即刻「上知天文下知地理」

06-01

天圓地方

　　公元前 600 年，亞述帝國剛剛衰亡。在它的鼎盛時期，版圖曾經從埃及延伸到巴比倫，兩端相距 2200 公里。接著代之而起的是波斯帝國，它的版圖西起今日的利比亞東部，東到克什米爾，橫跨 4800 公里。

　　毫無疑問，這些帝國的普通老百姓對於整個國家的範圍只有極模糊的觀念，他們僅僅滿足於在自己那一小片鄉土上生老病死，再大不了就是偶爾到鄰近的村子去旅行一趟。不過，當時的經商者和士兵們對於帝國疆土的遼闊，以及疆域之外還有那更加遙遠的地方，一定是會有所認識的。

　　在這些古代王國里，想必有一些人曾思索過：大地有盡頭嗎？這可以說是學者們面臨的第一個宇宙學問題了。

　　當然，沒有一個古代人到過大地真正的盡頭，不管他曾經旅行得多麼遠，他充其量是到達了某一處的海岸上，而天涯海角似乎還在那地平線以外呢。就算他登上一條船，向外駛去，也是永遠到不了盡頭的。

　　這麼說，大地是不是就沒有盡頭了呢？這個問題的答案如何，要看你認為大地的整個形狀是怎樣的。

　　在古希臘時代之前，所有的人都認為大地是平的。真的，它看起來確實就是那樣，只不過有一些山丘、河谷的小起伏罷了。可是，如果大地的確是平的，幾乎立即可以斷定，它非得有個什麼樣的盡頭才行。要不然，它就是個沒完沒了地向外延伸的平面——換句話說，它的範圍是無限的，這是個叫人最不舒服的概念。在歷史上，不論對空間或者時間，人們總是力求避免「無限」這個概念，因為這樣的東西似乎既不能認識，又無法理解，所以也就無從進行研究和推理了。

另一方面，如果大地的確有個邊緣，就是它是有限的，這又會造成另一些困難。人們要是走得太靠邊了，不是要掉下去嗎？當然，也許乾的陸地四周都有海洋環繞，因此人們是靠近不了那個邊的，除非有誰故意乘船向外航行，遠遠地離開陸地，一直到看不見的地方。事實上，直到哥倫布那個時代，還有許多水手真的害怕發生這樣的事情呢。不過，要是認為人類由一圈水保護著，這又造成了另一個問題，是什麼東西擋住了海水，使它不致從大地的邊緣流出去呢？

　　要解決這個問題，一個辦法是假設我們頭頂的天空是一個堅固的蓋子，從四面八方往下罩住了大地。這就是所說的「天圓地方」。真的，天空看起來不就是這樣嗎？這樣一來，可以把整個宇宙想像成一個盒子，天空構成了彎曲的盒蓋和盒邊，而海水和乾的陸地則是平坦的盒底，人和萬物都在這個盒底上面生長、活動。

在這麼一個「盒子宇宙」里，大地的形狀和大小又是怎樣的呢？許多人曾覺得大地像一塊長方形的板。說來也有趣，由於歷史上和地理上的巧合，尼羅河、底格里斯河和幼發拉底河、印度河這一系列最早的人類文明發祥地是從西到東，而不是由北向南分布。還有，地中海也是東西走向的，所以古代文明人的那一點模模糊糊的地理知識，似乎在東西方向上來得豐富一些，因而他們也就理所當然地把「盒子宇宙」想像成東西方向長，南北方向短了。

　　希臘人似乎具有比較強烈的幾何學的均衡與對稱的觀念，他們傾向於把大地想像成一塊圓板。不消說，希臘正位於這圓板的中心。這塊平板上大部分是陸地，周圍環繞著一圈水，地中海就是從那兒一直向內延伸到陸地中央。到了公元前 500 年，希臘第一位科學的地理學家喜卡塔烏斯認為，這塊圓板的直徑最多是 8000 公里左右。就是說，平坦的大地面積大約為 5000 萬平方公里。在他那個時代的人看來，這個數字已經夠大，大得都有點嚇人了。

其實它只有陸地實際面積的 1/10。我們暫且不談這個「盒子宇宙」的大小和形狀，先來問一問是什麼東西使它保持自己的位置的？在上面所說的這種扁平的大地看來，有一個特殊的方向叫做「下」，一切重的、實的東西都要「往下掉」，那麼，大地本身為什麼不會「掉下去」呢？

　　當然，可以假定構成大地的材料，是一直往下延伸的。但這樣一來，又得面臨「無限」這個概念。為了避免這一點，我們可以說大地本身立在其他東西上面。例如，古印度人就認為，大地是由四根柱子支撐住的。

　　可是這只不過把困境推遲了一點而已，這四根柱子又是立在哪兒呢？立在四頭大象背上！大象呢？站在一隻巨大的烏龜背上！烏龜呢？浮在大海上！那麼大海呢？??

　　總而言之，只要假定大地是扁平的，不管這樣的假定似乎是多麼「符合常識」，都不可避免地會引起最嚴重的哲學上的困難。其實，要是人們能恰當地使用自己的眼睛，那麼，這種「扁平的大地」是連常識也不符合的。如果大地真是平的，那麼在地面上所有的地方應當能看到同樣的星星。但是所有的旅行者都知道，如果向北走去，一些星星會消失在南方的地平線下，另一些星星卻出現在北方的地平線上；要是朝南走，情況就恰好相反。而只要認為大地是南北彎曲的，就能毫不費力地解釋這種現象。所以希臘學者阿納克西曼德就提出，人類生活在一個南北方向彎曲的圓柱面上。就我們今天所知，是他頭一個提出了地面的形狀不是平面，時間大約在公元前 550 年左右。但是圓柱形的大地還是解決不了問題。住在海邊，經常注意觀察海船的人都有這樣的經驗，朝大海駛去的船隻並不是變得越來越小，一直小到只剩下一點，然後才消失的。如果大地是平的，情況本來應當是這樣。但事實上，船到消失的時候看上去還相當大，它們像是翻越到了山背後一樣，船身首先隱沒，然後才是船帆。如果大地是彎曲的，情況就必然是這樣。而且，不管船是朝著羅盤上的哪個方向駛去，消失時的情形都是相同的。所以，大地並不只是在南北方向彎曲，而是朝所有方向都同樣的彎曲。而在一切方向上彎曲程度相同的表面只有一種，這就是球面。

　　古希臘的天文學家還發現，對於月食的成因，最好的解釋就是：由於月亮和太陽正處於大地兩側相對之處，大地的陰影（由太陽所投下的）落到月亮上，從而造成月食。不管月亮和太陽相對地面的位置如何，月食時可以看到這種陰影的斷面總是圓形的。只有一種物體能朝所有的方向都投下斷面為圓形的影子，這就是球。

　　總之，仔細地觀察就可以發現，大地並不是平的，而是球形的。但你平時看來，它很像個平面，因為整個大地是那麼一個巨大的球體，在它的表面上，用眼睛所能看到的只是一小部分，其彎曲程度是小得難以覺察的。

　　球形大地的概念立即清除了關於大地「盡頭」的問題，而又不必引進「無限」這個概念。球的表面有確定的面積，但卻沒有盡頭；它是有限的，但卻沒有邊。

　　到了公元前 350 年，地球的觀念就已經牢固地確立了。從那以後，西方世界受過教育的人全部都承認這種觀念。

　　這種觀念顯得如此理想而又完美，儘管沒有直接的證明，人們還是承認它。直到公元 1522 年，由葡萄牙航海家麥哲倫率領的一支探險船隊里倖存的一條船駛回了港口，人類這才第一次成功地環繞地球航行一周，因而直接地證實了大地不是扁平的。

　　現在，我們對於大地這個圓球的認識真正達到了「眼見為實」的程度。發射到高空的火箭和衛星拍下來的圖像都向我們展示了地球的真實面貌。

地球是宇宙的中心嗎

　　自古以來，人們都親眼看到日月星辰是環繞著人類所居住的大地在運動，而大地又是這樣的平靜和安穩，所以在人們的頭腦中就自然產生所謂大地處於宇宙中心的概念。在這個基礎上就產生了古代希臘的地心說，以及與地心說有相似之處的中國的渾天說。

　　我國古代，提出過與地心說相似的渾天說，渾天說始於戰國時代，而我國東漢初期的天文學家張衡是渾天說的代表人物。他把天和地比做蛋殼和蛋黃的關係。這就揭示了大地是懸於宇宙空間的一個圓球，而且宇宙是以地球為中心。可見，我國古代渾天說的宇宙體系，同古代希臘的地心體系是十分相似的。

