第二章 异想“天”开第二章 异想“天”开.2

什么叫宇宙速度

物体达到11.2千米/秒的运动速度时能摆脱地球引力的束缚。在摆脱地球束缚的过程中，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到16.7千/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。

人类的航天活动，并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器，需要绕地球飞行，即让航天器作圆周运动。我们知道，必须始终有一个与离心力大小相等，方向相反的力作用在航天器上。在这里，我们正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。经过计算，在地面上，物体的运动速度达到7.9千米/秒时，它所产生的离心力，下好与地球对它的引力相等。这个速度被称为环绕速度。

上述使物体绕地球作圆周运动的速度被称为第一宇宙速度；摆脱地球引力束缚，飞离地球的速度叫第二宇宙速度；而摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系的速度叫第三宇宙速度。根据万有引力定律，两个物体之间引力的大小与它们的距离平方成反比。因此，物体离地球中心的距离不同，其环绕速度(第一宇宙速主)和脱离速度(第二宇宙速度)有不同的数值。

火箭如何产生宇宙速度

在齐奥尔科夫斯基提出火箭公式的1903年，自然无从谈及火箭发动机的设计水平，就是公认的理想燃料液氢在当时也制造不出来。计算表明，用液氧、煤油等作推进剂的单级火箭是无法达到宇宙速度的。即使用液氢液氧作推进剂，喷气速度也只能达到4.2千米／秒，其单级火箭还是无法达到约8千米／秒的第一宇宙速度。因为考虑到空气阻力，从地面起飞的火箭，实际上应达到9.5千米／秒以上的速度。这样一来，火箭的质量比应达到11以上才行。也就是说，推进剂应占火箭总质量的91％以上，这比蛋清蛋黄占整枚鸡蛋的份量比例还大，像软皮蛋一样单薄的火箭是造不出来的，即使造出来了也无法使用。

但是，科学的思想不应钻牛角尖，退一步或拐个弯就海阔天空。齐奥尔科夫斯基正是这样。他设想用多级火箭接力的办法来达到宇宙速度，就是在火箭垂直发射时，让最下面一级先工作，完成任务后脱离，接着启动上面一级，进一步提高速度。这样轻装前进，逐级提高，总能达到所需要的宇宙速度。

采用多级火箭发射航天器，现在看来似乎是很平常的事，但在大约百年前，却是了不起的思想突破，是构筑宇宙航行大道石破天惊、振聋发聩的巨大里程碑。

当然，火箭的级数不可能无限制地增加，因为对下面一级火箭来说，前面的各级火箭都是它的有效载荷。理论计算和实践经验表明，每增加1份有效载荷，火箭需要增加10份以上的质量来承受，随着火箭级数的增加，使最下面的一级和随后的几级变得越来越庞大，以致于无法起飞。多级火箭一般不超过4级。

那么，现在为什么又在谈论甚至实施单级人轨技术呢？

现在的科学技术水平已比百年前大大提高了，我们不仅有了理想的液体火箭推进剂液氢／液氧，而且火箭的设计和制造技术已达到炉火纯青的地步。例如，发动机燃烧室的设计已可使推进剂最大限度地减少不完全燃烧的损失和燃气的离解损失，极大地提高了燃烧效率。发动机喷管设计，使燃气在收缩和膨胀过程中，最大限度地减少了摩擦损失、总压损失、化学不平衡损失、微波损失、散热损失和两相流动损失，极大地提高了喷管效率。发动机推进剂供应系统的设计，已经使它所必须消耗的动力给发动机带来的损失减少到最低程度，从而最大地提高了循环效率。

同时，火箭的形态也有了发展变化。如航天飞机和空天飞机就是一种变形的运载火箭。还有垂直起降的“三角快帆”和罗顿号等飞行器，也是形态发展了的火箭。

目前的航天飞机还不是单级入轨的，但已有设想和筹划中的单级入轨空天飞机。它从地面水平起飞，除有火箭发动机的推力外，还可像飞机一样凭借巨大的翅膀产生空气动力上升。

垂直起降、单级入轨的“三角快帆”和罗顿号飞行器，其形态变成了矮粗的锥体。它们除了借助于高性能的推进剂和高水平的设计制造技术外，还得益于强度高和质量轻的新型材料，这可以在满足结构强度需要的前提下减轻火箭的结构质量。同时，由于它们采用垂直起降方式，所以能省去航天飞机和空天飞机的巨大翅膀，这就大大地减轻了自身的结构质量。这些结构质量的减少，大大提高了它们的质量比，从而使它们可以单级入轨。

