置适中，使之具有人类适宜的温度条件；地球的体积和质量适中，使其能吸引住大气，并经过漫长的演化形成了适宜生物呼吸的大气；地球的内部结构和物质运动使其具有人类不可或缺的生命之源——水的形成和存在。

4、材料：自1975年以来，约有4600颗废弃卫星及同样多的失事火箭及其他航天器的碎片在近地轨道上游荡，它们中虽然每天有2～3颗脱离轨道进入大气尽被烧毁，但仍以每年200～300件的速度增加。它们的运行速度是炮弹飞行速度的几十倍，所以对航天器造成巨大威胁。1996年1月，在太空飞行的美国“奋进”号航天飞机为避免与一个失效卫星发生碰撞，机上宇航员不得不对航线进行调整。1995年，日本宇宙事业开发团发射的大空实验观测自由飞行器，在太空运行8个月后被“奋进”号航天飞机收回，经检查，其外壳被太空垃圾撞击布满麻坑。1983年一小块剥落的油漆曾撞坏“挑战者”号航天飞机的前窗。目前人类发射的航天器在地面监控中心与宇航员密切配合下可及时躲避太空垃圾，而人造卫星则难以躲避。人类现在正研制限制大空垃圾、减少危害的方法，这同样需要世界各国的共同努力，一起来保护宇宙环境。
　　面对这些存在于大空之中的潜在危险，科学家们大声疾呼，“保持太空清洁！”
　　问题：现在你是中学生，将来可能成为一名航天科学家，现在你以一名未来航天科学家的身份，向有关部门提出建议，告诉他们保持太空清洁的重要性，太空垃圾是怎样产生的，怎样保持太空清洁？
　　依据：人类向宇宙空间发射的各种航天器，固然有十分重大的科研和应用价值，但是不可避免地会产生空间垃圾，例如：工作寿命终止的航天器、因意外或有意爆炸产生的碎片，以及宇航员扔出飞船舱外的垃圾等。这些空间垃圾大约以每年10％的速度增加，而且体积越来越大。由于空间垃圾和航天器之间的相对速度很大，一般为每秒几千米至每秒几十千米，因此，即使轻微的撞击，也会造成航天器的重大损坏。
　　现在，航天专家们已经开始研究限制太空垃圾的产生，以及清除太空垃圾的方法。例如：将停止工作的卫星推进到其他轨道上去，以免同正常工作的卫星发生碰撞；用航天飞机把损坏的卫星带回地球，以减少空间的大件垃圾。
　　拓展：宇宙资源主要有空间资源、太阳能资源、矿产资源。人们利用宇宙空间这个特殊环境，通过人造卫星可从远距离观测地球，迅速、大量收集地球的各种信息。宇宙具有的失重、高真空、超净和极端温度等条件是生产某些特殊物品所必需的，如太空育种、太空冶金等。

5、太阳活动对人类影响有多大？
　　2004年的2月底到3月初，日面上出现了两个大太阳黑子群。许多人在早晨和傍晚都以肉眼看到了它们。一些新闻媒体进行了报道。随之，不少新闻媒体报道有关太阳活动对人类的影响。报道中有些不实之词，甚至耸人听闻。现在，太阳正处在它的第23个活动高峰期，日面上黑子群相当多。经常会出现大太阳黑子群，这是很正常的。2月底到3月初的两太阳黑子群虽然大，但并没有发生太强烈的太阳爆发，对地球影响不大。
　　人们常说，太阳是万物之源，万物生长靠太阳。太阳给地球带来了光明和温暖，给人类以生存的条件，创造了人类生活的美好环境。但是，太阳活动特别是大爆发确实会影响和破坏地球环境，特别是近地空间环境。如太阳的强粒子辐射若到达地球，就会破坏宇航环境以及与之相关的现代尖端技术的试验和实施。太阳X射线爆发会引起地球电离层突然骚扰，因而导致短波通信衰减，甚至中断。但是，不管多强的太阳活动对我们人类平常的地面活动不会构成像地震那样的直接严重威胁。太阳和太阳爆发的能量辐射分为粒子辐射和电磁辐射。它们对地球大气的影响是不同的。
　　当太阳上有大爆发时，有时会喷射出大量的高能带电粒子流，人们把它称作太阳风暴。当这些高能带电粒子流到达地球轨道附近时，我们称它们为太阳质子事件。当这些粒子沿地球磁场到达地球极区时，人们称它们为极盖事件。高能带电粒子流会破坏卫星的控制系统和击毁电子元器件，从而导致航天器的控制系统和传感器失灵，以致整个航天器被毁；太阳高能带电粒子流还会威胁宇航员的生命，强太阳质子事件也会对在高纬地区飞行的旅客和乘务人员构成辐射威胁。另外，强高能带电粒子流对地球的冲击会引起地球电磁系统的变化和地磁暴，从而可能导致高纬地区高压输电网络和地下输油管道损坏。