古希臘的畢達哥拉斯學派認為，一切立體圖形中最美好的是球形，一切平面圖形中最美好的是圓形，而宇宙是一種和諧的代表物，所以一切天體的形狀都應是球形，一切天體的運動都應是勻速圓周運動。但實際觀察的結果並非如此，行星的運動速度很不均勻。在柏拉圖看來，這只是一種表面現象，可以用勻速圓周運動的組合來解釋。於是他就提出了一種以地球為中心的同心球殼結構模型。每個天體都處在各自的球殼上，各同心球之間是由正多面體聯接著。柏拉圖的學生歐多克斯發展了他的觀點，按照歐多克斯的設想，地球是萬物的中心，日、月、行星都是在同心的透明球體上繞地球轉動的。他認為所有的恆星都在同一個球面上，而這個球的半徑最大，它圍繞著通過地心的軸線每天旋轉一周。其他天體則由幾個同心球結合成一組以及另一組等等。亞里士多德在歐多克斯同心球理論的基礎上，把這些轉動的同心球，不但看成是實際存在的物質的實體，而且還把它們看成是一個透明的「水晶球」，各組都成了一個連續的相互接觸的系統。在亞里士多德的體系中，各天體離地球由近到遠的排列順序為：月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星和恆星天，在恆星天之外還有一層「宗教天」。亞里士多德認為，一個物體需要另一個物體的推動才能運動，這個「宗教天」的運動，是由不動的神來推動的。當神一旦推動了「宗教天」的運動，「宗教天」就把運動逐次傳遞到恆星、太陽、月亮和行星上去。亞里士多德就這樣把神是第一推動力的唯心思想，第一次塞進了宇宙論中來。這就成為亞里士多德體系中致命的弱點。

　　以地球為中心的宇宙理論由喜帕恰斯給出了幾何模型。從地球上觀測到的行星運動相當複雜，它們有時由西向東行，有時逆行，有時又似乎在群星中不動。為了解釋這種複雜的運動，喜帕恰斯提出了本輪均輪的思想。他認為行星在本輪上圍繞著一個假想的中心運動，而這個假想中心又繞地球在均輪上運行。

　　在喜帕恰斯以後 300 年間，希臘天文學沒什麼新的進展。到了公元 2 世紀，古希臘著名天文學家托勒玫繼承了亞里士多德的地球位於宇宙中心靜止不動的思想，全面總結了希臘羅馬時期的天文學，創立了托勒玫的地心體系，也叫托勒玫的地球中心說。他提出：以地球為中心，外邊圍繞著月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星，然後是恆星天和最高天，共有九重天。所有行星和太陽、月亮都有本輪和均輪，而且均輪都是偏心圓。這樣他就能讓實測的天體運動分解成很多簡單的圓運動來滿足宇宙的和諧。

　　公元 5 到 10 世紀，是歐洲歷史上的黑暗時期，基督教神學占統治地位，按照基督教的教義。上帝是世界的最高主宰，宇宙間的萬物是上帝為滿足人的需要而創造出來的。基督教還把宇宙的模樣也納於宗教的教義。亞里士多德—托勒玫的地球是宇宙的中心的見解，以及神是第一推動力的思想也被教會利用了。在黑暗的中世紀，地心說的宇宙體系統治了西方 1000 多年。

那麼，地球真的是宇宙的中心嗎？隨著觀測儀器的改進和觀測水平的不斷提高，用托勒玫體系計算出來的行星位置，與實際觀測的偏差越來越大。儘管托勒玫的繼承者已經把本輪的總數增加到 80 個，但所得的結果仍與實際的星位不相符。在這種情況下，科學家們對托勒玫的宇宙體系越來越產生懷疑。到後來，由於自然科學的迅速發展，自然科學與神學之間的矛盾越來越尖銳，甚至發展到科學起來反叛教會了。於是，科學和神學的這場鬥爭，首先從對宗教神學字宙觀的基礎—— 地球中心說的批判開始。

從哥白尼到牛頓

　　哥白尼出生在波蘭維斯杜拉河畔的托倫城。他所處的時代，正是歐洲黑暗的中世紀的末期，亞里士多德—托勒玫的地心說早已被基督教篡改為基督教義的支柱。但由於天文觀測技術的提高，即使在托勒玫的地心體系中已增加到 80 個左右的本輪和均輪，也難以獲得與觀測相合的結果，而且這類本輪的數目還在繼續增加。這就使當時一些具有進步思想的哲學家、天文學家們，對托勒玫的複雜的地心體系發生了懷疑，甚至感到不滿。而哥白尼接受了這種進步的思想，由於受到古希臘阿里斯塔克的地球繞太陽轉動的學說的影響和啟發，哥白尼分析了托勒玫體系中的行星運動，發現每個行星都有一日一周、一年一周和相當於歲差的三種共同的周期運動，但又無法對此作出合理的解釋。他認為，如果把這三種運動都歸到被托勒玫視為靜止不動的地球上，就可消除他的體系里不必要的複雜性。因此，哥白尼認為地球不是宇宙的中心，而是一顆普通的行星，建立了一個以太陽為中心的日心體系。在哥白尼看來，月亮是地球的衛星，它在以地球為中心的圓軌道上每月繞地球公轉一周。與此同時，月亮也伴隨地球一起繞太陽公轉。地球每天自轉一周，天穹實際並不轉動，是由於地球自轉才出現日月星辰每天的東升西落觀象。恆星同太陽的距離十分遙遠，它們在離太陽很遠的一個天體上。行星和地球一樣，都在圓形的軌道上勻速地繞太陽公轉。就這樣，哥白尼把統率宇宙的力量都歸於太陽。

　　哥白尼花費了 40 年的心血，以嚴格的科學態度進行反覆的觀測、研究和計算，完善了他的學說，終於寫成了闡述日心說的不朽巨著《天體運行論》。他在這本書里全面討論了當時天文學的所有問題，使很多過去莫名其妙的問題都得到了合理的解釋。

　　哥白尼的日心體系從根本上動搖了中世紀宗教神學的基礎，認為宇宙是可以認識的，有一定規律可供人類研究探尋。從此自然科學便開始從神學中解放出來，大踏步前進了。

　　但是哥白尼的革命並不夠徹底。他還保留了行星作勻速圓周運動的概念，因此對一些天體的不均勻運動還要保持一些本輪。此外，他還保存著固定不動的恆星天球的概念，讓太陽成為宇宙中心。這些都要等到天文學進一步發展才陸續得到解決。

　　在哥白尼之後，義大利的修道士布魯諾由於善於接受新事物，在學習了哥白尼《天體運行論》以後，他認識到宗教神學宇宙觀是虛假的，是沒有科學根據的，而科學才是真理，並決心為探求科學真理奮鬥終生。由於布魯諾的「離經叛道」，他不得不離開他的祖國，過著長期流亡的生活。在流亡的過程中，他大力宣傳科學真理，還寫了大量文章，熱烈宣傳和頌揚哥白尼的學說，猛烈地抨擊了官方經院哲學的教條。

布魯諾不但捍衛了哥白尼的學說，還充實、發展了這一學說。他認為：宇宙是統一的、物質的、無限的和永恆的；在太陽系以外，還有數不清的世界，我們所認識的世界，是無限宇宙中非常渺小的一部分，而地球又是無限宇宙中一粒小小的塵埃；無數顆恆星，都像太陽一樣巨大、熾熱，並以極大的速度向各個方向疾馳著??

布魯諾的宇宙無窮無盡的思想，使幾千年來在人們頭腦里難以突破的天球硬殼，一下被布魯諾砸碎了。美麗的天空豁然開朗，伸向漫無邊際的遠方。由於布魯諾廣泛宣傳和捍衛了哥白尼的學說，以及他對哥白尼學說的發展，轟動了整個歐洲，氣極敗壞的羅馬教廷用詭計將他騙回義大利並逮捕了他。他們用盡了一切威脅、利誘和恐怖的手段，但絲毫沒有動搖布魯諾對真理的信仰和捍衛。到 1600 年 2 月 17 日，布魯諾被燒死在羅馬的百花廣場上。

真理是不能用火燒盡的。布魯諾雖然被羅馬教廷燒死了，但唯物主義的宇宙觀已日益深入人心。繼布魯諾之後，義大利的天文學家和近代實驗科學的創始人伽利略由於受到當時的一種玩具「光管」的啟發，制出瞭望遠鏡並用它來觀察天空，從此獲得了一系列新的科學發現，在天文學方面做出了重大貢獻，也進一步證實和發展了哥白尼學說。