七、“天狗吃月”——日月食

七、“天狗吃月”——日月食

话说月食

月食的原理和日食类似。在农历每月的十五、十六，月球运行到和太阳相对的方向。这时如果地球和月球的中心大致在同一条直线上，月球就会进入地球的本影，而产生月全食。如果只有部分月亮进入地球的本影，就产生月偏食。当月球进入地球的半影时，应该是半影食，但由于它的亮度减弱得很少，不易察觉，故不称为月食，所以月食只有月全食和月偏食两种。

月食都发生在“望”，但不是每逢“望”都有月食，这和每逢“朔”不都出现日食是同样的道理。在一般情况下，月亮不是从地球本影的上方通过，就是在下方离去，很少穿过或部分通过地球本影，因此，一般情况下就不会发生月食。每年月食最多发生3次，有时一次也不发生。从现在到2000年，中国能见到2次月全食（1997年9月17日，2000年7月16日）一次月偏食（1999年7月28日）。

古时候，人们不懂得月食发生的科学道理，像害怕日食一样，对月食也心怀恐惧。外国有人传说，16世纪初，哥伦布航海到了南美洲的牙买加，与当地的土著人发生了冲突。哥伦布和他的水手被困在一个墙角，断粮断水，情况十分危急。懂点天文知识的哥伦布知道这天晚上要发生月全食，就向土著人大喊，"再不拿食物来，就不给你们月光！"到了晚上，哥伦布的话应验了，果然没有了月光。土著人见状诚惶诚恐，赶快和哥伦布化干戈为玉帛。

公元前2283年美索不达米亚的月食记录是世界最早的月食记录，其次是中国公元前1136年的月食记录。月食现象一直推动着人类认识的发展。早在2000多年前，中国汉代天文学家张衡就弄清了月食原理。公元前4世纪，亚里土多德从月食时看到的地球影子是圆的，而推断地球是球形的。公元前3世纪的古希腊天文学家阿利斯塔克（Aristarchus，）和公元前2世纪的喜帕恰斯（Hipparchus）都提出通过月食测定太阳-地球-月球系统的相对大小。后者还提出在相距遥远的两个地方同时观测月食，来测量地理经度。2世纪时，托勒密利用古代月食记录来研究月球运动，这种方法一直延用到今天。在火箭和人造地球卫星出现之前，科学家一直通过观测月食来探索地球的大气结构。

日月交食的沙罗周期

日食和月食统称交食。由日月食的原理可看出，交食的出现与日、地、月三者的会合运动密切相关，此会合运动具有周期性，所以日月食自然也应有周期性。交食的周期是古代巴比伦人发现的，叫做“沙罗周期”（“沙罗”是重复的意思），为18年零11天多一点。即6585．32天。

一年内可发生多少次月食呢？对全地球而言，一年内最多发生3次，有时1次也不发生，日食每年最多可发生5次，最少也要发生2次。这么看来，每年发生日食的次数比月食多，可是为什么人们总是看到月食的机会比日食多呢？这是由于日食带的范围小，地球上只有局部地区可见；对于某一确定地点而言，平均每3年左右才可以看到一次日偏食，300多年才可以看到一次日全食。而月食一旦发生，处于夜晚的半个地球上的人都可以看到，对某一地区平均而言，看到月食的机会是发生月食次数的一半，因此人们看到月食的机会比日食多。

解说月食

月食指月球进入地球影锥之际所出现的天象。月全食都出现在望月之夜，由于地球大气层对太阳光的折射使部分红光到达月球视圆面，致使月全食的月面成铜红色。每年发生的月食为2到5次，月球自身不发光，所以当月食发生之际，处于夜半球的居民都能看到月食。月食有月全食，月偏食以及半影月食三种。月食出现在望月，当地球在日月之间，由于黄道和白道之交角为50’9”，因而只有少数望月才能出现月食。只有月球和太阳同黄纬之际，地球的影子才会触及月球表面。

地球的直径约为月球的4倍，在月球轨道处地球本影的直径约为月球直径的2.5倍左右，因而不会出现月环食现象。当地球本影遮住月球的一部分之际，出现月偏食，月球全部进入地球本影之际出现月全食。月球进入地球的半影区之际，出现半影月食。

每世纪内月全食出现的次数为70.4次，占月食次数的28.94%；每世纪月偏食出现的次数为83.3次，占34.46%；每世纪半影月食出现的次数为89.0次，占36.60%。

