由水利工程网友作畚考,请勿转载作为盈恐用途! 二、宇宙的形成假说 从1929年哈勃观测到星系退行至今,人们逐渐接受了宇宙在膨胀这一事 实,并且按照目前的膨胀速率,推测宁宙已形成和发展了150亿年左右,即宇宙 的年龄大约是150亿年。但是在20世纪五六十年代,对字宙膨胀却有两种互相 竞争的理论解释,恒稳态理论和大爆炸理论。 恒稳态理论提出一种稳定的宇宙,认为宇宙从来就是这个样子,只是它所 包含的物质和能量却不是不变的,它一直在从无到有地创造物质,物质量不断 增加导致宇宙扩展。而新产生的物质总是与恒星、星系、行星和其他一些物质 的结构相似,因此恒稳态理论中缺少变化和演变,而正是演变最终创造了宇 宙。 大爆炸理论认为,宇宙是在大约150亿年前从炽热而且稠密的物质与能 量“大爆炸”中形成的。起初它是一个充满辐射的“地狱”,热得使任何原子 或分子都无法存在。随后,它急剧膨胀冷却,数分钟后便冷却到能够形成最简 单的氢原子核和氮原子核,及至数百万年后,宇宙冷却到足以形成第一个原 子,不久又形成了简单的分子,只是到数十亿年之后才出现了一系列复杂事 件,使得物质凝聚成恒星和星系,此后又形成了稳定的行星环境,直至出现生 命 因此,大爆炸理论认为,天体、星系的多样性正反映了演变的不同阶段,其后 些新的观测结果验证了大爆炸理论的预言。 如20世纪40年代后期,乔治·伽莫夫等预言如果宇宙真肇始于遥远过去 某种既热又密的状态,那就应该留下某种从这个爆发式开端洒落的辐射,1948 年阿尔弗和赫尔曼预言,从大爆炸散落的残余辐射由于宇宙影胀而冷却,如今它 所具有的温度约为绝对零度以上5℃。1965年美国两位电气工程师阿尔诺彭 齐亚斯和罗伯特·威尔逊意外发现了这种宇宙辐射场,并由罗伯特迪克等人根 据其波谱估算出它的温度为27K,这与前人的预言十分接近。 随后,观测又表明宇宙中那些最轻的化学元素的丰度与大爆炸模型所预期 的相符,并证实了它们由宇宙膨胀的最初3min内的核反应所产生的想法。 I992年春,美国宇航局的宇宙背景探测器卫星(COBE)得到的数据首次 显示出,作为大爆炸余辉的宇宙射线的温度有微小的抖动,这一新的重大发现 增加了大爆炸理论的可信度。在此之前所发现的背景辐射物质统一程度很高, 而在极远古时候谜些微小变化,可能会引发宇宙物质密度的变化,并在自身万 有引力作用下进一步浓缩,最终形成密集的星系和恒星,而使周围的空间空旷 起来、 越来越多的证据,使得大爆炸理论成为最普遍接受的观点,但值得指出的是
由 wwyo shigong com水利程婜网声御地梁供参考,请勿转载作为盈利用途! 由于没有其他观点与大爆炸理论桕对抗,尽管大爆炸理论有其严重不足和问题, 它仍是到目前为止最统一、最合理的宇宙模型。 第二节太阳和太阳系 、太阳 在宇宙中的亿万颗恒星中,从半径、质量、温度、光度等物理参量来说,太阳 只是一颗极为普通的恒星,但是对于地球而言,它却非常重要。太阳的活动及变 化直接影响到地球环境和地球上的生命活动。 (一)太阳概况 经测算,太阳的半径为696×104km(约70×104km),是地球半径 (6371km)的109倍;太阳的体积约为1.4×108km3,是地球的130万倍,太阳 系所有行星总和的600倍。 太阳质量为1.989×1027t(约2×1027t),相当于地球质量(6.15×102t)的 33.3万倍,占太阳系总质量的9986%。 已知太阳的质量和体积可以推算出太阳的平均密度,为1.41gcm3,只相当 于地球平均密度(5.52gcm3)的1/4。太阳表面重力加速度为275m/s2,是地球 重力加速度的28倍。 太阳的物质组成中,按质量计氢占78.4%,氦占19.8%,其次为碳、氮、氧和 各种金属。 太阳是个炽热的气体球,据推算,其中心区温度为15×106~20×106K,几 十亿年来以电磁波的形式向宇宙空间辐射能量,每分钟的辐射能为五千几百亿 亿亿卡,地球所接受的辐射能仅占太阳辐射能的1/20亿,正是这1/20亿的能量 维持着地球上的生命活动。因此太阳是个巨大的能量库。20世纪以前科学家 曾经试图用化学反应(燃烧)、陨星降落、重力收缩等理论来解释太阳巨大能量的 产生,但是无论是化学能还是重力能,都不足以使太阳以现在这种功率发光。直 到20世纪初,爱因斯坦在狭义相对论中指出,质量和能量是事物的两个方面,可 以互相转化的质能关系式 式中:E表示能量(单位为尔格); m表示质量(单位为克); c表示真空中的光速(约为3×1010cm/s 1939年贝蒂发现了聚变反应和裂变反应两条核反应链后,太阳能量来源的