　　伽利略發現在望遠鏡的視野里，行星不再是一個光點，卻顯出月亮一般的圓面。他驚異地發現金星甚至露出月亮一樣的圓缺變化，他還清楚地看到有四顆衛星環繞木星運行。他看到了月亮表面的起伏不平，發現了大量環形山。土星的光環他也觀測到了，但當時沒有確認。在歐洲，他第一個藉助望遠鏡看到太陽黑子，並發現太陽的黑子在日面上移動，從而得出太陽有自轉的結論。他發現隨著望遠鏡口徑的增加，可見到的恆星數目大為增加。可是，即使在望遠鏡里，恆星仍然只是一個光點。因此他斷定它們一定無比遙遠。他還發現銀河實際上是由無數顆恆星組成的。

　　所有這些發現都是過去聞所未聞的，震動了歐洲的學術界，這些發現都有利於哥白尼的日心學說。他的觀測結果，強有力地論證了哥白尼的學說，使羅馬教廷大為震怒。最後教廷把他拘禁起來。他在完成了最後一本論述力學與運動的書並偷運出義大利之後，孤獨地死去。

　　與伽利略同時代的丹麥天文學家第谷創製了許多大型精密的天文儀器，並堅持進行 20 多年的認真觀測。根據他對 1572 年在仙后座發現的超新星距離的測定以及對 1577 年一顆明亮彗星運動情況的測算，他也懷疑托勒玫體系，但他並沒有接受哥白尼的體系，他認為其它行星都是圍繞太陽運行的，可是地球仍然是宇宙的中心，月亮和太陽及其率領的行星隊伍則是圍繞地球運轉的，第谷的功績主要在於他創製了不少儀器並且詳盡地記錄了他多年精密觀測行星運動的資料。此外，他還非常幸運地在臨終前一年接受了一位很好的助手和接班人，德國的天文學家開普勒。

　　開普勒用了很長的時間，對第谷遺留下來的觀測資料進行綜合分析和研究。後來，開普勒發現「行星是沿橢圓軌道繞太陽運行的，太陽在這個橢圓的兩個焦點之一的位置上」的定律。這就是開普勒的行星運動第一定律，也叫軌道定律。這個發現，把哥白尼學說向前推進了一大步。

　　接著，開普勒又發現，雖然火星運行的速度是不均勻的，但是從任何一點開始，在單位時間向徑（行星和太陽的聯線）所掃過的面積卻是不變的。這樣開普勒又推出了「火星的向徑，在相等時間內掃過相等的面積」的行星運動第二定律，又稱為面積定律。

到 1609 年，開普勒出版了《新天文學》一書，在這本書里發表了他的軌道定律和面積定律。並且在書中指出：「這兩條定律也適用於其他行星和月亮的運動。」後來，開普勒經過長期繁雜重複的計算和無數次的失敗，又發現了「所有行星公轉周期的平方與橢圓軌道半長軸的立方的比值都相等」的行星運動第三定律。這是一個十分重要的自然定律。因為不僅行星遵循著它，就是圍繞行星運動的衛星，以及太陽周圍的其他天體也都如此。這就可以確定，太陽和它周圍的所有天體，構成了一個有秩序的行星系統，這個系統就是太陽系。

行星運動三定律的發現，具有劃時代的意義，它不但為經典天文學奠定了基礎，而且還導致了數十年後牛頓的萬有引力定律的發現。正是伽利略不幸逝世的 1642 年，在英國誕生了偉大的科學家牛頓，牛頓對自然科學的貢獻是多方面的，不僅在天文學方面，更主要的還是在數學、

力學和物理學，而這些又直接影響到天文學的發展。狹義地說，他在天文學方面的直接貢獻之一是發現萬有引力定律，並由此建立起天體力學。另一項貢獻則是發明反射式望遠鏡和稜鏡分光的天文光學。

　　在開普勒的三大定律發表之後半個多世紀，牛頓總結了前人特別是伽利略所發展起來的力學理論，提出了三大運動定律，具備了歸納提高開普勒三大定律的條件。牛頓同時總結和發展了前人的數學成就，創立了微積分方法。在這兩方面的理論基礎上，牛頓首先用數學方法根據力學原理從開普勒三大定律推導出太陽對行星的引力定律，其要點就是太陽對行星的引力與行星的質量成正比，而與行星對太陽距離的平方成反比。他並且證明只要有這種距離平方反比的引力，開普勒三大定律就是必然的推論，而且是在行星質量遠比太陽質量為小的條件下粗略近似。著名的蘋果落地故事裡說：他由此悟出重力是地球對它表面物體的引力，並且把地球半徑、地月間距離、地面物體重量和下落加速度以及月亮繞地球的運行周期相結合，得出任意兩個物體之間都存在相互引力，這種引力和兩物體質量成正比，與兩者距離的平方成反比，而且比例常數不論天上地下都完全一致。這就是有名的萬有引力定律。這條定律的重要意義不僅因為它至今還廣泛應用於眾多方面，更值得強調的是它第一次證明宇宙間的自然規律可以認識，地面和天空是統一的。後者實際上是人類認識宇宙、研究天文學的基本出發點。由於萬有引力定律的廣泛應用和重要性，下面把它的數學形式寫出來：

M M

F﹦ G 1 2

R 2

其中 F 為兩物體之間相互的引力，M1 和 M2 分別為它們的質量，R 為兩者質心的距離，G 為比例常數，稱為萬有引力常數，數值為 6.67×10-11 米 3/（秒 2·千克）。牛頓以他的三大運動定律和萬有引力定律為基礎建立起一個機械力學體系。他於 1687 年發表的不朽傑作《自然哲學的數學原理》一書，全面闡述了他的發現和理論。三百年來經過眾多的後繼者的發展和補充，牛頓的體系已經十分完整，現在通稱為牛頓力學。牛頓力學開始形成就植根於天文學，又反過來為天文學開闢嶄新的領域，建立起天體力學這個天文學的分支。天體力學的建立標誌著歷來單純觀測統計的天文學走上了引用物理方法進行研究的新道路。

牛頓在天文光學方面還有兩種創造，一種是反射式望遠鏡，另一種是稜鏡分光，對天文學的深刻影響不容低估。反射式望遠鏡的口徑比用透鏡構成的折射望遠鏡更容易做得大些，可以收集到更多的星光，便於觀測更暗弱的天體，使人類探測宇宙的深度大為增加。此外，星光不經過透鏡的折射就不會產生不同顏色成分發散開的問題，出來的圖像更加清晰。因此，現代的大型望遠鏡無一例外都是反射式，幾乎全部遙遠的河外天體都是由反射式望遠鏡發現並觀測研究的。至於稜鏡分光術對於天文學的影響更是特別深遠，甚至可以說它為建立天文學裡最活躍、發展最快、成果最大的分支——天體物理學打下了重要基礎。

牛頓用萬有引力定律解決和說明了一系列宇宙間的重大問題，從而奠定了天體力學這一門新科學的基礎，從此天體力學便從它的幼年時期進入到成年時期。到了這個時候，哥白尼的日心說經過布魯諾、伽利略、開普勒和牛頓等人的宣傳、捍衛和發展，已被公認為闡明太陽系實際結構的學說，再很少有人否認了。

又由於天王星、海王星的發現，證實了牛頓萬有引力定律能十分準確的推算出行星的位置，也因新的發現而充實了哥白尼學說。從哥白尼的《天體運行論》於 1543 年公開發表起，直到 1846 年加勒觀測到海王星，經歷了三百餘年的時間，經過無數次曲折和鬥爭，衝破了宗教和傳統觀念、習慣勢力的重重阻力，克服了哥白尼學說本身存在的缺陷，哥白尼的日心說終於由海王星的發現而取得了最後的勝利。

　到 1930 年 1 月 21 日，美國天文學家湯博發現了冥王星。冥王星的發現，再次擴大了太陽系的範圍。

地球和月亮地球

地球是一個略為扁平，半徑約為 6370 千米，質量為 6×1024 千克，平均密度為 5.5 克/厘米 3 的橢圓球體。它的南北向的半徑並不相同，因此稱它為橢圓球體。但它和一個理想的圓球體差別相當小。

　　地球表面極不規則，在陸地有崇山峻岭，在海底有深溝大壑，為了便於實際測量應用，往往把海水的平均表面作為地球表面，在陸地上則以海面的延伸部分為基礎。

　　地球內部的基本構造分為地核、地幔和地殼。地核和地幔還各自可以分為兩部分。在地球最核心的部位，半徑為 1255 千米的區域是內地核，呈固態，它外面是熔融狀態的外地核。地核為鐵鎳物質所構成，據認為地球的磁場和這種鐵鎳物質在外地核里流動有關。而地幔完全是石質的，密度比地表岩石大，但因溫度高剛度卻不如地表的岩石，只有與地殼相連並包括地殼在內厚度不超過 80 千米的表層比較堅硬，叫做岩石圈。在它下面距地面總計不超過200 至 400 千米的上地幔，岩石所受的壓力和溫度相比不算高，使其處於接近熔融狀態，被稱為軟流圈。在岩石圈有裂縫或缺陷處，軟流圈裡的物質失去了壓力就會成為流動性較好的岩漿或熔岩，甚至可能流到地表面來。