　　除了粒子辐射外，伴随太阳耀斑，还发射强烈的X射线辐射。我们称它为X射线爆发或X射线耀斑。这种频率极高的辐射，在20世纪60年代，随着火箭的升空和宇宙飞行器的问世才被观测到。因为X射线爆发的绝大部分都被地球大气吸收了，在地面很难观测到它们。与太阳耀斑相伴的X射线爆发会引起地球电离层的扰动，使电离层的电子密度增加，这时通过电离层反射传播的短波无线电信号会被部分地、甚至全部地吸收，从而导致通讯衰减或中断。太阳紫外线辐射增强也会增加地球电离层的电离度，因而使地球大气向外膨胀，增加对中、低轨道卫星的拖曳力。
　　另外，太阳活动对气候、天气、人类的地面活动有没有影响呢？应该说是有的，但比起对空间环境的影响要弱得多，而且是间接的。
　　大家都听说过太阳活动的“蒙德极小期”，这是英国天文学家蒙德最先发现的，因而以其名命名。蒙德的研究证明，公元1645到1715年间，太阳上很少有黑子。这个时期，北欧气候非常寒冷。我国历史学家的考证证明，这个时期是人类有史以来最冷的时期，被称作“小冰河期”。我国的地震学家也证明，这个时期是华北大地震最多的时期。人们认为这个时期的寒冷和地震与太阳上少黑子有关。
　　从1801年科学家就开始研究太阳黑子与地球上旱涝灾害的关系，发现当日面上黑子少时，一些地区雨量就少，地面干旱，但是，后来有的统计研究认为当日面上黑子多时，一些地区雨量就少，地面干旱。这种对不同地区统计而得到的相反结果就很难使人相信地面雨量的多少与太阳活动有直接关系。从物理角度讲，太阳对地球的影响是全球性的，即便有关也是太阳因素经地球内因的作用进行了再分配。
　　太阳活动可能对人类的情绪和疾病有推波助澜的作用。空间物理环境随太阳活动（能量）的波动经日地能量耦合可能会影响地面人类的生理功能和疾病。一些研究表明动、植物的繁殖、发育和生长过程受太阳活动的调节。一些研究者指出，新生儿的死亡率和妇女的疾病发生率与太阳黑子活动强弱呈正相关关系。像一些传染病（猩红热、白喉症、痢疾、流感等）、心血管疾病、眼病等等的发病率都与太阳活动的强弱呈正相关关系。但是，应提请注意的是，这些影响不是太阳辐射的电磁波和粒子直接打到地面上引起的。一些科学家认为，起因于太阳风暴的地磁活动对人体内分泌水平具有显著的调制作用，人体的神经系统对地磁扰动非常敏感。当地磁活动强烈时，人类植物神经系统交感神经的紧张程度有提高，因而人类的攻击性行为加剧，交通事故增多，人的判断错误串上升。还有一些科学家和医学家认为人体有生物电。脑电图、心电图等的测试仪器就是据此而设计的。无数细胞生物电汇集，形成人体的电磁场。在通常情况下，人体电磁场和地球电磁场处于相互融洽状态。当地球磁场被强烈扰动时，会打破人体电磁场和地球电磁场的平衡，使人体的某些功能发生紊乱，影响人的情绪和诱发疾病。
　　近十几年来引起地球空间环境最强烈的、灾害性变化的太阳活动发生在1989年3月。3月初，日面上出现了一个大太阳黑子群，它的面积相当于几十个地球的面积。此黑子群发生的几十个强烈耀斑活动引起过39次强烈短波通讯突然骚扰，其中15次通讯部分中断，24次全部中断。这个黑子群发生的大爆发把大量的高能带电粒子抛向地球，在近地空间，或者说卫星轨道空间引起了一场灾难。据美国地球物理资料中心统计，1989年3月份，有46例卫星异常的记录。源于这个黑子群的太阳风暴到达地球，引起强烈地磁暴。这次强日地活动使加拿大魁北克省的大部分地区停电达9小时以上，600万居民受到影响，使魁北克省电力公司损失19400兆瓦的电力。
　　正是鉴于上述原因，不少国家非常注意太阳活动对地球环境的严重影响和控制。从60年代开始，纷纷成立日地空间天气的预报结构，进行相关研究和预报服务，并且成立了“国际空间环境服务中心”，总部设在美国。其下设有10个区域警报中心。有美国、加拿大、俄罗斯、日本、捷克斯洛伐克、法国、印度、澳大利亚、波兰和我国。随着我国航天事业的崛起和国防通讯事业的发展，我国从20世纪60年代末就开始了太阳活动预报的研究和服务，为我国的航天事业、国防通讯事业作出了有益的贡献。目前，我国正在组织有关单位制定“我国空间天气战略计划”。随着我国科学技术的进步，日地空间环境预报和服务必将为我国的航天事业，国防通讯事业作出更大的贡献。
　　然而，我们不要产生误解，更不必惊慌失措。太阳活动不会给在地面活动的人类带来像地震那样可怕的灾难，更何况能导致强烈地磁暴的太阳爆发是稀少事件。