由水利工程网网制集阳和考,请勿转载作为盈利用途! 问题才得到解决。 太阳内部一千几百万度的高温,会使氢原子失去核外电子变成质子,质子以 极太的速度运动,克服静电斥力雨产生猛烈碰撞,四个质子在碰撞中结合成一个 原子核即氦核,即 4H→He+2e++2v+y 在此反应中,质量有所消耗,根据质能转化公式,所消耗的质量转化为能量 在核聚变反应中,1g氢可产生约627×108kJ的热能,相当于燃烧15t石油或 2700t煤所释放的能量。在过去的50亿年中,太阳只消耗了它全部质量的 0.03%。所以预计太阳的寿命为100亿年。 二)太阳的大气结构 太阳在整体上是个炽热的气体火球,在结构上分为内部稠密气体和外部稀 薄气体两大部分。目前的科技水平只能观测到太阳表面的些情况,对其内部 状况了解较少。较为一致的看法是,太阳内部的稠密气体,从中心向外可划分为 核反应区、辆射区、对流区三个同心圈层。 核反应区是太阳的中心区,占太阳举径的1/4,质量的1以上。其中心温 度为15×10K,不断进行着剧烈的核聚变反应,是整个太阳的能量源地。 辐射区厚度达12太阳半径,核反应区产生的能量,以辐射的形式通过本区 向外输送。 对流区厚度占太阳半径的14。由辐射区输送来的能量,使该区温度达到 几万至几十万度,稠密的气体呈升降起伏的对流状态。黑子、耀斑等太阳外层大 气现象,都与该区大气活动有关。 太阳外部稀薄气体即为太阳大气,按其物理性质的差异,可以划分为三个同 心圈层,从内到外依次为:光球、色球和日冕。 光球是包围对流区的一层很薄的发光层,厚度仅500km,温度底部高顶部 低,大约在6600~4300K之间,平均为5770K。肉眼所见的光芒夺目的太阳 表面就是光球层,所观测到的太阳光和太阳辐射,基本上都是从光球放射出来 的。由于受下部对流区传输来的能量影响,其表面沸腾起伏,气流下沉的地方形 成旋涡,局部温度下降,光辉变弱,称为太阳黑子;气流上升,温度升高,亮度增大 的地方,称为光斑和米粒组织。 色球处于光球外部,厚达2000~2500km,亮度很低,仅是光球的1‰,因 此,只有在日全蚀光球为月球遮住时,所能见到的太阳边缘玫瑰色的辉光,就是 色球。色球层的温度从底部的几千度上升到顶部的几万度。色球顶部界线不像 光球那样清晰整齐,由许多小火舌组成,这些火舌是从色球中喷射出的上升气 流,可高达1×104km,称为针状体。每个针状体的寿命一般为5~10min。太 阳表面可同时出现大约25万个这样的针状体。耀斑是太阳色球爆发的突出现 一一
由wWW2shuigong.com水利工冈网彡年的起参考,请勿转载作为盈利用途! 象,表现为极明亮的斑点。它来势猛烈,能量很大,能在10~20min内释放出 1032-J03erg的能量。耀斑一般出现在黑子的上空及其附近。随着耀斑的出 现,色球有时会喷射出特别巨大的火舌,称为日饵。日饵形态多变,可以升到几 万甚至百万千米,有时部分气流可脱离太阳引力而散失在宇宙空间。 日冕是太阳大气的最外层,亮度更低,仅是色球的1‰,光球的百万分之 在日全蚀时,可观看到色球以外它的青白色的微光。日冕密度极低,约 10-15gcm3,实际上是太阳球体逐渐向宇宙空间过渡的区域,很难确定它的范围 和界限,其形态也随太阳活动而变化。日冕的温度从里到外,由几万度到几十万 度,最高可达100×104~200×104K,使组成日冕的物质呈现高度电离状态,成 为高度电离的等离子体,主要是质子离子和高速的自由电子。日冕中一些温度 较低密度更小的区域称为日冕涧。