　　地幔以上是地殼，構成地殼的原始岩石和地幔物質全都是硅酸鹽礦物質。硅酸鹽的主要成分是硅和氧兩種元素，它們都是恆星演化過程中核反應合成的重要產物。地殼的厚度很不均勻，海洋下面地殼厚度只有 5 至 8 千米，大陸地殼厚度 16 到 60 千米不等。地球表面以上是大氣層，大氣層沒有明顯的邊界，只是愈向上愈稀薄。流星的光跡從 160 千米高處就會出現，太陽的高能粒子在稀薄空氣中所產生的極光則可以在高達 1000 千米的地方輝耀，不過通常所說的大氣層則指的是50 多千米以內空氣比較濃密的範圍。在這範圍以上的高層大氣只佔總質量的2％。這部分較濃密的大氣層還可以細分為對流層和平流層。平流層往上為中間層。自 80 千米以上稱為熱成層。在高層大氣里從大約 100 千米到 350 千米的高度範圍里有一系列電離層，含有較多電離氣體。電離層可以反射無線電波，有助於越洋的短波無線電通信，並受太陽活動性的影響。

地球各處普遍存在的磁場稱為地磁場，一般的磁感應強度為 5×10-5 特。

在中低緯度區地磁場的方向基本是南北向。地球磁場的真實起源目前還不太清楚，一般認為是地核里液態鐵質流動所引起的，但還沒有令人信服的說明。

月亮，地球的衛星

　　潔白光明的月亮是天空中除太陽以外最引人注目的天體，又是除流星以外距我們最近的天體，也是人類首先登臨的地外天體。月亮誕生的過程大致和地球相差不太多，只不過因為它比較小，內部熱量和重力都比地球小得多，才使月亮內部和表面的情況和地球大不相同。

月亮與地球的距離根據雷達探測資料，平均為 38401±1000 米。1969 年7 月 20 日美國宇航員登上月球後在月面上安放了激光反射器，現在用激光測距精度可以達 7 米。月亮的半徑為地球半徑的 0.27 倍，即約為 1740 千米。月亮的質量為地球質量的 1/81，即約為 7.35×1025 千克。由月亮的半徑和它的質量算得的平均密度為 3.3 克/厘米 3。在太陽系所有的行星衛星組合中，它是與所歸屬的行星大小最接近的衛星，因此不少人認為它原來也是一顆行星，後來被地球引力俘獲才形成共同圍繞它們的質量中心轉動並繞太陽公轉的姐妹行星。月亮總是用同一個面對著地球。這種情況稱為同步自轉。

　　月亮表面最顯著的特點就是相當崎嶇不平，布滿各種山脈、裂谷和大小不一的月坑，另外也有幾大塊平原稱為月海。月坑又稱為環形山，小的只有幾十厘米或更小，大的直徑有 200 千米以上。大月坑底部很平坦，中央有一些尖錐狀的小山。絕大部分月坑是隕星撞擊而成的，裂谷和斷崖則是月面坍陷的結果。月亮上沒有水，所謂月海實際是由熔岩流布而成的平原，有的月海四周有一圈山脈，好像原先也是大月坑，但後來被熔岩淹沒掉。空間探測器飛越月亮時發現好幾個月海下面有大塊密度較高的物質，這些物質被認為是巨大高密度隕星撞進月面，撞擊產生的大量熱能熔化了周圍的岩石，可能再加上由月亮內部深處衝破薄弱月面流出來的熔岩，淹沒掉原來的洞穴，最後就形成了月海。雖然月亮內部可能不像地球那樣完全熔化過，也沒有形成鐵質的月核，但從登月過程中做的月震波實驗來看，月亮內部也分為核、幔和殼三部分。月核半徑約為 700 千米，是軟流狀固態硅酸鹽礦物質構成的，溫度只有 1000 開左右，遠比地核低。月幔和月殼組成剛性的岩石層。月幔厚1000 千米，月亮的厚度在正面約為 65 千米，而在它的背面卻可能要厚上一倍。1969 年宇航員登月後不僅進行了月震波試驗，還作了一系列的「月質」考察。月面的岩石主要是玄武岩，是由熔岩凝固而成的，因此至少月亮表面原來曾經處於熔融狀態。月亮上最古老的岩石已有 44 億年以上的歷史，但月面上普遍覆蓋的粉塵的年齡卻達 46 億年，這些粉塵估計都是從月亮凝固出的第一批岩石剝落下來的。在月亮上沒有明顯的磁場，這很可能與月亮內部不存在可流動的鐵質核有關。

由於內部熱量不足，堅硬的岩石圈厚達上千米，所以月亮上不存在板塊活動，也沒有板塊撞擊的造山運動。然而使歷史陳跡原樣保存到現在的主要原因是沒有大氣和水流，不存在風化和水蝕作用。不過月面仍受到另一些因素的剝蝕，一是晝夜溫差使岩石表面劇烈熱脹冷縮而破裂和剝落；二是大量隕星的撞擊，每次隕星撞擊都會有崩裂的碎屑，在高溫下熔成玻璃珠狀的細微顆粒；三是太陽風粒子和其它高能輻射以及宇宙線對岩石分子組的破壞。而最主要的是在行星際空間隨處存在的細微塵埃顆粒的沖刷，這些顆粒未受大氣阻攔以高速直衝月面，嚴重磨蝕月面岩石，結果使月面普遍散布著一層粉塵。

地球和月亮的運動

　　由於地球繞日公轉，太陽看起來好像是在天穹的繁星之間由西向東運行，它所走的路線夏天在赤道以北，冬天在赤道以南，這種表現的太陽軌道就是黃道。因為太陽和地球都永遠在地球軌道面上，所以地球軌道面和黃道面是同一個平面，兩種叫法可以互換使用。黃道在天穹上和天赤道有兩個交點：一點是視太陽由南向北穿過赤道的春分點；另一點是秋分點。太陽在一年裡先後穿行於黃道十二個星座，它們好像是太陽的行宮，所以又稱黃道十二宮。

　　地球軌道的偏心率雖然只有 0.017，地球在軌道上運行的速度仍然有明顯變化，反映出來是太陽在黃道上走得快慢不同。每年春分到秋分地球在遠日點一側，運行較慢，共約需 185 天；而由秋分到第二年春分則在近日點一側，運行較快，只需約 180 天。這正是開普勒第二定律的反映。

　　月亮繞地球運行的公轉是產生月相變化和形成日月食的原因。月亮與地球的平均距離是 38.4 萬千米，繞地一周需用 27.3 天。這個周期不是兩次滿月的間隔，而是以天空的恆星為背景所觀測到的周期，因此叫恆星月。在這期間地球在自己的公轉軌道上向前運行了一段，月亮、地球和太陽的相對位置有了變化。例如原來月亮在太陽和地球當中，經過一個恆星月之後，以遙遠的恆星為準，月地的相對位置已經和上次一樣，但是月亮卻還沒有來得及第二次走到太陽和地球中間，大約還差 27°，需要再過一段時間才能到達。月亮先後兩次到達太陽和地球當中所間隔的時間叫做朔望月，長度是 29.5天。

　　月相變化是因為太陽、地球和月亮相互位置的變化，使我們看到被太陽照亮的月亮部位不同而形成的。當月亮處在日地之間時，面對地球的是陰暗面，稱為朔，即農曆初一；月亮轉到日地聯線對面時是滿月，稱為望，即農歷十五。中間還有娥眉月和上弦、下弦。兩次朔日或兩次望日之間所經歷的時間就是朔望月。

　　在朔日如果月亮剛好穿過地球的軌道面或在附近，它就會把影子投到地球上形成日食，月影經過的地帶就是日食帶。由於太陽整個圓面都發光，所以月亮投射出的影子分本影和半影兩部分。在本影區內月亮完全把太陽遮擋住，而半影區只部分遮擋住太陽。月亮的本影投射到地球上就會發生日全食。在錐形本影經過的地帶可以看到日全食，在錐形半影掃過的區域，太陽不會被月亮全部遮擋，只能看到日偏食。在一次日全食中可以看到偏食的地帶遠比能夠看到全食的地帶為大。月亮在橢圓軌道運行，距地時近時遠，因此有時月亮即使正好處在太陽和地球當中，本影的錐尖卻不夠長無法投射到地球上，這時月亮距地較遠，它的盤面比太陽圓面小，就會形成日環食。本影的錐尖未達到地面，在錐尖的延長線所指位置附近可以看到日環食，半影區內其它地方只能看到偏食，如果在望的時候月亮剛好穿過地球軌道面，月亮就會走到地球的本影裡面而接受不到陽光，這樣就會形成月食。