话说日食

日食，特别是日全食，是天空中颇为壮观的景象。如果在晴朗的天气发生日全食，人们可以看到：好端端一个圆圆的太阳，它的西边缘开始缺掉一块（实际上是被月影遮住），所缺的面积逐渐扩大，当太阳只剩下一个月牙形时，天色逐渐昏暗下来，如同夜幕降临。当太阳全被遮住时，夜幕完全笼罩大地。突然，在原来太阳位置四周喷射出皎洁悦目的淡蓝色的日冕和红色的日珥。此后，太阳西边缘又露出光芒，大地重见光明，太阳圆面上被遮的部分逐渐减少，太阳渐渐恢复了本来面貌。

仔细观察，在全食即将开始或结束时，太阳圆面被月球圆面遮住，只剩下一圈弯弯的细线时，往往会出现一串发光的亮点，像是一串晶莹剔透的珍珠。这是由于月球表面高低不平的山峰像锯齿一样把太阳发出的光线切断造成的。英国天文学家倍利（Berrie）于1838年和1842年首先描述并研究了这种现象，所以称为倍利珠。

日食成因

我们知道，月球是围绕地球转动的，地球又带着月球一起绕着太阳公转，当月球运行到太阳和地球之间，三者差不多成一直线时，月影挡住了太阳，于是就发生了日食。月影有本影、伪本影（本影的延长部分）和半影之分。在月亮本影扫过的地方，那里太阳光全部被遮住，所看到的是日全食；在半影扫过的地方，月球仅遮住日面的一部分，这时看到的是日偏食。有时，月球本影达不到地面，它延伸出的伪本影扫到地面，此时太阳中央的绝大部分被遮住，在周围留有一圈明亮的光环，这就是日环食。天文学家称环食和全食为中心食。中心食的过程中必然会发生日偏食。

日月食趣谈

公元前585年5月28日，欧洲的希腊有两个部族正在浴血大战"黑夜"突然到来，撕杀着的勇士们感到万分惶恐，以为是上天的警告，纷纷放下手中的武器，一场历时六年的战争竟从此结束。

1504年，哥伦布航行到牙买加时，与土著居民发生了冲突，哥伦布等被困在一隅，可能会被活活饿死，在这危急时刻，通晓天文学的哥伦布知道当天晚上将有一次月全食，于是他大声宣布，如果这些勒比人不再送上食物，他今晚就不给他们月光！果然，晚上出现了月全食，土著居民又惊又怕，一个个跪倒在地，请求其宽恕……

其实，日月食的原理很简单，如图1，在本影的范围内，观测者看到太阳全部被月球遮住，这叫日全食；如图2，在伪本影的范围内，观测者看到，月球不能全部迹住太阳，太阳边缘还剩一圈光环，这叫日环食，在半影的范围内，观测者看到太阳只有一部分被遮住，这叫日偏食，当月球只进入地球半影，发生肉眼不易察觉的半影月食。

全世界每年最多可以发生65次日食，至少2次，据1901-2500年的统计，每一百年发生日偏食82．5次，日环食82．5次，日全食67．2次，日全环食4．3次。对于某一点来说平均三年可以看到一次日偏食，三百多年才能看到一次日全食。而月食每年最多发生3次，少则没有。据1500-2500年的统计，每一百年发生半影月食89次，月偏食83．8次，月全食70．4次，共243．2次。月食发生时，面对月球的半个地球的人都可看到，对于某个地点来说，可以看到上述半数的月食，到本世纪来，我国可看到3次日食，10次月食。

从理论上计算，日全食最长的时间极限是7分31秒。实际观测中历时最长的一次日食是在1955年6月20日，在太平洋上观测长达7分35秒，根据计算，2186年7月16日，在大西洋上可看到一次长达7分28秒的日全食，这只比极限时间短3秒，创纪录的是法国科学家，他们在1973年6月30日发生于非洲的日全食观测中，利用"协和式"飞机去追赶月影，使观测延长到74分钟，真是一个奇迹！

日环食的极限时间比日全食稍长，可达12分，如1955年12月14日在我国海南岛、台湾等地所见的一次日环食就有12分钟。

而月全食的时间因为地球影远比月亮大得多，一般长达一个多小时。

八、拿什么把宇宙看清楚——望远镜

八、拿什么把宇宙看清楚——望远镜

太空望远镜从地球上发射，安放与在大气层之外“朦胧”的太空。凭借其惊人的视野与

敏锐的“洞察力”，宇宙的奥秘正不断被揭开。

哈勃望远镜

哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元，于1990年4月25日由美国航天飞机送上高590千米的太空轨道。哈勃望远镜以时速2.8万千米沿寂静的太空轨道运行，默默地窥探着太空的秘密。

哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，其观测能力等于从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只萤火虫。

