现代天文学基本知识- 山僧不解数甲子,一叶落知天下秋 ...
现代天文学基本知识 [转贴 2010-04-03 10:36:02]   
{dy}节 宇宙概说

  宇宙就是指无边无际的空间和无始无终的时间。所谓空间,就是人和万物所占的地位;所谓时间,就是万物变化所经历的过程。我们定义的宇宙包罗了所有客观存在的物质。由于物质的数量和宇宙的大小难以估量,因此我们的讨论只能从目前所知的可观测宇宙的情况入手。

一. 宇宙的起源

  我们的宇宙是否有开始之日?如果有的话,它是怎样开始的?而又始自何日?
  关于宇宙的演化,目前流行着两种主要理论。一种叫做大爆炸理论,这种理论假定了一种确定的规模巨大的发端。另一种理论叫做稳恒态理论,主张宇宙的年龄是无限的,因此没有什么开始和终结。
  (一).大爆炸理论
  根据大爆炸理论,宇宙间的一切物质起初都聚集在一个原始核里,其密度可能与原子核的密度相等。原始核爆炸了。爆炸之后其温度立刻达到{jd1}温度2.5亿度。 随着宇宙继续膨胀,温度徐徐下降,一直到今天的- 3700F左右的总体温度。
  根据当前宇宙的膨胀速率和宇宙的大小数据,就有可能追溯出爆炸的过程而求得日期。目前认为这次爆炸的日期大概是在100亿年以前。 宇宙的膨胀速率大概会随宇宙的膨胀而减慢,就象爆炸时在空气中四处飞开的石块速度也会减低一样。减慢的程度取决于宇宙的大小和质量,因为当宇宙膨胀时,星系的动能也就转变为势能。如果牛顿万有引力定律在这样的宇宙中仍然成立,则基本上有两种可能的膨胀模型。若宇宙膨胀得足够快,星系团的速度会超过宇宙的逃逸速度(所谓逃逸速度即指物质要从行星上逃逸而去所必须具备的速度),于是它们就继续向四周离散下去。星系团的空间密度不断地减小,{zh1}到某一未来的时候,从地球上看到的星系就会只剩下本星系团的了。另一方面,如果宇宙不以这种“灾难性”的速度膨胀,所有星系的相互引力就最终会使膨胀停止,并使过程反向进行。于是宇宙便开始收缩,直到返回原始核状态。而后也许还要再膨胀,两种过程交替下去便形成脉动宇宙。
  (二).稳恒态理论
  稳恒态理论的见解是由宇宙学原理引申而来的。这种理论的倡导者认为,爱因斯坦证明了宇宙是一个四维时-空连续体。因此宇宙学原理应表述为:宇宙形象与观测者所处的时间和空间无关。也就是说除局部和很小的差异而外,无论观测者在何时何地--在哪个天文时期进行观察,宇宙显得都是一样的;总的看来,不论在50亿年以前还是以后,宇宙的样子都应是相同的。固然,一些恒星会已诞生和死亡,各个星系会发生变化,但宇宙的整体在空间和时间上是始终保持不变的。
  稳恒态理论主张宇宙从未有过开始,或者更确切地说,宇宙乃是处于连续的创造过程之中。当宇宙膨胀时,总体密度减小,但是密度存在一个下限值,宇宙不会在密度低于此值的情况下存在。当宇宙接近这个下限值时,便会创造出更 多的物质来使密度再度升高。因此当宇宙不断地膨胀时,新的物质便连续创造出来以填补空隙。新形成的物质就是构成星系的氢。每个新星系团将随着宇宙的不断膨胀而逐渐衰老以致死亡,但又形成了新的星系团。新星系形成,老星系衰亡,但宇宙的总密度不变,并且总是存在有各种不同年龄的星系。因此宇宙无论在任何时期检验都是一样的。尽管个别星系团有所变化,但总体图象是始终如一的。这就是所谓无论在年龄上和空间上都是无限的稳恒态宇宙。

{dy}节 宇宙概说

二. 星系的分布

  构成宇宙这一大厦的砖石就是星系,而构成星系的基本材料是恒星。星系在整个宇宙里并不是任意分布的,它们都是构成一个一个的星系团。多数星系团是球对称的,星系空间密度朝星系团增加,最亮的椭圆星系向中心聚集,旋涡星系和不规则星系则多在外部区域。有的星系团含高达10万个之多的星系。在星系团内各星系间的距离和它们的大小相比大不太多,星系的平均直径约5×104光年, 其平均距离约为30×104光年。形形色色的星系散布于天空中的各个部位。在宇宙中业已发现了数亿个星系。用大望远镜看到的最远星系,据估计距离我们在50—100亿光年之间。 我们所处的太阳系在银河系中只是沧海之一粟,而银河系在宇宙中也只是一颗沙粒而已。

