第一章 宇宙中的地球

第一節、宇宙 第二節、地球形狀及其認識過程 第三節、從地球中心說到太陽中心說第四節、認識太陽系 第五節、天外有天 第六節、獨一無二的人類家園第一 節 宇 宙（一）宇宙中的天體和物質宇宙(universe)是天地萬物，是物質世界。「宇」是空間的概念，是無邊無際的；「宙」是時間的概念，是無始無終的。宇宙是無限的空間和無限的時間的統一。在宇宙空間瀰漫著形形色色的物質，如恆星、行星、氣體、塵埃、電磁波等，它們都在不停地運動、變化著。當代最大的光學望遠鏡已可觀測到150億l.y.(光年)的遙遠目標（1 l.y.≈9.46×1012 km），這就是現今人類所能觀測到的宇宙部分。

播放視頻?恆星是宇宙中最重要的天體。恆星是由熾熱氣體組成的、能夠自身發光的球形或類似球形的天體。構成恆星的氣體主要是氫，其次是氦，其它元素很少。太陽就是一顆既典型又很普通的恆星。擁有巨大的質量是恆星能發光的基本原因。由於質量大，內部受到高溫高壓的作用，導致進行由氫聚變為氦的熱核反應，釋放出巨大的能量，以維持發光。恆星的溫度愈高，向外輻射能量的電磁波波長愈短，因而顏色發藍；相反，顏色發紅。恆星的質量相差不大，多在0.1-10倍太陽質量之間；恆星的體積卻相差非常懸殊，大的恆星直徑為太陽的2000倍左右，小的恆星直徑小於1000 km，比月球還小；因此，恆星的平均密度相差也很懸殊。在地球上用肉眼觀察到的恆星的明亮程度被稱為亮度。古代人們將恆星的亮度分為6個等級，稱為視星等。其中把15個最亮的恆星稱一等星，而把正常視力所能辨認的最暗的星稱六等星。視星等和亮度的數量關係：即一等星比六等星亮100倍，視星等每差一等，亮度就差2.512倍。恆星的亮度受恆星到地球距離遠近不同的影響，因而並不完全代表恆星本身的真正發光能力。恆星本身的發光能力被稱為光度，光度的等級則稱為絕對星等。在恆星與恆星之間存在著極其廣大的空間，稱為星際空間。瀰漫於星際空間的極其稀薄的物質稱為星際物質。主要的星際物質有兩類，即星際氣體和星際塵埃。星際氣體包括氣態的原子、分子、電子和離子，其中以氫為最多，氦次之，其它元素都很少。星際塵埃就是微小的固態質點，它們分散在星際氣體之中，它們的主要成分是水、氨和甲烷的冰狀物以及二氧化硅、硅酸鐵、三氧化二鐵等礦物。星際物質是很稀薄的，一般不過每立方厘米0.1個質點。在一些星際空間區域，其密度可以超過每立方厘米10個甚至1 000個,這些區域稱為星際雲。同星際雲相比較，星雲是星際物質的更加龐大和更加密集的形式。

麒麟座玫瑰星雲（約50萬歲的「嬰兒」恆星）

天琴座環狀星雲（中心為白矮星）

形成中的臭蛋星雲宇宙中的物質是運動的，運動的主要方式是天體按照一定的系統和規律相互吸引和相互繞轉，形成不同層次的天體系統。如月球和地球構成地月系;地球和其他行星圍繞太陽公轉，它們和太陽構成高一級的天體系統，即太陽系;太陽系又是更高一級天體系統——銀河系極微小的一部分，銀河系中像太陽這樣的恆星就有1000-2000多億顆。銀河系以外，還有許許多多同銀河系規模相當的龐大的天體系統，稱為河外星系(簡稱星系)。在人類現今所能觀測到的宇宙範圍內，大約存在著10億個以上的這樣的星系。通常，把我們現在觀測所及的宇宙部分稱為總星系，它是現在所知的最高一級天體系統。(二)宇宙中天體的相對位置天球是為了研究天體在天空中的位置和運動引進的一個假想的圓球,它的球心就是觀測者所在的地球的中心，它的半徑是無窮大的。這樣，地球以外的天體在天球上都有各自的投影位置。地球的自轉軸無限延長，同天球球面相交於兩點，這叫做天極；與地球的南、北極方向相同的兩個極分別稱為南天極和北天極。地球赤道平面無限擴大，同天球相交的大圓，叫做天赤道。有了天極和天赤道，天球就可以定出自己的經線和緯線，分別稱為赤經和赤緯。