1999年4月，利用哈勃望远镜拍摄的深空图像，美国纽约州立大学斯托尼布鲁克分校的研究人员发现了宇宙边缘附近有一个距离地球130亿光年的古老星系，这是迄今为止人类所发现的最遥远的天体；利用全新的近红外仪器，透过茫茫的星际，人们发现了“皮斯托”星，这是至今发现的最大的一个天体。利用哈勃望远镜的宽视场和行星摄像机，科学家获取了第一张伽玛射线爆发的光学照片；哈勃望远镜上的超级摄谱仪又向人们揭示了超新星的化学成分。

哈勃望远镜所收集的图像和信息，经人造卫星和地面数据传输网络，最后到达美国的太空望远镜科学研究中心。利用这些极其珍贵的太空图像和宇宙资料，科学家们取得了一系列突破性的成就。沉寂多年的天文学领域，正发生着天翻地覆的变化。

哈勃望远镜预计2010年“退休”。21世纪的太空望远镜研制计划正紧锣密鼓地在全世界范围内展开。21世纪初叶，将有数台大型天文观测设备送入外层空间，这将是继哈勃望远镜取得的辉煌成就之后的，人类探测太空的又一次大手笔。

空间红外望远镜

空间红外望远镜将于2001年发射升空，其主镜口径84厘米，配备有灵敏度极高的红外探测元件。为彻底避开地球红外辐射的干扰，它将遨游于近百亿米之遥的深空轨道。当望远镜在外层空间、处于极低温的条件下进行观测时，红外波段的宇宙“面容”纤毫毕现，较之于地面观测将清晰百万倍。

新“哈勃望远镜”

美国正在积极筹划研制新一代太空望远镜，旨在接替目前还在轨道运行的哈勃望远镜。新一代望远镜主镜为口径达7.5米，其观察范围比“哈勃”大4～6倍，清晰度却不亚于“哈勃”。新一代望远镜计划2003年开始制造，重量预定3000千克，而“哈勃”重达10000千克。制造这么大而又这么轻的镜片，要求在材料上有巨大的突破和进展。

“哈勃”在对宇宙形成初期进行探测时留下了1亿年到10亿年之间空白，新一代望远镜将填补这段空白，研究宇宙的甚早期，观察诸星系形成时期的情况。“哈勃”专门用紫外线和可见光中的短波来观测宇宙，而新一代望远镜则用电磁光谱中波长较长的红外线部分来深入探索宇宙。因为宇宙在扩张的过程中诸星系远离地球向外运动，它们的光变成波长较长的红光，以红外线的形式传到地球上。

新一代望远镜不像“哈勃”那样绕地球轨道，而是将稳定地占据地球与太阳之间、月球

以外约150万公里的一条轨道。

空间干涉望远镜

空间干涉望远镜预计于2005年3月被送入预定轨道。它实际上由7架30厘米口径的镜面组成，进入轨道空间后将释放排列成长达9米的望远镜阵。运用光学干涉技术，其最终的空间分辨率可优于哈勃望远镜近千倍。建造空间干涉望远镜，要求极高的技术水平，它的应用将使天文学家分辨遥远恒星的能力迈上一个新的台阶。

地外行星搜寻者

“地外行星搜寻者”是美国宇航局空间计划的“点睛”之笔，计划于2012年发射升空。它汇集了人类太空望远镜技术的精华，将在寻找太空生命方面崭露头角。“地外行星搜寻者”的设计思路与空间干涉望远镜相似，但在规模与性能上有重大突破。空间干涉望远镜的可收卷镜阵延伸9米上下，而“地外行星搜寻者”的镜面阵列延展可达百米。利用它空前的分辨率，人们将足以探明，在太阳系邻近数十光年之内，是否存在与地球条件相似的行星，并进一步为解开地外生命的“悬念”获取宝贵的线索。

射电望远镜

射电望远镜与光学望远镜不同，它既没有高高竖起的望远镜镜简，也没有物镜、目镜，它由天线和接收系统两大部分组成。巨大的天线是射电望远镜最显著的标志，它的种类很多，有抛物面天线、球面天线、半波偶极子天线、螺旋天线等。最常用的是抛物面天线。天线对射电望远镜来说，就好比是它的眼睛，它的作用相当于光学望远镜中的物镜，它要把微弱的宇宙无线电信号收集起来，然后通过一根特制的管子（波导）把收集到的信号传送到接收机中去放大。接收系统的工作原理和普通收音机差不多，但它具有极高的灵敏度和稳定性。接收系统将信号放大，从噪音中分离出有用的信号，并传给后端的计算机记录下来。记录的结果为许多弯曲的曲线，天文学家分析这些曲线，得到天体送来的各种宇宙信息。