{dy}节 宇宙概说

三. 太阳系

  人类在宇宙中的位置是在太阳系,因此,了解太阳系,其与人类的生息至关重要。在太阳系里,除了地球这颗行星之外,现在发现的还有八颗不同大小、各有特色的大行星;有绕行星旋转的卫星,有数以万计的小行星,有给人应象深 刻的彗星,还有无数的流星体和尘埃物质,它们共同组成一个天体系统--太阳系。
  太阳系里的所有天体,无一例外地都以太阳为中心旋转,万古不息。太阳系目前已经知道的九大行星中,离太阳最近的是水星,然后依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星,最远的是冥王星。其卫星有绕地球旋转的月亮,此外火星的卫星有2颗,木星有14颗,土星有10颗,天王星有5颗,海王星有2颗,冥王星1颗。在太阳系里,太阳的自转方向、行星的公转与自转的方向、以及大多数卫星的公转与自转方向全都相同。但海卫一与木星的最外边的四颗卫星以及土卫九都是逆行的,也就是说这些卫星绕主星的公转和太阳系的基本运动方向相反。
  我们现在才逐渐认识到,一度当作整个宇宙的地球,实际上不过是围绕太阳旋转着的一块物质,而宇宙中还有亿万颗象太阳一样的恒星,它们汇同弛漫的宇宙尘埃与气体组成了一个庞大的星系--银河系,而这个庞大的星系又仅仅是千千万万星系中的普通一员,每个星系都拥有数不清的恒星。

第二节 地 球

  一. 地球的形状和大小
  地球是绕太阳运转的第三颗行星,其形状似梨形,南北球并不相互对称,它的几何中心并不位于赤道平面,以北半球较细长,南半球较粗短。地球的赤道半径6368.16 公里,赤道圆周是40076.6公里,总面积51010.09万平方公里。 地 球从内向外由内核、外核、地幔和地壳四个同心球层构成。
  二. 地球的表面轮廓
  地球的表面分为陆地和海洋两部分。陆地为地球表面积的29%,人们习惯地将其分为亚欧大陆、非洲大陆、北美洲大陆、南美洲大陆、澳大利亚大陆和南极洲大陆六大块。地球上约71%的表面为海洋所覆盖。人们把大洋分为太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋四大部分。
  三. 地球周围的大气圈
  在陆地和海洋上面有一层空气,它包围着整个地球,人们称之为大气圈,大气是由氮、氧和二氧化碳等气体组成,其中氮占78%、氧占21%、二氧化碳占0.03%,其他气体的含量甚微。而大气的密度、成分及其物理特性是随着高度而发生变化,并呈现明显的层次性,即对流层、平流层、中间层、热层和外大气层等。从地面到11公里的高空称为对流层,它集中了约整个大气的四分之三的质量和几乎全部的水汽量;空气中的水汽是从海洋、江河、湖沼及土壤植物的表面蒸发而来的,由于水汽在空气中的含量时多时少,因而就使天气产生各种各样的变化。对流层以上到五十公里的高空是平流层,其密度大约只有地面空气的千分之一,臭氧就集中在这一层的下部,由于臭氧能大量吸收太阳短波辐射热而使空气温度大大升高,所以平流层的{zd0}特点就是温度随高度的增高而增加,在其顶部温度可达700C。平流层以上到八十至九十公里的高空便是中间层,其气温随着高度的增加又重新降低,而有时温度只有-500C。中间层以上到八百公里的高空便是热层,其分子都电离了,温度非常高,可达几百度。根据大气的电离现象又可把大气分为电离层和非电离层;非电离层是指在六十公里高处以下的一层,大气的各种成分多处于中性,即非电离状态;在六十公里以上的高空即为电离层,由于太阳辐射的影响,大气物质开始电离。
四. 地球的磁场
  地球是一颗磁化球体,它有相当强烈的磁场,研究地球磁力的结果证明,围绕地球存在着一个磁力场,仿佛是由处在地球内部一条磁轴所引起的,这条磁轴发出的磁力线就从一极出发通向另一极,磁针在地面上任何一点所指的方向,就是磁针所在地方那个地点的磁力线方向。然而地球磁场并未摆脱外界扰动的影响,宇宙飞船已经检测出一种称为太阳风的存在,太阳风乃是一种由太阳发出并流经地球的带电微粒流。因为这些微粒带电,故太阳风具有磁场。太阳风磁场对地球磁场产生一种作用,好象要把地球磁场从地球上吹走似的。在地球的向日面,地球磁场向太空伸延到10个地球半径的地方。在10个地球半径的外面还发现了一个其外缘由激波构成的磁扰区。激波系太阳风的微粒与地球磁场相激发的产物。激波类似于抛掷石块于河面所溅起的波浪,激波以外的磁场则属于太阳系。在地球的背日面,地球的磁场形成了一个磁尾。在该方向25个地球半径的地方仍可测到地球磁场。磁尾的长度大概绵延40个地球半径左右。磁尾北部的磁力线指向地球,磁尾南部的磁力线则背向地球。磁尾内这两种磁性xx相反的部分之间的界面称为中性面,中性面上的磁场强度几乎是微乎其微(见图3-1)。