圖1－2 天體在天球上的投影

天球上的天極和天赤道大熊星座圖形

為了便於認識恆星，人們把天球上的恆星分成若干群落，每個群落的恆星都有自己獨特的形狀並佔據一定的空間，這樣的恆星群落稱為星座。全天球可分成88個星座四瓣簡明星座圖

把天球的球面按赤經的不同分成四個星區，每個星區跨赤經6時(或90°)。四個星區可根據各自代表性星座分別稱為仙后星區、御夫星區、大熊星區和天琴星區，簡稱「後、御、熊、琴」。太陽是恆星，它屬於哪個星座？黃道十二星宮二千多年前希臘的天文學家希巴克斯（Hipparchus,公元前190－120年）為標示太陽在黃道上運行的位置，就將黃道帶分成十二個區段，以春分點為0°，自春分點（即黃道0°）算起，每隔30°為一宮，並以當時各宮內所包含的主要星座來命名，稱為黃道十二星宮,總計為十二個星群。黃道十二星宮排序:白羊座（Aries）----3月21日—4月20日金牛座（Taurus）----4月21日－5月21日雙子座（Gemini）----5月22日—6月21日巨蟹座（Cancer）----6月22日－7月23日獅子座（Leo）----7月24日—8月23日處女座（Virgo）----8月24日—9月23日天平座(Libra)----9月24日—10月22日天蠍座（Scorpius）----10月23日—11月22日人馬座（Sagittarius）----11月23日－12月22日摩羯座（Capricornus）----12月23日－1月20日水瓶座（Aquarius）----1月21日－2月19日雙魚座（Pisces)----2月20日—3月20日2000年以前的春分點就在白羊座，現在的春分點已移到雙魚座。每年約4月18日到5月14日太陽在白羊座中運行，黃道上的穀雨和立夏兩個節氣就在這個星座。Top第二節 地球形狀及其認識過程天圓地方？空間探測技術 － 地球的全貌（一個以藍色為主的、色彩豐富的星球）

敕勒川，陰山下。天似穹廬，籠蓋四野。天蒼蒼，野茫茫。風吹草低見牛羊。－ 世界各地人們最初都有類似的錯覺天道圜(圓)，地道方，聖王法之，所以立上下(上君下臣)。公元前3世紀呂不韋主持編成的《呂氏春秋》解釋天圓地方日月交替，東升西降，變換有序。如果大地是一個平面，那日月星辰又落到何處呢？板狀的大地靠什麼依託？大地的另一面又是什麼樣子？善於運用邏輯方法思維的古希臘人，率先提出了大地是一個圓球的想法。先有畢達哥拉斯(Pythagoras，前571～前497)， 後來亞里士多德(Aristotle，前384 ～ 前322) 更把地球擺在他設想的宇宙體系中心· 埃拉托色尼(Eratosthenes，前276 ? ～前196)，在亞歷山大及其南邊約920km錫恩的觀察－地面彎曲· 張衡(78 ～139年)觀測中發現月蝕的陰影邊緣總是弧形的，證明大地是圓的。

畢達哥拉斯(Pythagoras，前571～前497)，著名的數學家、哲學家，薩摩斯島人，後移居義大利南部的克勞東。畢達哥拉斯學派：「數」（數量和形狀）是萬物本源，實在的東西是自然界存在「數學的和諧」。「天體和諧」宇宙體系：宇宙結構是和諧的，按貴賤與完美程度分為：烏蘭諾司（Uranos)-地球與月球以下的部分；考司摩斯（Cosmos)-以恆星為界的中間部分；奧林波司（Olympos)-恆星以上部分，諸神居住的場所。亞里士多德(Aristotle，前384 ～ 前322)：古希臘自然史學、哲學家，雅典「呂克昂（Lyceum)」 「逍遙學派」創始人。四元素四性說：構成世界萬物是四種元素（火、氣、土、水）與四性（熱、冷、干、濕），它們按不同比例兩兩結合，構成世間萬物，而一物可以轉換成它物。亞里士多德宇宙體系：恆星天體組成的宇宙是有限的，宇宙的中心是不動的地球。天穹有很多天球層，以月球所在的天層為分界，向上是天界，天球層上附著行星，隨天層而旋轉。天界是高貴的、不滅的。上層天球對下層天球發生影響，星星的光和熱由天層間摩擦而產生。月下界由火、氣、水、土四元素組成，並由於熱、冷、干、濕四性的作用而形成各種物體。大地是生物的母體，大地也有生成與變化，濕地與乾地、海洋與大陸，都有周期性交替變化，這種變化是通過圍繞地球的三個帶（火帶、氣帶、水帶）的循環運動而實現。1519年9月 麥哲倫（F.D.Magalhhaes,1480 ? ～ 1521）環球航行1687年7月，牛頓(Sir Issac Newton,1642 ～ 1727)的傳世名著《自然哲學的數學原理》地球轉動產生慣性離心力人類經過漫長的探索終於證實大地是一個球體。Top 第三節 從地球中心說到太陽中心說天地之體，形如鳥卵 —— 張 衡亞里士多德的地球中心說太陽、月球、水星、金星、火星、木星、土星分別在七個天層里圍繞地球轉動,其外為恆星天層；最外邊的原動力天層。希臘天文學家托勒密（Claudius Ptolemy, 90？～168）