很明顯，並不是每個月的朔望日都會發生日月食，只有在朔望時月亮湊巧十分靠近或穿過地球軌道面時才會發生日月食。月亮繞地運行的軌道面即通常稱為白道面的平面，既不和黃道面重合又不和地球的赤道面重合，所以月亮的運動看起來顯得特別複雜。

發生日食的機會比發生月食的機會多。每年都至少會發生兩次日食，兩次之間大約相隔半年。最多一年之內可以發生五次日食，它們分為三組，其中兩組連續兩個月都發生日食，另外相隔約半年還有一次單獨日食。日食的發生次數雖多，但月影特別是月亮本影錐尖在地球上掃過的面積每次都極為有限，所以對任何一個具體地點平均經過二三百年才能遇見一次日食。月食每年最多只有三次，有些年份甚至一次月食也不發生。但是每次發生月食在夜間的半個地球上都能見到，所以看到月食的機會反而較多。每年日月食總數不會超過七次。

　　月亮繞地運行還影響海水和潮汐。月亮對地球上各點的距離不同，對地球各部分的引力也不相同。面對月亮的部分距離最近引力最強，地心處次之，背著月亮的一面距離最遠引力最小。如果地球完全是剛性固體不會變形，各部分受到的引力差別從整體上起不了什麼作用，合起來相當於加在地心處的總引力。但是地球並不是理想的剛體，更何況表面還有廣闊的海洋，能流動的海水是可以隨受力情況而變形的。其結果是受引力最強處向月亮移動的加速度最大，地心次之，背著月亮的一面引力最弱加速度也最小。這些力總合的作用是維持地球和月亮相互繞行，但是由地球本身來看，面向月亮的部分向月亮靠攏的趨勢強，而背著月亮的部分卻跟不上整體的行動。結果不論面對或背向月亮的部分都有離開地心的趨勢，也就是說它們都受到向外拉的力，海水受這種力的作用在兩個方向上都會凸起來形成海潮。這種引起海水潮汐的力就叫做潮汐力或引潮力。一個天體的質量越大或者和周圍物體距離越近，它所施加給周圍物體的潮汐力就越大。在中子星或黑洞附近潮汐力可能會大到任何物體都要被撕扯碎裂的地步。潮汐力雖然是萬有引力的一種表現，但它是不同距離上引力的差值，所以不再與距離的平方成反比而是與距離的三次方成反比。太陽對地球的潮汐力就因為它的距離比月亮遠得多，不像月亮對地球的潮汐力那麼強。

　　所謂潮汐原是指在朝朝夕夕的晝夜周期里，日月潮汐力使海水漲落的變化。太陽和月亮的引潮力還以朔望月為周期。在朔日或望日，太陽、地球和月亮在一條線上，日月潮汐力方向相同，形成大潮。中秋錢塘江大潮就如萬馬奔騰蔚為壯觀。

地球反過來自然會向月亮施加更為強大的潮汐力。月亮早期表面由熔岩覆蓋的時候，潮汐力會使熔岩發生漲落的流動。由於熔岩粘滯性很大，流動起來摩擦阻力很大，就使月亮轉慢起來，最後達到自轉周期和公轉周期相等為止。這時月亮固定用一個稍微向外突起的面對著地球，不再有熔岩的流動和漲落，這就是月亮以及已測得自轉周期的衛星全部是同步自轉的原因。再反過來看地球，地球上海水的潮汐也同樣有摩擦力。雖然比熔岩流動給月亮的阻力小，卻同樣能使地球自轉減慢。現在已經測出，地球的自轉周期每 100 年大約延長 1 毫秒的樣子。有很多證據證明在遠古時代地球每年自轉 400 多次，而不是現在這樣 365 次多一點。

太陽系光輝的太陽

　　太陽是太陽系中唯一自己發光的天體，是一顆穩定的恆星。它光焰奪目，光芒四射，以巨大的光和熱哺育著大地，給人間帶來了溫暖。對於人類來說，地球上萬物的生長，氣候的變化，江河湖海的出現，各類礦產的形成，直到人們的日常生活，都離不開太陽，所以在宇宙的眾星球中，沒有一個能比得上太陽更為重要。可以說，沒有太陽就沒有人類居住的地球，也就沒有人類。從這個意義上說，太陽好比是「大地的母親」。

　　在我國遼闊的土地上，從很早的古代起，就居住著許多部族，各個部族都有自己奉祀的上帝、鬼神和有關太陽的神話傳說。據傳說，我國東方殷商人信奉的上帝是帝俊（又稱帝嚳），西方的周人所奉祀的上帝是黃帝，而且這往往又與太陽的神話傳說有關。

　　傳說帝俊長著鳥的頭，頭上有兩隻角，稱猴的身子，只有一隻腳，手裡常常拿著一根拐杖，弓著背，一拐一拐地走路。說帝俊有三個妻子，一個叫做娥皇，另外兩個一個叫羲和，另一個叫常羲。羲和是太陽的女神，生了十個太陽。常羲是月亮的女神，生了十二個月亮。相傳，在東海外的湯谷，有一棵大樹生長在海水中，這個大樹名叫「扶桑」，扶桑有幾千丈高，一千多圍粗，這十個太陽就住在這扶桑樹上，經常有一個太陽住在上面的樹枝上，其餘九個都住在下面的樹枝上。他們輪流出現在天空中，一個太陽回來了，另一個太陽才出去值班，所以雖然有十個太陽，但經常和人們會面的卻只有一個。

　　據說到帝堯當政的時候，十個太陽不再認真地輪流出來值班，卻一齊跑出來玩耍。習慣一經養成，就天天都結伴出來，這便給大地上的人們帶來了沉重的災難。十個太陽發出的光和熱，把禾苗曬得枯乾了，把土地烤焦了，銅鐵沙石也快要曬熔化了，血液差一點要沸騰，怪禽猛獸紛紛從火焰似的森林、沸湯般的江湖裡跑出來殘害人們，人們處在垂死掙扎的邊緣，就連帝堯也無法活下去了。

　　在天廷的帝俊見到這般光景，覺得再也不能讓孩子們胡鬧下去了，於是就決定派擅長射箭的名叫后羿的天神到人間去嚴厲地教訓他們一番。據說後羿的箭法相當高明，即使一隻小雀從他面前飛過，準會把它射下來。在后羿離開天廷的那天，帝俊賜給了他一張紅色的弓和一口袋白色的箭，這箭不但華美而且堅固鋒利。帝俊對后羿還叮囑一番。后羿領了帝俊的使命後，就帶著妻子天神嫦娥降到了人間。

后羿在茅草屋裡見到了愁苦的帝堯，又親眼目睹了人們受難的情景，勾起了他憐憫人們、痛恨太陽的怒火，這時已顧不上帝俊的囑咐了，便彎弓對准太陽射出一箭，嗖的一聲上去，隔了片刻，只見天空中一團火球無聲地爆裂，流火亂飛，黑色的羽毛紛紛四散，墜落到地面上一團黑色的東西。人們跑去一看，原來是一隻帶著箭的碩大無比的三腳烏鴉，它就是太陽精魂的化身。天上果然少了一個太陽。后羿見大禍既已闖下來了，索性一不做二不休，把箭一支接一支地射向太陽，三腳烏鴉一隻接一隻地落下來。站在一旁看射箭的帝堯，想到一個太陽出來的時候，太陽對人們有很大的好處，不能全射下來，便急忙命人暗中從后羿裝滿十支箭的箭袋裡抽出一支，所以最後天空中只剩下了一個太陽。

后羿雖為人們除了害，但由於射下了九個太陽而闖下大禍，就再沒回到天廷，嫦娥也因此受到了連累。后羿為了永遠生活在人間，就引出了后羿向西王母討葯，以及嫦娥奔月的故事。

我國是最早觀測和研究太陽的國家之一，早就注意對太陽黑子和日食現象進行觀測，並留下了大量的資料。據《漢書·五行志》記載，在西漢成帝河平元年（公元前 28 年）「三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央」，這是世界有名的公元前 28 年 5 月 10 日的太陽黑子記錄（據考證，「乙未」應為「己未」）。後來在我國的史籍上，不斷出現類似的記載，對科學家們研究黑子周期有很大的參考價值。

　　但首先用儀器觀測太陽的要算是伽利略了。在 1609 年，伽利略第一次用望遠鏡觀測太陽黑子。1826～1843 年，法國有位藥劑師，名叫施瓦布，是個天文愛好者。他對太陽黑子連續觀測 17 年後，發現黑子有 10 或 11 年的周期變化。1848 年，瑞士的 R·沃爾夫提出黑子相對數的概念，並利用歷史上望遠鏡觀測積累下來的黑子資料，推算出上溯到 1700 年的黑子相對數的年平均值，進一步證明太陽黑子活動確實存在著明顯的周期性變化，周期平均長為11.1 年，這就是大家所知道的太陽黑子 11 年周期。