图3-1 地球磁场及地磁尾
五. 地球的运动
  地球是太阳系中的一颗行星。地球一方面绕着太阳旋转,另一方面不停地绕着地轴旋转。地球绕地轴旋转叫做自转,假使我们处在赤道,左手指的是东,右手指的是西,则地球自转的方向是由西向东。地球自转一周约须24小时(实际为23时56分46秒)。人们把地球自转一周的时间叫做{yt}(图3-2)。地球自西向东绕着太阳旋转叫做公转。地球公转的路程成封闭曲线,这种曲线是椭圆形的,太阳就在这个椭圆形的两个焦点上的一个焦点上。地球绕太阳旋转的路程叫做地球公转轨道,其长度为九亿三千万公里,因为地球绕太阳的轨道是椭圆形的,所以地球有时离太阳近,有时离太阳远。每年一月三日前后地球离太阳最近,这点叫近日点;每年七月四日前后地球离太阳最远,这点叫远日点。地球以每秒钟29.8公里的速度绕太阳旋转,历以365天5小时48分46秒围绕太阳旋转一周,人们把地球绕太阳旋转一周的时间定为一年(图3-3)。
  地球公转有一个重要特点,就是它的自转轴对于公转轨道平面是倾斜的,它们之间形成66030'的夹角。 而且在地球的公转进行中,不论在轨道的那一点自转轴总是指向北极星的。地球就是这样一方面不停地自转着,另一方面又不停地侧着身子绕着太阳转。
  六. 昼夜更替与四季形成
地球从西向东自转,其向着太阳之面受到阳光照射是白昼,而背着太阳之面的是黑夜(图3-2),因为地球在不停地自转,所以地球上各个地方都有昼夜更替的现象,并且其东边的地方总比西边的地方首先看见太阳。

图3-2 地球自转和昼夜更替
当地球侧着身子绕太阳旋转的时候,总有半个球面比另外半个球面倾向太阳,因而受到太阳光线照射的方向比另外半个球面更垂直,这样,这半个球面受到太阳照射的热量既多,时间也长,所以地面比较热,气温比较高。相反另外半个球面受到太阳照射的热量既少,时间又短,所以地面比较寒冷,气温比较低。因此在一年公转一圈的过程中,开始是地球的北半球倾向太阳,地面受阳光照射较多;然后是两个 半球都不倾向太阳,地面均匀接受太阳光照射;接着是南半球倾向太阳,地面接受较多的阳光;之后又是两个半球都不倾向太阳,阳光平均地照射到南北半球上;{zh1}地球转完一圈回到原来的位置,北半球又倾向于太阳,开始公转的第二圈进程。这样,一年一个周期,地球的北半球的气温也就由热(夏)变到凉(秋),由凉变到冷(冬),由冷回升到暧(春),由暧上升到热,开始第二次循环。而地球的南半球则相反,由冷升到暧,由暖上升到热,由热变到凉,而由凉变到冷地循环(图3-3)。

图3-3 地球公转和四季成因
七.气候变化
  气候的变化主要是在大气中{zd1}的一层,即对流层,它是一切气候变化的“演出舞台”,主要气候如雨、雪、云、雾、寒潮、台风、雷电、冰雹等均发生在这一层。对流层里 空气热量的直接来源,主要是地面;因为太阳以短波辐射的形式向地球射来热量。而大气不善于吸收短波辐射热,因此,太阳射来的热量,大部分透过大气而被地面吸收了。可以说,对流层内的空气,主要是由被太阳晒热的地面烘热的。因而,靠近地面的空气受热多,远离地面的空气受热少,所以在对流层中越到高空,气温也就越低。大约是每上升一百八十米,气温降低10C。对流的大气中具有强烈对流特征。靠近地面的空气,吸收了热,变得轻了。轻的空气就向上升腾,远离地面冷而重的空气,就下沉来补充它的位置,这样就产生了对流。由于空气的对流运动,高层与低层的空气得以进行交换,近地面的热量、水汽、固体杂质等容易向上输送,遇冷凝结,便产生了云、雨、冰雪等现象。
地球的大气也同一切物质一样,永远处于无休止的运动之中,风是人们最熟悉的一种大气运动形式,其主要反映了空气的水平运动,而空气除了水平运动外还有上升运动和下降运动,有时候还有乱流运动,地球上冷热不同的影响和地球自转偏向力,造成全球性大气环流:赤道地方,终年炎热,被地面烘热的空气,体积膨胀,永远从地面向空中升起,造成低气压,叫做“赤道低气压带”。这里上升的空气到达了一定高度后,就在上空向南北流动,它们在流动过程中,受了地球自转偏向力的影响,愈往前进,风的方向就愈偏,到了副带(纬度200~300)高空,空气就逐渐堆积起来;同时,高纬度高空的空气也可能有一部分向南(就北半球而言)排挤到副热带上空来,这样就增加了副热带上空的气压,于是,高空的空气相继下沉。地面的空气加多了,气压随着增高。因此造成了“副热带高气压带”(回归线高气压带)。从回归线高气压带吹向赤道低气压带的风,因受到地球偏转力的影响,故在北半球形成东北风,在南半球形成东南风,它们的风向终年不变。而从副热带向高纬度流动的空气,也因地球自转而偏向,在北半球形成了西南风,在南半球形成了西北风,这种风愈向前进偏向愈甚,因此在广大的温带地区造成了盛行西风。在两极的地方,终年严冬,那些寒冷的空气在极地形成了极地高气压区;从极地高气压区南下(南半球则是北上)的空气,亦因地球自转而偏向,在北半球形成了东北风,在南半球形成了东南风,其统称为极地东风。盛行西风和极地东风在极圈附近相会,空气上升,相对地形成了极圈低气压。极圈低气压的上升气流在高空,一方面回到极地,再下沉充实极地高气压区,完成了极区的大气环流;另一方面又在高气压层中流回热带,构成了中纬度的大气循环。