· 補充了行星在被稱為均輪軌道上圍繞地球轉動時，同時也在自己的、被稱本輪的較小的圓形軌道上轉動等內容。· 亞里士多德 - 托勒密的地球中心說，被人們奉為真理，長達十幾個世紀。在一般人的感覺中，太陽真是好像在圍著地球轉（據美國1997年調查，在該國，仍有27%的人不知道地球是在圍著太陽轉）。哥白尼（Nicholas Copernicus,1473～1543）· 天體運行的軌道，已記錄到70多個（行星－遊盪者）。· 按照托勒密的方法計算編製的曆書，屢屢出現差錯。· 隨著他對這個體系了解的增多，他對這個體系愈來愈懷疑。· 不是太陽圍著地球轉，而是地球圍著太陽轉。哥白尼（Nicholas Copernicus,1473～1543）《天體運行論》中宣布：太陽在萬物的中心統馭著；在這座最美好的神廟裡，另外還有什麼更好的地點安置這個發光體，使它能一下子照亮這個宇宙呢？（拉丁文，流傳不廣）布魯諾（Giordano Bruno，1548～1600）1583年在牛津大學作一系列講演1584年他又提出宇宙無限的觀念，太陽中心說顯示出的思想解放意義愈來愈明顯，以致成為異端1591年布魯諾被騙回義大利，9年後，1600年2月17日，在羅馬的鬧市繁花廣場上，他被綁在火刑柱上活活燒死。未來的世紀會了解我，知道我的價值1889年，還是在繁花廣場，豎起布魯諾的銅像伽利略（Galilei Galileo,1564～1642）《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》付印前已通過審查，但出版後所產生的轟動效應，使它隨即成為禁書伽利略也在1633年2月被軟禁，經過刑訊逼供，他被迫表示 「 相信並將始終相信教會所承認的和教導的東西都是正確的」被判決在3年內每星期背誦7篇規定的懺悔詩。四年後伽利略雙目完全失明，九年後，與世長辭。Top 第四節 認識太陽系· 哥白尼的時代只認識太陽，地球等6個行星（土星最遠），和1個衛星即月球· 1609年，伽利略－原始的望遠鏡（清晰十倍）· 看到恆星，木星的4顆衛星，太陽黑子開普勒（Johannes Kepler， 1571～1630）· 行星都是沿「 橢圓形」軌道圍繞太陽旋轉的· 行星軌道都位於同一個好像圓盤的「平面」（黃道面）上，太陽和行星的聯線在相等的時間內掃過相等的面積· 行星軌道平均半徑（以地球與太陽的距離為1）的三次方與公轉周期（以地球年為單位）的平方相等

提丟斯 - 波德定則· 以天文單位來計算，每個行星與太陽的距離等於 (4+n) / 10· n為幾何級數, 分別為0，3，6，12，24，48……· 發現：天王星，第一顆小行星· 海王星，冥王星（未守定則）· 哈雷慧星3. Titius-Bode 定則an+1/an=c ~ 1.7；an =0.4+0.3 × 2 n-2 UA1UA=147.5 × 106km表3.1 波得定律與觀測值比較行星n觀測值計算值水星10.3870.4金星20.7230.7地球31.0001.0火星41.5231.6（小行星）52.72.8木星65.2035.2土星79.5210.0（天王星）819.219.6（海王星）930.238.8（冥王星）1039.577.2**（ 上表中括弧內為定律提出後發現）1781年. 德國天文學家赫歇爾(Herschel)發現天王星牛 頓· 在前人成果的基礎上，總結出萬有引力定律· 將力學推廣應用到天體上· 使哥白尼的太陽中心說在理論上得到了圓滿的解釋太 陽 系· 9個大行星· 66顆衛星· 1萬多顆小行星· 數以億計的彗星和流星· 以及瀰漫在看起來一無所有的空間中的星際物質。