灵敏度和分辨率是衡量射电望远镜性能的两个重要指标。灵敏度是指射电望远镜“最低可测”的能量值，这个值越低灵敏度越高。为提高灵敏度常用的办法有降低接收机本身的固有噪声、增大天线接收面积、延长观测积分时间等。分辨率是指区分两个彼此靠近射电源的能力，分辨率越高就能将越近的两个射电源分开。那么，怎样提高射电望远镜的分辨率呢？对单天线射电望远镜来说，天线的直径越大分辨率越高。但是天线的直径难于作得很大，目前单天线的最大直径小于300米，对于波长较长的射电波段分辨率仍然很低，因此就提出了使用两架射电望远镜构成的射电干涉仪。对射电干涉仪来说，两个天线的最大间距越大分辨率越高。另外，在天线的直径或者两天线的间距一定时，接收的无线电波长越短分辨率越高。拥有高灵敏度、高分辨率的射电望远镜，才能让我们在射电波段“看”到更远、更清晰的宇宙天体。射电天文技术最初的起步和发展得益于二战后大批退役雷达的“军转民用”。射电望远镜和雷达的工作方式不同，雷达是先发射无线电波再接收物体反射的回波，射电望远镜只是被动地接收天体发射的无线电波。20世纪50、60年代，随着射电技术的发展和提高，人们研究成功了射电干涉仪、甚长基线干涉仪、综合孔径望远镜等新型的射电望远镜。射电干涉技术使人们能更有效地从噪音中提取有用的信号；甚长基线干涉仪通常是相距上千公里的几台射电望远镜作干涉仪方式的观测，极大地提高了分辨率，使射电波段的分辨率首次高于光学，今天射电的分辨率高于其它波段几千倍，能更清晰地揭示射电天体的内核；综合孔径技术的研制成功使射电望远镜具备了方便的成像能力，综合孔径射电望远镜相当于工作在射电波段的照相机。英国射电天文学家赖尔（M.Ryle）因研究成功综合孔径技术，为射电天文学的发展做出重要贡献，获得1974年诺贝尔物理学奖。

由于天文科学的需要和射电技术的成熟促使世界各国竟相建造大小不同、形态各异的射电望远镜。1955年，英国在曼彻斯特的焦德雷尔班克观测站建成直径76米的全可动抛物面射电望远镜，并在1957年跟踪苏联发射的第一颗人造地球卫星时发挥重要作用，从此闻名于世。60年代美国在中美洲的波多黎哥利用一个天然洼地建成305米直径的固定球面射电望远镜，至今仍以口径最大著称于世。1971年德国建成一架直径100米的全可动抛物面天线，它是目前世界上最大的一架全可动天线。80年代末美国的VLA(2725米)大型综合孔径阵在新墨西哥州落成。

印度的GMRT（30X45米）米波综合孔径阵即将建成。1997年日本发射了第一台空间射电望远镜VSOP。这一系列高性能射电望远镜的建成大大促进了射电天文学的研究。1993年国际无线电科联（URSI）京都大会上，包括中国在内的10国射电天文学家联合发起了新一代射电“大望远镜（LT）”倡议，筹备建造接收面积为1平方公里的巨型射电望远镜。目前，提出几种方案，各国都在积极进行预研究。

总之，21世纪的“天眼”，将具备前所未有的高灵敏度、高分辨率、大视场以及多天体观测能力。就整体而言，它们观测宇宙的效能将全面超越其“老大哥”----哈勃太空望远镜，从而全方位地开阔人类探测宇宙的视界。

九、太空也有天气变化吗？

九、太空也有天气变化吗？

万物生长靠太阳，太阳的阳光是地球上一切生命的泉源。但太阳有时也会“发脾气”，成为令人头痛的灾星。

仰望太空，并非空无一物，而是一个充满了等离子体、能量极高的宇宙线粒子、辐射带粒子、各种波段电磁辐射等的空间，这一切都源于太阳。太阳是一个能量输出不断变化的天体，在可见光波段虽比较稳定，但在其它波段，特别是在紫外线和X射线，其输出可有数量级的变化。有时，太阳会在一秒钟内把百万吨的带电物质，以每秒近千公里的高速度抛向地球，这就引起了地球上空的太阳风、磁层、电离层和热层状况的强烈扰动，于是这被称之为太空天气的多变，给地球造成了许多灾难。