八. 日食与月食
  日食正如昼夜的更替一样,当月亮走到太阳和地球之间而三者恰好在一直线上的时候,地球上的人们就可以看到太阳被月亮所遮盖,那就是日食的现象(图3-4)。日食的发生必须具备两个条件,其一日食必须在朔日;其二月球的位置必须靠近黄道、白道的交点之一。我们知道地球绕太阳旋转的路线叫黄道;月亮绕地球旋转的路线叫白道。而月亮在绕地球旋转一周的时间中,总有一次在太阳和地球的中间,这个日子就是朔,但是,这不是说每逢朔日便会出现日食现象。因为黄、白两道并不是处在同一平面上,它们彼此相交成509'的交角,平时月球总是在地球的上面或下经过, 难得有机会从正中走过去,也就是说月亮不常有机会和地球、 太阳在一直线上,因此并不是每月朔日都会发生日食。
  日食可分为三类:有日全食,日偏食,日环食。当月球上影子xx落在地球上,地球上那个地区的人们看到整个太阳被月球所遮盖,这叫日全食;而当月球仅是部分地遮住太阳,人们所看到的日食便叫偏食;此外,当月影不能达到地面,那么在被月影延长线所包围的地球区域里,人们只能看到太阳的边缘,也就是说月球只遮盖了太阳的中心部分,这种现象叫日环食。
  月食比日食的道理更简单,由于地球的本影很长,在月球轨道外,地球本影的宽度约为月球直径的2.7倍; 因此月食只有全食和偏食两种。月球全部钻进地球本影,就发生月全食;月球在地球本影的边缘掠过,只有一部分进入本影就形成月偏食(图3-4)。

图3-4 日食月食示意图
就全地球而言,一年内至少有二次日食,月食可能没有,但因日食带的范围不大,而月食在半个地球上都能看到,所以对全地球来说日食发生的次数虽然比月食多,但对某一地点而言,看到月食的机会比日食多。
  九. 海潮
  月亮不单单通过日食和月食来影响地球上的人类,而且月亮还是海洋发生潮汐现象的主要原因。潮汐现象起因于天体(月亮)的摄引作用,但该种作用随天体与地球距离的增大而减弱。假如月亮(或太阳)不存在,地面上的水层就会象图3-5.1中那样均匀分布。但在月球吸引力的作用下,地球上靠近月亮的部分要遭到较强的摄引作用,因此海面与其底部相比,则被拉得更加靠近月亮。在地球的另一面,海底比海面离月亮近,因而它被月亮拉近的程度就比海面强。这样一来,海洋就在两个方面隆起,即朝向月亮的一面和背向月亮的一面。而海潮正是在这些地区出现高潮,但在这两者之间的地区则处于低潮,它们为高潮区补给海水。
3-5.1 图3-5.2 图3-5.3
图3-5 海潮发生示意图
地球在潮汐隆起下面转动,因而每日形成两次高潮和两次低潮。但在地球自转一周的期间内,月亮也在轨道上向东运动。所以地球要完成一个完整潮汐周期,就必须多转动一些。这样一来,实际是每24小时49分才出现两次高潮和两次 低潮。
潮高的变化因地而异。在海岸上3至6英尺高的潮汐极为常见。但有的地方因口岸呈漏斗状,高低潮差竟可达50英尺,如加拿大的芬地湾。正是这一类型的海湾以及像白令海峡那样的浅水道,才发生潮汐和地面的摩擦。由于摩擦的作用,地面可将潮汐隆起拖着一起转,因为地球的自转比月亮的公转较快。所以,潮汐隆起将不会与月亮并肩发生,而是略为超前(图3-5.3)。
  太阳同样也可影响潮汐,但因太阳距离我们比月亮远得多,故太阳引起的效果就不及月亮强。但每逢新月和满月时,太阳、月亮、地球的联线呈直线,太阳和月亮的引力就会叠加在一起,从而形成大潮(图3-6)。在大潮期间,其高潮比平时的高潮还要高,而其低潮又比平时的低潮还低。还有另外一种极端情况,叫做小潮,小潮发生在上弦与下弦期间(图3-6)。每逢小潮时,太阳和地球的联线与月亮和地球的联线垂直。月亮的摄引作用在地球的向月面和背月面两边引起高潮,而太阳却在这两个地区形成低潮,结果是高潮没有平常的高潮高,而低潮亦不及平常的低潮低。
3-6 大潮小潮产生示意图
地球也不是刚体,由于天体的引力作用,它的本身也会发生轻微的潮汐效应。这一效应虽然很弱,但还是被人测到了。我们称它为固体潮。固体潮的存在就证明我们立足的地面并非像我们感觉到的那样“坚如磐石”,因为我们脚下的地面每12小时25分钟便经历一次轻度的起落。