太 陽· 距地球約149,597,870公里· —天文單位· 直徑為1，392，000公里· 體積是地球的130萬倍· 質量約6＊1021噸· 平均密度是水的1.41倍· 表面溫度為6000K（5726攝氏度）· 中心部分溫度1.5*107K· (1500萬度）

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· 光譜分析：73種元素，H：71% ，He：26.5%，O+C+N+Ne:2%Mg,Ni,Si,S,Fe,Ca 0.14%.· 光球層： 厚300km,5500oC, 0.01g/cm3.· 色球層： 厚3000-5000km，日全食時呈玫瑰紅色，可達100萬度K.· 日 冕： 最外層的稀薄等離子體太陽風大氣層，d=10-12g/cm3.100萬K,800km/s,400km/s· 黑 子： 直徑2000-10000km，4200oC，具極強磁場；對氣候與生態變化的影響有11年周期.· 耀 斑： 在黑子群上空的亮點出現在色球層中，n秒鐘內可擴大成纖維雲狀物，直徑10萬km，T1.5萬-100萬度.地球－太陽· 地球不過是太陽系中的一顆行星· 它與月球組成地月系· 每秒約3萬米的速度· 圍繞太陽作公轉（周期一年）· 沿一條彎彎曲曲的、近似橢圓形的蛇行軌道前進

4 太陽系的軌道特性· 近圓性, e=(a2-b2)0.5/a· 同向性· 共面性5 太陽系中的行星體積密度衛星表面主要元素類地行星小大少固Fe,Mg,Si,K,Ca,Al,Ti,Ni類木行星大小多非固H,He,CH4,氨冰,水冰"伽利略"於2003.9.21墜入木星大氣層旅行者2號的旅程先驅者號上的圖形語言

太陽系九大行星水星金星

地球火星木星

土星天王星

海王星

旅行者2號的發現磁場，磁軸與自轉軸的夾角約為50度；海衛1，海衛2之外還有6顆衛星（呈碎塊狀）。海衛1直徑 ：2720Km表面：T=37K600km高處，T=300K極冠甲烷冰，氮冰新發現的衛星直徑 ：50-200km陰暗的碎塊XY裂縫山脈（無環形山），物質？

冥王星· 1930年2月18日發現· 黃赤交角17度· 冥王星的表面· 甲烷冰層覆蓋· 密度2g/cm3· 直徑14000-6000km· 卡戎衛星

5 彗星·慧核，慧發:固體C,冰凍水，CH4,NH3等·慧尾CO+,N2+,CO2+哈雷彗星海爾—波普彗星

彗星的源？ Oort 雲6. 隕石

7. 撞擊的效果6500萬年前，墨西哥尤卡坦半島隕石坑直徑170km的窪地，隕石直徑10-20km.撞擊的效果——恐龍絕滅.1908年 通古斯「蘇梅克—列維9號」（S-L9）彗星撞木星 1993.3.23-3.25 1994.7.16 21個慧核衛星圖片墨西哥尤卡坦半島上的大隕石坑1993.3.25-1994.7.15慧木相撞前慧木相撞痕迹

哈勃空間望遠鏡觀測到的S-L9彗星碎塊（21塊）月球上的撞擊坑

流星雨1833年：帶來知識啟蒙的獅子座流星雨

S-L9彗核C碰撞前後的木星紅外圖像

1966年：20世紀最眩的獅子座流星雨

地 球地球（earth）是太陽系自中心向外的第三顆行星，它到太陽的平均距離約為1.496×108km(1個天文單位)。地球繞太陽公轉的角速度平均為59′08″／d,線速度約為30km/s,公轉一周時間平均約為 365.256 d。地球繞自己的極軸自轉的角速度約為 15°/h（或15′／min、15″／s），赤道處的線速度為465m／s，自轉一周的時間為23h56min4s。地球自轉的赤道面與地球公轉的黃道面交角為23°26′。由於該赤黃交角的存在，地球在繞太陽公轉一周即一年的時間中，太陽光順黃道面到達地球表面的直射點將會發生周期性變化，並形成了年復一年的時令與節氣往複。地球參數· 極半經為 6 356.8km· 赤道半經為6 378.2km· 平均半經為6 371km· 扁率為 1 / 298· 赤道一帶稍微凸出，南北半球也不對稱，加上表面凹凸不平，地球是一個不規則的旋轉橢球體· 基本上仍是一個圓球當地球順黃道面公轉到軌道的最南點時，太陽直射點到達地球上北緯最高的地方，該緯度等於赤黃交角3°26′，稱為北回歸線，其時令正是北半球的夏至日（南半球的冬至日）；與此相對，地球公轉到軌道的最北點時，太陽直射點到達地球上南緯最高的南回歸線處，此時為北半球的冬至日（南半球的夏至日）；當地球公轉到上述位置呈90°處，太陽直射點在地球赤道附近，此時為春分與秋分日。這種太陽直射點在地球赤道兩側南北回歸線之間的往返運動稱為太陽直射點的回歸運動，回歸運動的周期稱為回歸年，它正是地球上季節變化的周期。