太空天气的恶化会导致卫星失效或坠落、地面通信中断、导航定位不准、输电网等技术系统受到损伤。如1989年3月3日凌晨，加拿大魁北克省在90秒钟内大面积突然停电，直接损失一千万美元，原因为太阳所致。在卫星故障中，大约有40％与灾害性太空天气变化有关。十年前，我国的风云一号气象卫星，也因受太阳粒子撞击而提早失效。此外，恶劣的太空天气也可能会损坏人类的身体健康。地球上许多自然灾害也可能与太空天气有关，人类许多高科技领域的发展正面临着来自太空天气变化的严峻威胁。

应运而生的太空天气学

太空天气学，就是研究和预报太空灾害性天气变化的规律，避免或减轻太空灾害性天气，可能给人类造成的巨大损害和严重威胁。

美国和日本等国，早已着手太空天气学的研究，但因太空灾害性天气的预报既相当困难又十分复杂，目前仅相当于50年代地球气象预报的水平。我国是个空间大国，太空天气学的研究也不应是空白。可以预料，只要不懈地努力，明天太空天气的灾害预报，也会像今日预报寒潮和台风一样准确，为人类作出新的贡献。

太空天气警报

“太空天气警报”很像我们平常看到的天气预报,只是普通天气预报关心的主要是人类活动将面临的天气条件，而“太空天气警报”关注的是卫星、飞船等航天器发射、运行时将要面对的太空环境，其中最主要的对手是太阳风暴。我们知道，真实的太阳是一个熊熊燃烧的火球，表面像开水一样剧烈翻滚，局部的能量大爆发，形成巨大的耀斑或日冕抛射，产生的强大的电磁辐射和带电粒子流，会给脱离大气层和地球磁场保护的卫星造成毁灭性的打击。对于高速飞行的卫星来说，迎面而来的高能带电粒子就像致命的子弹，会让卫星上大规模的电子程序瞬间发生逻辑位翻转或闩锁，进而产生虚假指令，导致卫星寿命缩短、功能紊乱甚至丧失。据国际上8000多例卫星故障统计，其中百分之四十是由这样的空间环境扰动引起的。

空间环境监测是发出“太空天气警报”的基础。今天，气象观测、定位导航、移动通讯等高科技活动已经把我们与卫星紧密地联系在一起，各航天大国也因此都把空间环境监测作为航天技术发展的重大课题来研究，为飞船、卫星的加固设计、运行管理、故障分析提供科学数据，向运行中的航天器发出太空环境扰动警报或预报。

当太阳耀斑爆发时，电磁辐射中的X射线约8分钟到达地球,而带电粒子则需要30分钟甚至几十小时才能到达地球,这个时间差就为发出“太空天气警报”创造了条件。

十、静谧而美丽的极光

十、静谧而美丽的极光

在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。有时它像一条彩带，有时它像一团火焰，有时它又像一张五光十色的巨大银幕。它轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒。静寂的极地由于它的出现骤然显得富有生气。这种壮丽动人的景象就叫做极光。

人们知道极光至少己有2000年了，因此极光一直是许多神话的主题。在中世纪早期，不少人相信，极光是骑马奔驰越过天空的勇士。在北极地区，因纽特人认为，极光是神灵为最近死去的人照亮归天之路而创造出来的。随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所知，原来，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。

产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带，例如，在美国，南到北纬40度处还曾见过北极光。极光有发光的帷幕状、弧状、带状和射线状等多种形状。发光均匀的弧状极光是最稳定的外形，有时能存留几个小时而看不出明显变化。然而，大多数其他形状的极光通常总是呈现出快速的变化。弧状的和折叠状的极光的下边缘轮廓通常都比上端更明显。极光最后都朝地极方向退去，辉光射线逐渐消失在弥漫的白光天区。造成极光动态变化的机制尚示完全明了。在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为"太阳风"。这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，该太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场，磁场使该颗粒流偏向地磁极，从而导致带电颗粒与地球上层大气发生化学反应，形成极光。在南极地区形成的叫南极光。在北极地区同样可看到这一现象，一般称之为北极光。

大多数极光出现在地球上空90---130千米处。但有些极光要高得多。1959年，一次北极光所测得的高度是160千米，宽度超过4800千米。在地平线上的城市灯光和高层建筑可能会妨碍我们看光，所以最佳的极光景象要在乡间空旷地区才能观察得到。在加拿大的丘吉尔城，一年在有300个夜晚能见到极光；而在罗里达州，一年平均只能见到4次左右。我国最北端的漠河，也是观看极光的好地方。

18世纪中叶，瑞典一家地球物理观象台的科学家发现，当该台观测到极光的时候，地面上的罗盘的指针会出现不规则的方向变化，变化范围有1度之多。与此同时，伦敦的地磁台也记录到类似的这种现象。由此他们认为，极光的出现与地磁场的变化有关。原来，极光是太阳风与地球磁场相互作用的结果。太阳风是太阳喷射出的带电粒子，当它吹到地球上空，会受到地球磁场的作用。地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个"漏斗"沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击后所发出的光的前面色不一样。例如氧被激后发出绿光和红光，氮被激后发出紫色的光，氩激后发出蓝色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。