第三节 太 阳

  一. 太阳的大小和形状
  太阳是太阳系的中心,它是离地球最近的一颗中等以下的恒星,其离开地球的平均距离是一亿五千万公里,它是一个直径为864000英里的巨大气球,它的质量为地球的333000倍,密度为水的1.41倍。我们在天空中所看到的太阳,是它的可见的表面,这叫做光球,它是一种气体表面,处在太阳的最外层,其强烈的压力和极高的温度足以使之发出连续光谱。在光球的上面还有两层明显不同的气体,紧挨光球之上向外延伸到约5000英里至10000英里的是色球, 它在日全食期间的几秒钟里就能看到,呈淡红色。色球的外面是一片珍珠般的白色稀薄气体,叫日冕,它向外延伸数百万英里之遥,许多行星包括地球在内,实际上都是在日冕的范围内运行。
  二. 太阳的光和热
  太阳孜孜不倦地向空间辐射出大量的光和热,它是太阳系所有天体光和热的源泉。太阳每分钟释放出来的能量约为5.52×1027卡;在太阳的直射下地面每分钟每平方厘米的面积上可以受到1.95卡热量。
  三. 太阳黑子
  在太阳的光球上有一些大小不同、形状不规则的黑色斑点,它叫黑子,实际上它是太阳圆面上的凹坑。黑子是由太阳上巨大的旋涡运动产生的,在黑子的核心部分,有以每秒一至二公里的速度喷出的气流,气流从中心向边缘流动并沿着光球散开,这样就形成了太阳圆面上的凹坑即黑子。黑子并不是每年出现一样多,而是有的年份多,有的年份少,平均11年为一周期。每个黑子周期开始时黑子从极小到极大大约经过4年时间,此后约7年时间黑子逐渐消失,当一个周期的黑子还没有xx消失,下一个周期的黑子又冒了出来以开始下个周期。太阳上黑子的多少,对地球大气和地球磁场有很大的影响,在黑子极大的年份里,太阳的微粒辐射加强,这些带了电的微粒,往往引起地球上发生磁爆,并破坏地球高空的电离层。
  四. 太阳的运动
从前认为太阳稳坐在中心不动,是整个恒星世界的中心;实际上太阳存在着自转与公转。太阳的自转方向与地球相同,都是从西向东。太阳自转一周的时间是25.2天,这是太阳自转的恒星周期,即对于一个不动的观察者来说的。但是因为地球在公转的轨道上与太阳向同一方向运动,所以经过一个恒星周期后,地球已经跑到前面去了,太阳必须再转过一个角度,才能使以前观察到的那个面再度面向地球。因此从地球上所观察到太阳自转的会合周期要比恒星周期长些,大约是27天多一些。在太阳自转的同时,太阳还带着太阳系的全体成员绕着银河系中心旋转,这就叫太阳的公转;太阳公转的速度为每秒钟285公里左右,朝织女星方向直奔而去, 太阳绕银河系中心旋转一周约须2亿年。