　　到了 19 世紀最後 10 年，美國的海耳和法國的德朗達爾分別發明太陽單色光照相儀和太陽譜線速度儀，從而開創了現代的太陽研究的新時期。他們通過單色光觀察太陽光球和色球，發現了鈣雲（譜斑）。20 世紀初，在威爾遜山天文台安裝了太陽塔和分光設備，廣泛地巡視太陽，發現了黑子的磁性和 22 年的磁周期。1931 年，李奧製成了日冕儀，為人們平時觀測日冕提供了條件。到 20 世紀 50 年代初，太陽光磁象儀研製成功，進一步推動了對太陽活動規律和活動區物理的探討。

　　此外，在 20 世紀 30 年代，詹斯基等人發現了來自地球以外的無線電波。射電天文學的誕生，使人們可以用無線電方法接收並研究太陽的射電波，並取得越來越多的成果。

　　隨著空間科學技術的發展，空間天文學也發展起來。在衛星上天以前，已開始利用飛機、氣球、火箭進行探測。近年來，又發展到利用地球軌道太陽觀測衛星、某些深空探測器和天空實驗室上的阿波羅望遠鏡裝置，從空間觀測太陽，此外，許多地球物理探測衛星，也進行太陽觀測。

　　美國在 1960 年 6 月～1976 年 3 月，發射了太陽輻射監測衛星（英文縮寫為 SOLRAD）系列。這個系列共發射 13 顆，其中有三次發射失敗，後發射的幾顆成果較大。它們的任務是對太陽 X 射線進行連續監測。從 1961 年 1 月以來，利用這些衛星監測太陽 X 射線輻射，測定了這個黑子周期內的極小和極大的輻射流量，以及輻射流量隨太陽活動的變化情況。

此外，美國從 1962 年 3 月～1975 年 6 月，還發射了軌道太陽觀測台（英文縮寫為 OSO）系列。它也是觀測太陽的衛星系列。這個系列共發射八顆，主要任務是通過觀測太陽的紫外線、X 射線和γ射線，系統而連續地研究太陽的結構、動力學過程、化學成分以及太陽活動的長期變化和快速變化。

除了美國以外，蘇聯、歐洲空間局、日本等國也先後發射了太陽觀測衛星，進行對太陽的觀測和研究。

　　1973 年，美國的「天空實驗室」發射成功，使空間太陽觀測發展到了空前的程度。天空實驗室是美國實驗性的大型載入軌道空間站。它上面的阿波羅望遠鏡是一組觀測太陽的天文儀器，在遠紫外線或 X 射線等不同波段，對太陽色球和日冕進行了電視或照相觀測，拍攝了太陽活動景象的大量照片。而且，通過天空實驗室的高解析度成像觀測表明，日冕不是寧靜的均勻結構特徵。科學家們還注意到，當太陽赤道有大冕洞時，地球附近就會觀測到高速太陽風。為此，人們認為冕洞可能是高速太陽風的源泉。

可見，人類在漫長的歲月里，通過不同手段對太陽的觀測，使人們知道了太陽上有著壯麗的景色，變幻的風雲，甚至猛烈的爆發，太陽上是那樣生氣勃勃，豐富多采。這裡，我們對太陽的知識只做簡單的介紹。

　　太陽是太陽系的中心天體，它以巨大的引力控制著太陽系中的天體。地球自形成以來，已繞太陽運行過 46 億年了。太陽是離我們最近的一顆恆星，它的直徑為 139 萬公里，比地球大 109 倍，體積相當於地球的 130 倍，質量是地球的 33 萬倍。

　　太陽是一個熾熱而發光的氣體球，嚴格地說，它是一個高溫的等離子體天體。太陽是由一系列類似同心圓的氣層組成的。

　　我們肉眼看到的光芒奪目的太陽表面，通常稱為「光球」。厚度約有 500 公里，表面溫度達 6000℃。我們接受到的太陽能量基本上是從光球發出的。在光球上沒有受到干擾的地方，布滿了米粒組織，估計米粒組織的總數達 400萬顆。在光球活動區有太陽黑子、光斑，偶爾還有白光耀斑。「米粒組織」是光球下面氣體對流所引起的一種日面結構。它在高解析度的光球照片上，呈現出米粒狀的明亮斑點，它們的直徑往往達 700～1400 公里。

　　在光球上出現的大小不等、形狀不一的黑點，就是我們熟悉的太陽「黑子」。在太陽表面，黑子像一個不規則的洞，充分發展的黑子是由中心較暗的本影和周圍較亮的半影構成的，它比光球低約 500 公里。溫度比光球低，只有 4500℃。黑子往往成對成群出現，黑子群幾乎全都呈橢圓形。有的年份黑子出現得多，有的年份出現得少，通過長期觀測和對觀測資料的分析，發現黑子數的變化平均有 11 年左右的周期，人們把 11 年周期稱為「太陽活動周」或「黑子周」。在一個太陽活動周里，黑子數升到最高的年份叫做「太陽活動峰年」（極大年）；黑子數降到最低的年份，稱為「太陽寧靜年」（極小年）。至於太陽黑子的成因，現在還不能確知，但是黑子與強大的磁場有關係，磁力現象一定與黑子的來源有密切關係，這是沒有疑義的。

　　在太陽東西邊緣部分的黑子周圍，往往可以看到亮的條紋或小塊，這就是「光斑」。光斑一般環繞著黑子，與黑子有著密切的關係。同黑子有關的光斑由明亮的纖維組成；同黑子無關的光斑出現在 70 度的高緯地區，面積小，略呈圓形。

光球上面的氣層是「色球」。在日全食時，當月亮擋住了太陽的光球，就可以看到太陽邊緣出現一圈明亮而狹窄的玫瑰色圓環，這就是色球。色球層的厚度各處不同，平均厚度約有 2500 公里。

用色球望遠鏡觀測太陽圓面時，可以看到太陽單色象上有一些較明亮的區域，叫做「譜斑」。譜斑是在色球層中出現的類似光斑的亮區。最好看的要算是從色球層噴出的「日珥」了。如果把太陽比做一團熊熊燃燒的火球，那麼日珥就是從火球上冒出來的火焰。日珥的形狀多種多樣，有的像火焰，有的像半圓環，也有的像噴泉，有時一個巨大的「氣柱」升騰而起，達到幾萬公里甚至一百多萬公里的高度，然後再落回日面，有的便脫離太陽而去。日珥比日面的亮度小得多，所以它在日面上的投影是暗黑色的。在太陽單色光照片上，像是一條婉蜒曲折的長蛇，稱為「黑條」。

有時，一個亮斑點在黑子群的上空突然出現，在幾分鐘甚至幾秒鐘內，它的面積和亮度增到極大，以後又慢慢減弱以至消失，這種變化快而且比譜斑更明亮的亮斑，叫做「耀斑」，它可能是色球和日冕過渡層中的一種大氣不穩定過程。耀斑的出現和黑子有密切關係，因為 95％以上的耀斑都產生在黑子群範圍內。一個耀斑發出的總能量相當於 100 億個百萬噸級的氫彈爆炸的威力。當耀斑出現時，除了發出很強的無線電波外，還發射大量的紫外輻射、X 射線、γ射線，拋出高能的帶電粒子。當它們到達地球時，有時會使短波無線電通訊受到干擾，產生磁暴和極光，有時也會間接地影響地球物理現象。

　　色球層向上是「日冕」，日冕是太陽最外層的大氣，從色球層頂部一直向上延伸到幾個太陽半徑。日冕的光度比較暗弱，所以平時看不到，日全食時可以看到在圓輪周圍有個銀白色的圈，就是「日冕」。

　　日冕是由很稀薄的、完全電離的等離子體所組成，其中主要是質子、高速電離的離子和高速的自由電子。溫度很高，高達 100 多萬度。

日冕的精細結構，有冕流和極羽、冕洞、日冕凝聚區等。日冕的形狀和太陽活動有關，在太陽活動極大年，日冕接近圓形，而在太陽寧靜年則比較扁。

　　太陽發出的能量，99％是由內部產生的。關於太陽產能的秘密，直到 20 世紀 30 年代以後，才逐漸被人們所認識。在半徑約為太陽 1/4 的日核部分，集中了 1/2 的太陽質量，溫度高達 1500 萬度，壓力為 25×1010 大氣壓。在那裡進行著大規模的四個氫原子核（質子）聚變成一個氦原子核的熱核反應。當四個氫原子核聚合成一個氦原子核的時候，我們會發現有質量的虧損，即一個氦原子核的質量比四個氫原子核的質量要少一些。這些虧損的物質則變成了光和熱。產生的能量，主要以輻射形式穩定地向空間發射。太陽是一顆平凡的恆星，它居於無數顆恆星之中，正由於這顆恆星離我們最近，人們就可以通過對太陽的仔細研究，為對遙遠的恆星世界的研究提供了條件。