科学家已经了解到，地球磁场并不是对称的。在太阳风的吹动下，它已经变成某种"流线型"。就是说朝向太阳一面的磁力线被大大压缩，相反方向却拉出一条长长的，形似慧尾的地球磁尾。磁尾的长度至少有1，000个地球半径长。由于与日地空间行星际磁场的偶合作用，变形的地球磁场的两极外各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子体具"冻结"磁力线特性，所以，太阳风粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时(如耀斑爆发)，常引起地球磁层亚暴。于是这些带电粒子被加速，并沿磁力线运动。从极区向地球注入，这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子，使后者被激发--退激而发光。不同的分子，原子发生不同颜色的光，这些单色光混合在一起，就形成多姿多彩的极光。事实上，人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。而且，极光的颜色和强度也取决于沉降粒子的能量和数量。用一个形象比喻，可以说极光活动就像磁层活动的实况电视画面。沉降粒子为电视机的电子束，地球大气为电视屏幕。地球磁场为电子束导向磁场。科学家从这个天然大电视中得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光谱分析可以了解沉降粒子束来源，粒子种类，能量大小，地球磁尾的结构，地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰乱对地球的影响方式与程度等。

极光的形成与太阳活动息息相关。逢到太阳活动极大年，可以看到比平常年更为壮观的极光景象。在许多以往看不到极光的纬度较低的地区，也能有幸看到极光。

2000年4月6日晚，在欧洲和美洲大陆的北部，出现了极光景象。在地球北半球一般看不到极光的地区，甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部及南部广大地区也出现了极光。当夜，红、蓝、绿相间的光线布满夜空中，场面极为壮观。虽然这是一件难得一遇的幸事，但在往日平淡的天空突然出现了绚丽的色彩，在许多地区还造成了恐慌。据德国波鸿天文观象台台长卡明斯基说，当夜德国莱茵地区以北的警察局和天文观象台的电话不断，有的人甚至怀疑又发生毒气泄漏事件。这次极光现象被远在160公里高空的观测太阳的宇宙飞行器ACE发现，并发出了预告。在北京时间4月7日凌晨零时三十分，宇宙飞行器ACE发现一股携带着强大带电粒子的太阳风从它旁边掠过，而且该太阳风突然加速，速度从每秒375公里提高到每秒600公里，一小时后，这股太阳风到达地球大气层外缘，为我们显示了难得一见的造化神工。

十一、星星排队非大难

十一、星星排队非大难

公元前44年，一位女占星师在观测天相时发现若干星体构成一字形排列，便向当时的罗马独裁者凯撒发出警示：“3月15日，千万得小心防范死神降临。”当时，位高权重的凯撒并没有太在意，倒是他那帮早已蓄谋要暗杀他的所谓“亲密战友”在这一预言的激励下，迅速采取了行动。不久后，凯撒被暗杀。无独有偶，大约在140年之后，罗马又再次发生类似事件。公元96年9月8日，夜空又出现星体的一字形排列。罗马皇帝的亲信宠臣认定，这种火星居于正中的珠链排列暗示着皇帝受神灵庇护的终结，于是合谋刺杀了罗马皇帝提多。由此不难看出，古代人十分迷信星相，凡事都要遵循星相的启示。

后来，随着科学的日益发达，人们才逐渐认识到星相学的预测是靠不住的，至此，曾一度令人痴迷的神秘星相学才渐渐与人们的日常活动分离开来。然而，这并不是说星星的位置排列与人类生活全无关系。事实上，对于美国宇航局这类高科技研究机构来说，星相研究常常是他们首先得考虑的问题。

与古代占星术迷信所谓的“天机”不同，现代的宇航专家们之所以要仔细观测、推算各类星体(包括行星、彗星、小行星等)的运行情况，其目的主要是为了使太空探索计划尽可能以最短的航程、最少的耗资来圆满完成。