第四节 月 球

  一. 月球的形状与大小
  月球是离开地球最近的天体,月球与地球的平均距离是384400公里。月球的形状是一个浑圆的圆球。月球的平均直径是3476公里,面积3800万平方公里,其质量大约相当于地球质量的八十分之一,它的密度只有地球的五分之三。在月球上几乎没有大气和水分。月面上阴暗部分,其面积较大的是“海”,较小的是“湖”、“湾”或“沼”,其实月面上的海是徒有虚名的,它滴水不含,是低洼的大平原,其中{zd0}的平原是“风暴洋”。月球上明亮的部分是高地和山脉,那里山峦重叠,山脉纵贯,坑穴密布,沟壑纵横,这就是月球上的所谓“陆”。“陆”比“海”平均要高出约1500米。此外,在月球上可见星罗棋布、奇离古怪的环形山,环形山实际上是一块被围起来的洼地,其底部凹陷下去,四周台垣比里面高出数千米。
  二. 月球的运动
  月球绕地球旋转叫月球的公转。月球的运动是自西向东的,它的轨道同所有天体的轨道一样也是椭圆状的,距地球最近的一点叫近地点,而离地球最远的那一点叫远地点。月亮向西运动的证据是它每次西沉的时刻平均要推迟49分钟,若相对恒星来说,它的运动周期约27.3天,即在此时间内,它在空间运转3600; 但与此同时地球也一直不停地绕日运转,因此月亮要完成它的一个相位周期,即从新月开始经满月又回到新月就应再增2天多,共计约29.53天。 因此月亮的恒星运动周期约27.3天,叫恒星月;而相对日地联线的运动周期约29.53天,叫朔望月;朔望月便是月份的依据。
从地球眺望月亮,似乎觉得月球并没有自转,因为它总是以同一面向着地球的,因为总是看到同样的斑点,即“吴刚砍伐桂树”;其实这一点正说明月球在自转,其自转周期恰好与它的公转周期相等:假设月亮公转与自转相等,当月球经过它的轨道的四分之一时,它本身也自转了900的弧,此时月球上的斑点这恰好正对着地球了;反之,倘若月球不自转,那么从地球上看月亮的斑点,它将每月转动一周,就不会总是看到月球上同样的斑点。
  三. 月相更替
  月球的表面是由岩石和尘土构成的,它和地球一样自己不会发光,因此我们看到的月亮相位是月亮反射阳光的部分,自新月开始,相位在一个太阴月内的变化次序是:新月、上弦、望、下弦。在太阴月内,自新月算起的时间长度叫月令,如望的月令为14天等。在新月的前后从地球看到的月亮日照面呈娥眉状,上弦时可见到半幅月轮,而望的前后,月亮的日照部分呈凸圆状,上弦月与下弦月不同,因为上弦时从地球上看到的是其月轮的西半幅,而下弦时见到的则是它的东半幅(见图3-7)。
月球是地球的卫星,而月球与太阳之间隔着一个地球,月球不停地绕地球旋转,当它转到地球和太阳中间的时候,它被太阳光照亮的那一半正好背着地球,向着地球的是黑暗的一半,这时我们在地球上xx看不到月球,称之为“朔”或“新月”,也就是夏历每月初一。
月球继续朝前旋转,到了夏历初七、八,太阳落山,月球已经在头顶,到了半夜,月球才落下去,这时被太阳照亮的月球,恰好有一半给您看到,称之为“上弦”。到了夏历十五、十六,月球转到地球的另一面。这时地球在太阳和月亮的中间,月球被太阳照亮的那一半正好对着地球,此时我们看到的是满月,或称之为“望”。由于月球正好在太阳的对面故太阳在西边落下,月球则从东边升起,到了月球落下,太阳又从东边上升了。
满月以后,月球升起的时间{yt}比{yt}迟了,月球亮的部分也{yt}比{yt}看到的小了,到了夏历二十三,满月亏去了一半,而且半夜才升上来,这就是“下弦”。
快到月底的时候,月球又将旋转到地球和太阳中间,在日出之前不久,残月才又由东方升起。到了下月初一,又是新月,开始新的循环。
图3-7 月相更替示意图
第五节 行 星