大行星和它們的衛星

　　早在幾千年前人們已經把太陽、月亮和水、金、火、木、土五顆行星從大量恆星中區分出來了，因為它們都穿越恆星組成的星空背景運行。太陽和月亮又以其特殊外貌與另外五顆行星相區別。今天我們已經知道，它們全都屬於遠離星空背景諸星的太陽系。太陽系裡還包括地球本身和後來陸續發現的三顆大行星、眾多衛星、無數小行星，還有彗星、隕星以及大量塵埃物質和稀薄的氣態物質等等。

現在一般把水星、金星、地球和火星歸為一類，稱為類地行星。它們的共同特點是其主要由石質和鐵質構成，半徑和質量較小但密度較高。把木星、土星、天王星和海王星歸為一類，稱為類本行星。它們的共同特點是其主要由氫、氦、冰、甲烷、氨等構成，石質和鐵質只佔極小的比例。它們的質量和半徑都遠大於地球，但密度卻較低。冥王星是特殊的一個，雖然成分和天王星、海王星相似，但它比月亮還要小。另外還有一種分法把木星和土星歸為一類，稱為巨行星或類木行星；而把另外三顆歸為一類，稱為遠日行星。其理由是木星和土星的成分與其餘三顆不相同，特別是大氣的成分有明顯差別。前者保有較豐富的氫和氦，而後者則包含較多的冰、甲烷和氨。

大行星的公轉軌道大多數是近乎正圓的橢圓形，只有水星和冥王星的偏心率比較大。大多數衛星的公轉軌道和大行星的軌道類似，也是近乎正圓形的橢圓形，行星圍繞太陽和大部分衛星圍繞行星都和地球的繞行方向一致。行星運行軌道所構成的平面都很接近，差別最大的冥王星軌道面和地球軌道面之間的夾角也只是 17°多。大多數衛星的軌道面和行星軌道面之間的夾角也不大，最多 30°左右，只有天王星的幾顆衛星例外，它們的軌道面幾乎和天王星的軌道面垂直。以上是行星與衛星運行的主要情況，總的來說，它們的軌道運行有近圓性、同向性和共面性。

　　有四顆行星的自轉軸與它們的公轉軸有 20 多度的夾角。水星、金星和木星的兩軸夾角僅有幾度。金星的夾角雖小，自轉的方向卻與公轉方向相反。天王星和冥王星差不多是躺在軌道面上自轉的,它們的自轉軸接近與公轉軸垂直。在衛星中只有少數幾顆的自轉周期已知，全部和它們圍繞行星運行的公轉周期相同，被稱為同步自轉。

　　軌道在地球以外的行星可以運行到與太陽完全相對的方向，地球正處於太陽與行星之間時稱為沖，此時地球與該行星距離最近。太陽正處於地球與行星之間時稱為合，此時地球與行星距離最遠。行星的方向與太陽方向成 90°時稱為方照，按兩者的關係分別為東方照和西方照。外行星在星空背景的視運動路徑也有順行、留和逆行的變化。

在人類進入空間時代以前已經知道地球有 1 顆衛星，火星有 2 顆，木星有 12 顆，土星有 10 顆，天王星有 5 顆，海王星有 2 顆衛星。近 30 年來隨著空間技術的發展，特別是兩個旅行者號空間探測器於 1979 年 3 月和 7 月飛臨木星，又於 1980 年 11 月和 1981 年 8 月飛臨土星，旅行者 2 號於 1980 年 1 月底飛越天王星，又於 1989 年 8 月飛越海王星，發現了許多過去不知道的衛星。

　　大行星的衛星大小差別很大，運動特性也很不一致。一般根據它們的軌道運動是否具有共面性、同向性和近圓性把它們分為規則衛星和不規則衛星。有許多衛星是逆行的，只要整組衛星都同向逆行，仍然算有同向性。

類地行星

　　類地行星距離太陽比較近，物理特性和化學成分都很接近，都是石鐵為主的固態球體，球體表面上即使有液態海洋和氣態大氣層，在總質量和總體積上所佔的比例也十分微小。四顆類地行星中以地球為最大，金星次之，火星又次之，水星最小。月亮只比水星稍小一點，且其它特點都很相似，所以有人把它也算作類地行星之一，和地球組成姐妹行星對。類地行星內部都有核、幔和殼之分，殼所佔的厚度很小，主要是核和幔。

水星是最靠近太陽的行星，半徑 2400 千米，自轉周期 58.65 天。它的質量僅為地球的 5.5％，即約為 3.33×1023 千克，密度和地球差不多，為 5.4 克/厘米 3。由於它距太陽很近，在天空中和太陽之間的夾角永遠不會超過 28°，因此它經常受陽光影響難於見到。哥白尼臨死前唯一深感遺憾的事，就是未親眼看到過水星。1974 年和 1975 年水手 10 號空間探測器三次飛越水星，最靠近時曾達到距表面僅幾百千米。現已查明水星表面非常像月亮，有大量隕星坑，也有類似月海的大平原，形成的年代可能也在 30 億至 40 億年以前。

水星表面和月面同樣覆蓋著一層塵埃，很難傳熱，加上沒有大氣環流，所以水星晝夜溫差很大，正午時赤道溫度可達 700 開，夜間則為 100 開。水星表面幾乎沒有大氣。通過紫外攝譜儀發現水星表面有極微量的氦，可以算做逃逸之後剩餘的一點大氣成分。水星表面沒有水。水星有磁場而且磁場結構和地球的磁層相似，迎太陽的一面有磁層頂，背向太陽的一面拖著長尾巴。不過水星的磁場很弱，約有 5×10-7 特，僅為地球磁場的 1％。

　　1965 年發現水星的自轉周期與公轉周期準確之比等於 2∶3。這種數學上的巧合當然決非偶然，是太陽潮汐力對它作用的結果。如果水星軌道接近於正圓，潮汐力作用的結果會形成同步自轉。然而水星軌道的偏心率達到 0.2，近日點和遠日點與太陽距離之比為 0.8∶1.2，所受潮汐力之比與距離之比的三次方成反比，達到 3.375 倍。近日點的潮汐力比遠日點強很多，水星自轉周期主要受近日點控制。根據開普勒定律，近日點附近水星的運動速度比平均值要高，因此水星的自轉周期最終會比同步的公轉周期短一些。然而除非

兩個周期成簡單整數比關係，否則潮汐力對自轉的制動作用不能達到一個穩定狀態。對水星來說，比值關係只能是 2∶3。

　　金星是天空中除日月之外最亮的天體，也是距地球最近的行星。它與太陽的夾角永遠不會超過 48°，不是為朝日東升開道就是隨夕陽西落。我國古代曾把它誤認為兩顆星，曾分別稱為啟明與長庚。用望遠鏡很容易看到金星有類似月亮的相位變化，同時還有大小的變化。金星與太陽相距 1.08 億千米，公轉周期為 224.7 天。它的半徑約為地球的 95％，即約為 6050 千米，質量約為地球的 82％，即約為 4.87×10-24 千克，密度為 5.3 克/厘米 3。這些數據都和地球相近，似乎金星應該是地球最親密的姐妹。從內部結構來看，金星確實和地球相當類似，但是它的大氣組成和氣象條件卻和地球迥然不同。在空間拍攝的金星照片上，雲霧瀰漫無法看到大氣層以下。

　　金星內部至今仍然有幔的對流引起造山運動和產生著新的岩石，新生的岩石年齡不過幾百萬年。金星岩石的薄弱處很可能還有火山活動。由雷達和金星探測器探知金星表面有大到幾百千米的環形山和深達 7 千米的裂谷和平緩的坡地。由於金星有濃密的大氣，環形山不可能由隕星衝擊而成，只能是火山噴發的結果。從金星的大氣組成來看，火山活動在發展金星大氣里起了主要作用。金星大氣的總量超過地球大氣 90 倍，成分主要是火山噴出的二氧化碳，其次是氮和一氧化碳，水蒸氣的比例很小，只約佔 0.2％。另外還有0.03％的二氧化硫及極微量的鹽酸、氟氫酸。金星大氣中氧的含量極低，不到 0.003％。而在地球的大氣中，除占 78％的氮之外，其餘幾乎全是氧，二氧化碳則僅占 0.03％。金星上空永遠濃雲密布，不像地球上空雲量平均只有