熟悉科幻小说的朋友，也许对下列场景不会陌生：小说中的主人公可以像驾驶汽车一样，随意将飞船从一个星球驶向另一个星球，有时驾驶过程甚至可以简化到只需按下几个不同的按钮。然而，在现实生活中，宇宙飞船的发射却受到诸多因素的限制。以地球引力为例，目前的普通型运载火箭只能将负重2.5万公斤左右的探测设备送入近地轨道。除非这些设备自身另外配备有驱动装置，否则就连用于阿波罗计划的“土星五型”火箭当时也没能完全摆脱地球的引力作用，虽然它到了月球，但月球毕竟也在地球的引力束缚中。当然，极个别的小型飞行器曾冲出地球引力之后，进入深空。比如火星探索中常用的“德尔塔二型”火箭，就能把700公斤的负载送出地球的引力场之外，但不能因此认为人类已经有能力将哪怕只有700公斤重的东西送至太空中任何地方。

即使冲破地球的束缚，飞行器也仍处在太阳引力场的控制之下，因而很难冲出太阳系。况且，目前的飞行器大都是由化学燃料推动的，待到燃料耗尽之时，它们就只能沿着被发射出去时的方向飘行。而星际飘行是相当费时的。比如2001年发射升空的“奥德赛号”火星探测器从上天到飞抵火星，就用了整整6个月时间，这期间火星的轨道早已发生了偏移。由此不难想象，准确知道飞行器发射时和抵达火星时火星所处的不同位置有多么重要。因此，现代人也得像祖先一样，密切关注星相的变化。

好几年前，就有科学家在筹划派宇航员登陆火星。这是一项相当庞杂的计划，而登陆能否实现与时机选择是否恰当有很大关系。所谓“最理想”的时机，要数天文学家常说的“相对期”，即地球和火星相距最近的时刻。载人飞船只有在“相对期”到来之前的几个月就升空，才能顺利登陆火星；在此之后，只需再等26个月，地球与火星之间又会出现一个新的“相对期”，已完成探测任务的宇航员便可以借此良机重返地球了。

当然，考虑到化学燃料的有限性，尽可能减少燃料消耗，时机的挑选还需作缜密的考虑。虽然地球与火星每26个月就会相互靠拢，但由于这两颗行星的运行轨道都呈椭圆形，所以两星之间的所谓最近距离一般要每15年才会出现一次。当然，偶尔也可能由于某种原因而出现变故。据预测，火星与地球之间的最短距离将分别于2003年、2018年和2033年出现。由于载人登陆火星计划需要派遣宇航员，所以2018年可能是最佳时机。

十二、月球风光

十二、月球风光

世界上的东西，只有在你缺少的时候，才能体会到它的宝贵。大气更是这样。

假如没有了大气，地球会变成什么景象呢？1969年7月20日美国阿波罗号宇宙飞船首次把两名宇航员送上了月球。到1972年12月为止，先后有六艘宇宙飞船在月球着陆。人类从此揭开了月球神秘的面纱，真实地体验到了在没有大气的行星与卫星上活动的感受。

月球是一个没有大气、没有水、没有声响、没有风霜雨雪的世界。月球表面覆盖着粉状的尘灰，类似地球的沙海和荒漠。由于没有大气的散射，在月球上只能看到极亮的刺眼的太阳，而到了阳光无法照射的夜晚，又是一片漆黑。在月球上既没有黎明，也没黄昏。天突然亮得刺眼，或突然一片黑暗。这里只有明亮和黑暗，没有二者之间程度不等的灰色和被大气、水汽、尘埃所分解出的五光十色。在月球上没有空气传播声音，听不见歌声，听不见说话声，哑语成为唯一传达思想的语言。

月球上的温度白天可达1270C，如果不加防护，你的血液早已沸腾；夜晚降到-1830C，在地球上最保暖的衣服，也无法使你挨过寒夜。因此，在这里生命根本无法生存--这里是死亡的世界。

只有现代科学武装的地球人类，才可能征服月球，但为此必须付出重大的代价。他们首先要在月球上制造严密封闭的容器，既能抗御白天的高温，又能抵挡夜晚的严寒。在容器里还要制造类似地球的气候环境。这时人们才能在那里生活，才谈得上更好地开发那里的资源。

天文学家认为地球的高等生物与人类的出现与发展主要是由于：地球有一个优良的大气环境及它所提供的气候资源。在如今天文学所能认识的宇宙中，只有地球才有这样的大气与气候。也正因为如此，我们只可能拥有地球这样一个家园。我们要建设我们的家园，更要保护我们的家园。因为它不只是地球的财富，而且还是宇宙中极其稀有的财富。

发展经济就需要资源。过去，人们看到的是地下的资源，为了土地，为了土地下面的财富，你争我夺，写下了一部人类斗争的历史。但人们还没有看重天上的财富，这是由于老天的慷慨。只要有了地，它就无偿地把地上的气候资源也一起送给你。如果没有优良的气候资源，例如在滴水不降的沙漠、终年寒冷的两极区域，地又有多大的生产价值呢？