  一. 行星概述
  在太阳系里除了地球外,还有水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。有关行星在大小、质量、运动周期和距太阳的距离等情况见表3-1。水星、金星、火星和地球有其共同特点:体积比较小,密度比较大,有一个固体的表面,岩石、金属等元素居多,一般来说表面温度比较高,自转较慢,卫星比较少,这类行星的性质可以用地球作代表,称为类地星。而木星、土星、天王星和海王星的共同特点是:体积比较大,密度比较小,表面温度比较低,没有固体的表面,氢、氦、碳、氮等元素是这类行星的主要成分,自转速度比较快,卫星比较多,这类行星的性质可拿木星为代表,叫类木星。
  二. 五星概要
  水星离太阳最近,是一个光秃秃的石球。它面向太阳的那一面非常热,温度高达3290C, 而背向太阳的一面却非常冷,温度下降到-1850C; 水星有类似月球那样的环形山表 面,其上几乎没有水,仅有一层由氦组成的稀薄大气,由于水星公转速度快,自转速度慢,所以总是在太阳前后出没,只有当水星跑到太阳的两边并且离得最远时才能看见它━ 它先是在太阳刚一落山后出现在西边的地平线上空,或过一段时间又出现在破晓的东方,一般3月下旬至4月初,水星和金星接近,通过明亮的金星较容易找到水星,往后水星接近太阳就看不见了。
  金星又称太白星,在地球上看来它是除太阳月亮外最亮的星辰,其大小、体积、质量和密度等都和地球相类似;金星表面的大气比地球表面厚一百倍,其结构与地球不同,它的下层大气主要由二氧化碳组成,而高层大气主要以原子氧为主,大气中二氧化碳占95%左右,氮不超过3%,氧低于0.1%;金星的向日面温度高达4820C,背日面为-200C至-300C;金星高层大气是处在急速而复杂的运动之中,风速每秒钟达100米,每四个昼夜环绕金星一圈; 金星的自转方向与水星、地球等不同,是自东向西旋转,和公转方向相反;由于金星的公转轨道在地球轨道里面,而且比地球接近太阳,所以在地球上看来,它也是在太阳的两边徘徊,当金星转到太阳的东边时,在太阳落山后的黄昏时刻,在西方的上空出现,叫长庚星;当金星转到太阳的西边时,太阳出来之前的黎明时刻,从东方升起,叫启明星。
  火星与地球极为相似,也有昼夜和四季之分。火星上的大气密度大致跟地球上15~18公里高空的大气相当,主要是二氧化碳,其次是氩,氧气及水分含量不超过地球上含量的千分之一;因此火星上没有任何生物。火星上的温度在赤道区域约150C,靠近南极地区冬季的“雪堆”上为-930C。中午,在赤道地区的温度为200C,而在夜间,在两极地区下降到-1300C;在火星上没有液态水, 也没有雨雪等气候变化,但风统治了一切,当火星最接近太阳的时候,太阳的辐射热便引起大气扰动形成了风,而大风刮起粉末状的尘埃,造成“尘暴”。
  木星是九大行星中{zd0}的星,因为离热源太远,所以它的温度极低,近于-2000F左右, 其大气主要成分是氢,约占75%,余剩下的25%可能被氦占去一半,另一半是氨、水和甲烷等气体。木星自转轴几乎垂直于公转轨道,因此在木星上没有四季变化。由于木星的体积大,自转速度又快,在离心力的作用下,物质便往赤道部分集中,形成以赤道部分较突出,而两极向里缩进的扁球。木星的自转随纬度增加而延长,赤道与两极自转周期相差约5分钟,这说明木星表面决不会是固态的。木星的周围具有辐射带,它的存在证明其具有磁场,且其强度远远胜过地球。
  土星密度是九大行星中最小的,土星的表层温度可低到-1500C至-1800C以下,土星公转速度是很慢的,它的自转速度倒很快,土星体形也是扁球形,比木星还要扁,它的自转轴和公转轨道平面构成一个近270的夹角,从赤道到两极,各处的自转速度不相同;赤道地带自转速度快,而两极地区自转速度慢,这证明它的表层也不可能是固体,而只可能是比水还轻的物质构成。土星的外围也有稠密的大气,从可见层一直深透到它的半径的一半区域。土星最夺丽出众的东西,便是它的光环,这也许是整个天空中最可爱的奇观。光环沿着赤道面包围着土星,但是,没有一处和土星相接触,而是在空间自由地运动着。这些光环,是由无数的微小的卫星般的小粒子构成的,它的成分是冰或铁。这些小粒子直径不大,一般在六米左右,分布相当稀散。光环的粒子绕着土星并在土星的赤道平面里旋转,正象卫星绕着行星旋转一样。 每个粒子都能强烈的反射太阳光。
  过去人们所知道的行星中只有金、木、水、火、土五颗大行星特别亮,其位置也时常变化。随着科学技术的不断发展,观察发现在土星之外还有天王星、海王星和冥王星,由于它们离开地球很远,在那里的宇宙几乎是严寒统治着。
  太阳系除了目前已经发现的九大行星,三十五颗卫星和成千上万颗小行星之外,还有彗星和流星。
  三. 行星的大小和距离
  我们已经介绍了太阳系各行星的大小和距离,但我们要掌握这些尺度是非常困难的,因为这些数字实在太庞大了。如太阳的直径近于木星直径的10倍,而木星堪称众行星之魁。要理解各个行星的大小还比较容易,而要想象它们之间的距离那可困难多了。水星距太阳3600万英里。而冥王星距太阳则100余倍于此值,或366200万英里, 本来这是可以按照实际比例表示出来的,但限于页幅,将太阳系模型按两种不同的比例绘出,如图3-8所示。在这两种比例图上,行星的大小惟有用精密的显微镜方能看到。类地行星和类木行星之间的大小和距日远近的差异是十分悬殊的,地球对我们可以说是庞然大物了,但细想一下,其它行星亦复如此。所有行星的构造都是相当复杂的,因而对它们深入探究颇为引人兴趣。但是我们对这些天体的认识,即便有一些研究得较为透彻,但距离我们欲寻觅的完整图象仍然相去甚远。