56％，而且比金星的雲薄得多。金星的雲層幾乎完全是硫酸小滴，落到金星表面的雨也是硫酸雨，致使金星表面濕度只有 0.1％到 0.2％。金星的黃色雲層分布在 35 至 65 千米的高度範圍里。金星雲層的頂端能把入射的太陽光反射回宇宙空間 75％，儘管如此，由於金星距太陽比地球近許多，入射陽光的強度將近高出一倍，所以金星表面得到的太陽輻射並不比地球表面少。金星雲層之下還相當亮，在穿透雲層的陽光照耀下，物體還會投下模糊的影子。金星大氣里有明顯的天氣變化，大氣也有對流和環流，在雲層里，上升氣流經常有大規模的雷電。金星上空 10 千米左右高度上雷電非常頻繁，閃電甚至使金星天空呈現連續不斷的輝光。金星探測器就曾記錄到一次歷時 15 分鐘的持續閃電。

金星表面的溫度很高，達 730 開（約為 450℃），能使鉛熔化，並且基本上不受緯度、日照和晝夜的影響。金星的自轉非常慢，周期為 243 天。由於自轉方向與公轉方向相反，金星上面一晝夜的長度為地球上的 117 天。濃密大氣的環流把熱量均勻輸送到表面各處，使整個金星表面的溫度變化和溫差都很小。金星表面的氣壓達到地球表面大氣壓的 90 倍。大氣環流的水平風速並不高，記錄到的風速僅有每秒 2 米左右，對岩石的風蝕作用很小，遍布金星表面的岩石邊緣都很銳利。可是在大氣高層，緯向風的速度卻達每秒 100 米，與自轉方向相同，四天就可以繞金星上空一周。

　　既然金星和地球內部成分和結構都很近似，起源和歷史也應該很相似，為什麼它們的大氣條件、表面溫度等卻差別那麼大呢？現在多數研究者認為這種差異的原因是金星上發生了失控的溫室效應。

　　二氧化碳能讓可見光和紫外線順利通過，卻對紅外輻射相當不透明，有些像溫室的窗玻璃。金星表面在二氧化碳的覆蓋下，所吸收的太陽可見光和紫外線能量使它升溫，卻不能以紅外線的形式重新輻射到宇宙空間，能量在表面聚積起來，溫度就會逐步升高，這就是溫室效應。最後達到的平衡溫度比地球上相對透明大氣所確定的溫度高出很多。金星表面的溫室效應和二氧化碳及水的其它物理化學特性相結合，就使金星損失掉大量的水並保留下全部遊離的二氧化碳，而地球則相反。

　　金星比地球接受的太陽輻射多，溫度一直比地球高。據計算，在金星和地球的外殼冷卻形成時，金星約為 55℃而地球則約為 0℃。當時還沒有大氣層，隨後由火山噴發出來的二氧化碳和水蒸氣等才開始形成大氣。地球表面的水蒸氣大都冷凝成液態水，而在金星表面大量水以蒸氣的形式存在無法溶解二氧化碳。從此金星上就有了愈來愈強的溫室作用，終於使大氣發展的方向與地球背道而馳。到後期地球上有了生命，二氧化碳被綠色植物吸收進行光合作用，被海生動物吸引作為介殼石灰質的原材料。光合作用的副產品氧不僅供養了動物，而且在高層大氣中吸收了大量紫外線，使水蒸氣免遭破壞。最後，地球上原來只佔很少量的氮變成大氣的主要成分，氧也佔了舉足輕重的地位，二氧化碳卻成為很次要的成分。大氣中失去了原先最主要的二氧化碳，只餘下 1％左右，而保存下來的水卻構成大片海洋。由此可見大氣中二氧化碳的溫室作用不容忽視。

金星基本上沒有磁場，自然也就沒有磁層和輻射帶。估計這可能是因為它自轉太慢的緣故。由於沒有磁層和輻射帶的保護，太陽風和其它高能宇宙線粒子可以直接進入金星大氣層，在大氣層內部離金星表面很近處造成一個不太厚的電離層。

火星從來就是天文學家很感興趣的行星，因為早年在望遠鏡里看到它表面有明顯的地形標誌，並據此測定了它的自轉周期。它的兩極都有白色的極冠，大片淺橙色和暗灰色覆蓋的面積隨季節變化。有人甚至說看到過很規矩的運河網也隨季節變化。樂觀的天文學家過去曾經猜測火星上可能有好客的植物供養著高等生物。火星的半徑是 3400 千米，質量為地球的 10.7％，即約為 6.4×1023 千克，密度為 3.9 克/厘米 3，自轉周期為 24 小時 37 分。它和太陽的平均距離約為2.3 億千米，公轉周期 687 天。由於它的自轉軸和公轉軸之間有 23°59′的交角，所以它有非常類似地球的四季變化。雖然火星的晝夜長短與地球大致相當，但季節變化卻要慢一倍。火星內部的結構有核、幔和殼，只是含鐵較少而且幾乎全部是硫化鐵。火星比地球小很多，內部壓力低很多，所以平均密度比地球低相當多。因此從總體來說火星並不像過去有些人設想的那樣和地球相似。

　　火星表面一片荒涼，地貌有點像地球上的沙漠。從在火星上拍攝的照片，可以看到由風力造成的典型沙丘，還可以看到大裂谷和滑坡。雖然現在沒有發現火星板塊活動的跡象，但過去火星殼也發生過很大的變動。火星上發現了十幾個火山，其中最大的是奧林匹斯火山。火星上的火山曾經猛烈地活動過，強度可能超過地球上的火山。奧林匹斯火山的錐頂高度達到 26 千米，比地球上最高的山峰還要高出幾倍。但火星的火山可能停止活動很久了。

　　火星的大氣非常稀薄，表面氣壓只有地面氣壓的 0.6％，在一些火山的頂峰上只剩下 0.1％。由於空氣稀薄，對流交換的熱量小，所以晝夜溫差極大，可以由 240 開變到 190 開，平均溫度為 210 開。赤道處的極端最高溫度可以達到 300 開，約相當於平常的室溫。火星大氣里由溫差引起的氣流速度很快，達到每秒 30 至 60 米，經常颳起表面的塵土形成強烈的塵暴。火星大氣也是靠火山活動噴發而成的，主要成分是二氧化碳以及少量氮、氬、氧、水蒸氣和一氧化碳等。水蒸氣和氧的含量隨地區和季節不同有很大變化。火星兩極即使在夏季也保留一片極冠，北極冠是水結成的冰，南極主要是乾冰（固體二氧化碳）。火星上的水蒸氣經太陽紫外線的光化學作用產生臭氧、單原子氧、過氧化氫、羥基等強氧化劑，對岩石表面氧化腐蝕並破壞有機分子。火星大氣里雲很少，但確有冰晶形成的雲，在極區還有乾冰形成的雲，甚至有乾冰構成的雪。

　　對火星的探測有一個重要目的是尋找地球以外可能存在的生命形式。從長期的觀測和研究來看，在整個太陽系裡，除地球之外火星存在生命的可能性最大，但直到今天為止有關火星生命的問題還沒有肯定的結論。

　　火星探測中發現了一個引起人們極大興趣的問題，就是在火星的赤道地區不少處存在著明顯的河流遺迹。這些河道目前雖然是乾涸的，但過去肯定是由流動的液態物質沖刷而成。除少數粗短的可能是熔岩形成的以外，其餘大部分是由流動性很好的液體衝出來的，因此很可能火星存在過湍急而洶湧的水流，但目前火星大氣和表面完全不存在保留流水的條件。

　　火星有兩顆很小的衛星。說來有趣，18 世紀 20 年代英國諷刺作家的諷刺幻想小說《格列弗遊記》里，除描述格列弗到大人國和小人國的經歷外，還記載了格列弗到過一個叫拉普他的地方，那裡的人都有許多奇思怪想。據拉普他的天文學家說，他們發現火星有兩顆衛星，它們和火星的距離分別是火星半徑的 3 倍和 5 倍，而圍繞火星的公轉周期則分別是 10 小時和 21.5 小時。實際上火星的兩顆小衛星直到 19 世紀 70 年代才真正被觀測到，已經是在小說發表後 150 年。最有趣的是它們和火星的距離分別等於火星半徑的2.8和 6.9 倍，公轉周期是 7.65 小時和 30.3 小時。這些數字和拉普他天文學家的「發現」實在相近得令人驚奇。火星的兩顆小衛星圍繞火星轉得很快，在火星上看起來它們不像地球上看月亮。快的一顆會從火星地平線的西方升起，約 5.5 小時就從東方地平線落下，然後再經 5.5 小時又從西方升起。火星上每夜可以看到它升落兩次，它的「月相變化」非常快而明顯，因為它的「一個月」還不到 8 小時。比較慢的一顆東升西落，每次升起來要在天空呆 66 小時才落下去，幾乎接近火星的三個晝夜。