地球公轉與24節氣

當太陽直射點位於北半球時，晝半球向北偏轉，北半球相同緯度圈上晝半球覆蓋的弧長大於夜半球的弧長，因而晝長夜短，並且緯度愈大，白晝愈長，直到在緯度等於 90°減太陽直射點緯度的地方,開始出現連續24h的白晝，稱為極晝；與此同時，南半球則晝短夜長，並在與北半球相對應的緯度上出現極夜（連續24 h的黑夜）。當太陽的直射點位於南半球時則正好相反。極晝和極夜出現的最大緯度為66°34′（90°減赤黃交角），稱為南、北極圈。月球始終一面朝向地球

嚴格地說，月球是繞地月系的共同質心（位於地心與月心連線上距地心4671km處）旋轉，地球也繞該共同質心與月球作同步對稱繞轉，但繞轉半徑比月球小80餘倍，這種繞轉使得月球與地球之間的引力和離心力達到平衡。

點擊播放視頻?當月球運行到與太陽同處於地球一側的同一方向上時（稱日月相合），月球被太陽照射而反光的一面正好背著地球，地球上看不見月球，這時稱為朔月或新月；與此相對，當月球運行到與太陽分處於地球兩側的同一方向上時（稱日月相衝），月球受光面正好向著地球，這時稱為望月或滿月；從朔月到望月，月球受光面向著地球的比例逐漸變大，當到達一半時稱為上弦月；而從望月到朔月的一半時稱為下弦月。這種月亮圓缺的各種形狀叫做月相。

月球在繞地月系共同質心旋轉的同時，還隨地球一起繞太陽公轉，所以它在太陽系中的實際運動軌跡是在公轉軌道兩側起伏的波浪線。

當月球運行到太陽和地球之間，月球遮住了太陽，便是日食；當月球運行到地球的背後，進入地球的陰影，便是月食。可見，日食一定發生在農曆初一的朔，月食一定發生在農曆十五或十六的望。並非每月的初一都有日食，每月的十五、十六都有月食。這與月球的運行軌道有關。月球繞地球運行的軌道面稱為白道面，它與地球繞太陽運行的黃道面不在同一個平面上，兩者有5°09′的交角。黃白兩軌道面在空中有一交線，如果日月相合、相衝且正好在黃白交線上，則發生日食和月食現象。

發生日食的條件：日月相合於黃白交線

發生月食的條件：日月相衝於黃白交線

2001年6月21日非洲日全食Top 第五節 天外有天· 宇宙邊緣？· 視差法測天體間的距離……· 1784年赫歇爾觀測到3億顆恆星（估算）· 20世紀90年代，經多方法估算，在2000億顆以上－－銀河系銀 河 系· 一個中心凸出並成旋渦狀的圓餅· 銀球，直徑約1.63萬光年，其核心稱為銀核，因為這裡恆星密集· 銀盤，銀球周圍較為明亮的部分，展布如盤，表現為若干旋臂，銀盤直徑近10萬光年· 太陽系位於銀盤的一側，距銀河系的中心尚有2.7 ±0.33萬光年之遙。

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河外星系· 20世紀初，許多人還把銀河系當作整個宇宙。· 但隨著探測技術和計算能力的提高，人們發現，在銀河系外，還有數以百億計的星系存在。· 整個河外星系質量非常巨大，但由於佔據了巨大的空間，因而其密度是很小的，平均只有10-31 g/cm3，這比我們在一般實驗室所獲得的「真空」的密度還要低。Top 第六節 獨一無二的人類家園（暫時說）還是地球好！（土地，水，生命，適中的溫度，利於生物的空氣）維護好人類共同的家園
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