这是太阳磁场开放的区域,它的磁力线向行 星空间张开,处于高度电离状态的各种粒子,顺着磁力线方向以300 1000kms的速度,吹向行星际空间,这就是太阳风。整个太阳系都处于太阳风 的劲吹之中,对地球的磁场影响很大。 (三)太阳活动及其对地球环境的影晌 太阳活动是指太阳大气的运动和变化。太阳除了稳定地向宇宙空间辐射巨 大的能量外,有时在太阳表面的局部区域,发生一些突然性变化,如发生在光 球上的光斑和黑子、发生在色球上的耀斑和日饵、日冕中的太阳风等。太阳活 动有时很剧烈,称扰动太阳;有时相对平静,称宁静太阳。通常意义上的太阳 活动主要是指扰动太阳的活动,其主要标志是黑子,特别是黑子群的频繁出现 和耀斑。 太阳黑子数量的变化具有周期性,有极大年(或峰年)和极小年(或谷年),并 且各个蜂值高度也大不一样,相邻两个波峰或波谷的时间间隔也不一样。通常 取相邻两个极小年的间距为周期周期有长有短,平均周期为11年。为了便于 记录太阳黑子变化过程国际上规定给每个周期编号,并定1755年开始的那个 周期为第1号以后顺序编号;在此之前的周期编号为0、-1、-2、……依次类 推。除了11年周期外,太阳活动还有22年周期、80年周期,还发现有200年左 右、400年左右甚至更长周期的变化。 太阳活动的强弱,直接影响着太阳电磁辐射和高能粒子流的强弱,这对地球 上许多自然地理现象都有显著影响。 现已查明,耀斑是太阳活动影响地球物理场的最重要现象。耀斑辐射的种 类繁多,除可见光外,还有紫外线红外线、Ⅹ射线、Y射线,以及射电波、高能粒 子流甚至宇宙射线。当这些增强的辐射分别抵达地球附近时,就会引起磁暴、极 光、电离层骚扰,地面短波通讯受干扰甚至中断等现象,高能粒子对载人宇宙飞 船是个威胁。因此人们十分重视对耀斑的研究
由水利工程緊喜制和鱉考,请勿转载作为利用途! 地球上许多自然灾害与太阳活动有关,如地震、天气、气候异常等。日本 学者统计了16081925年日本大地震频度和黑子的关系,发现黑子多时日本 内侧地震带地震多;而黑子少时,外侧地震带地震多。根据我国19001960 年大范围降水资料研究结果,在太阳活动双周低值年附近,我国大范围地区降 水偏少;而在单周低值年附近,降水偏多,特别是在淮河以北地区最为明显。 此外,太阳活动与气温、大气环流的变化也有一定关系。尽管太阳活动与地球 自然灾害的关系尚未有公认的结论,但由于这方面的研究具有很大的实用意义 而方兴未艾。 二、太阳系 一)太阳系的成员 太阳系是一个以太阳为中心天体包括受太阳引力作用而环绕其运转的其 他天体在内的天体系统。太阳位于该系统中心,其质量占整个太阳系总质量的 998%除太阳外,还有行星、卫星、小行星、星、流星体和行星际物质,其中行 星及其卫星是太阳系的重要成员。 1.九大行星 在太阳系中目前已经发现的大行星有九个。按照它们距离太阳由近到远的 顺序依次为水星、金星、地球、火星木星、土星、天王星海王星、冥王星。九大 行星的总质量只有太阳的1/750,总体积只有太阳的1600。 九大行星之间存在着不少差异,按其性质的差异可以分为两大类:类地行星 和类木行星。 类地行星包括水星金星地球和火星。其特征类似于地球,如质量小,体积 小,平均密度大,距太阳近,卫星较少等。水星和金星没有卫星,地球有1颗卫星 月球,火星有2颗卫星。水星没有大气层;金星有浓厚的大气层,其成分以 CO2为主,占97%,并含有极少量水汽,表面大气压是地球表画大气压的90倍; 火星的大气很稀薄,以CO2为主,占95%,其余为Ar、OO和O2,水汽含量极少, 表面大气压不足地球的1%。 类木行星包括木星、土星、天王星、海王星。其特征类似于木星,如质量 大、体积大,平均密度小,距太阳远等。类木行星具有较多的卫星,木星有 16颗卫星,土星有23颗,天王星有5颗,海王星有2颗。木星、土星、天王 星都有…个由天体碎块和气体组成环带。类木行星表面都有十分稀薄的H、 He大气。 冥王星的性质既有类地的一面也有类木的一面体积小质量小,有一颗卫 星,离太阳最远,表面温度极低,不存在热力作用和风化作用,从形成以来几乎未 发生过变化,因此可以为人类了解太阳系形成的早期历史提供依据