图3-8 行星与太阳距离示意图
四. 行星的运动
  行星的运动从古希腊柏拉图时代起是以地心说为代表,认为行星的运动是以地球为中心作匀速圆周运动。然而到了十六世纪创立了日地说,对行星的地心说运动进行了修正,在十六世纪的头二十年期间,开普勒发表了为后人所共知的开普勒行星运动三定律。{dy}、第二两定律描述行星的轨道形状和行星在轨道中的运动。第三定律是任意两颗行星绕日运转的对比。这些定律固然是专门对绕日运动的行星推导的,但也适用于绕地球运动的卫星,或绕其它恒星运转的行星。按照{dy}定律,每颗行星运动轨道的形状为一椭圆。椭圆可以这样画出,取一根8英寸长的绳子,将其二端用大头针钉在相距6英寸的两点上。然后用铅笔将绳子撑着一滑动就画成一个椭圆。大头针所在的两点叫焦点。太阳便是处于每个行星轨道椭圆的一个焦点上。既然太阳是处在轨道椭圆的一个焦点上,故每颗行星距离太阳的远近不是固定不变的。当行星行至远日点时,它离太阳最远,而行至近日点时,它离太阳最近。遵照第二定律,行星与太阳的联线称为径矢,该径矢在单位时间内扫过的面积相等。这就是说,当行星在一定时间内(比如一个月内)从a移动到b点( 都在近日点附近),则其径矢扫过的面积就是阴影部分(图3-9), 但若从c点开始, 其径矢在相同的时间内将扫过相同的面积,不过行星的运动要慢多了,因为远日点附近的径矢远远长于近日点附近的径矢。照此说来,行星的运动在近日点附近要比在远日点附近为快。地球的平均轨道速度是每秒18.6英里;在近日点时每秒为18.9英里,而在远日点时是每秒18.3英里。开普勒第三定律描述了行星运动周期轨道平均半径的依赖关系。第三定律就是告诉我们:行星离太阳愈近,其运动愈快。水星的平均轨道速度为每秒30英里,而冥王星的平均轨道速度却只有每秒3英里。 开普勒掌握了全部肉眼能够看到的行星的周期,因此,他只要求得一颗行星轨道半径的长度,便可计算出每颗行星的轨道半径,从而定出太阳系的规模大小。
图3-9 行星运动开普勒定律示意图
牛顿曾经寻求下述问题的答案:为何月亮要在一椭圆轨 道上绕地球运动呢?为何它不以恒定的速度迳直向太空遁去呢?牛顿断定,任何不受外力作用的物体要么继续静止不动;要么,若原来处于运动状态,则会依然保持其不变速度的直线运动。这就是牛顿{dy}运动定律,也称作惯性定律。惯性乃是物质抗拒使它的静止状态或匀速直线运动发生变化的属性。任何运动的变化,无论是速度的增减,还是方向的更换,我们都称之为运动的加速度。牛顿认为,要使一物体加速,必须给它施加一非平衡性作用力。这便是牛顿第二运动定律,它解释加速的原因就是非平衡性作用力。施于物体的外力愈强,产生的加速作用就愈大。但是一切物体并不赋有xx相同的惯性,即是说,不赋有同样的抗拒加速作用的属性。一物体惯性的大小称为质量,因而质量愈大,在作用力相同的条件下所产生的加速度愈弱。显而易见,既然作椭圆运动的月亮(或行星)由于运动方向的不断改变是一直处于加速过程之中,它必定受着非平衡性力的作用。又因为月亮的运行轨道近似于圆,所以这个力的作用无疑是把它拉向其轨道的中心。由于地球处于月亮运动轨道的中心,这一事实就使牛顿断定,给月亮施加作圆周运动所需作用力的乃是地球。同时,他还觉得,月亮也必须给地球以作用力。既然地球与月亮彼此间有吸引力作用,那么太阳与地球、太阳与土星以及地球与土星......之间,肯定也发生这种相互作用。尔后牛顿又具体推导了数学公式,把两个物体之间的相互吸引力同每一个物体的质量和彼此间的距离联系起来。这种关系就是牛顿万有引力定律:即宇宙中的每物体同其它每一物体都在相互吸引着,该作用力的大小与两物体的质量的乘积成正比,而与两者之间的距离的平方成反比。

第六节 恒星概要

  在天空里,用我们的肉眼能够看到的恒星就有六千至七千颗。用大望远镜所能看到的恒星的总数最少也有一百亿颗以上。其实,天上的恒星还远不止此数,一百亿颗恒星也只是恒星世界的微小部分。为了观测方便起见,把天上的星星分类编组,主要从明亮的星星出发,用想象的线条把它们连结起来,将天空划成许多区域,这些区域便叫做“星座”。经过国际协商,一致公认把整个天空划分成为八十八个星座。每个星座里较亮的一些星,又有一个以希腊字母标志的名字,那是按照星座内星的亮度顺序,配上相应的希腊字母,并加上星座的名字来作为该星的名字的。如“北斗七星”是大家所熟悉的,希腊人把它当作一头大熊,即“大熊座”,北斗七星中的天枢星(大熊座α)和天璇星(大熊座β)是两颗指极星。因为他们指出寻找“北极星”的方向。又如夏季夜晚,您面朝南方,可以看到一颗火红的亮星,它叫做“心宿二”(天蝎座α),又叫做“大火”,在它的左右各有一颗星,对称地侍立,前者叫做“心宿三”(天蝎座γ),后者叫做“心宿一”(天蝎座θ)。这三颗星构成了二十八宿中的心宿。到了冬季,“猎户座”在南方天空闪闪发光。它有两颗明亮的星,即是“参宿四”(猎户座α)和“参宿七”(猎户座θ)。恒星世界庞大xx,恒星之间的距离非常遥远。如织女星离开我们二十七光年;北斗七星离开我们一百光年至一百五十光年。

第七节 时 区

  由于各个地区所在地球位值不同,其所处地球的经度 不同,故其日出日落的时间也不相同,为此,1884年国际经度会议制定了时区制度。规定 180度经线为“日界线”或叫国际日期变更线,这一条线由北通过白岭海峡,阿留申群岛,中间通过太平洋,向南通过东加群岛与萨摩亚群岛之间至新西南的东边。时区制度将地球表面按经线等分为24区,称为时区。以子午线为基准,东西经度各为7.5 度的范围作为零时区,然后每隔15度为一时区,以东(西)经度7.5 度至22.5度的范围为东(西)一时区,东(西)经度之22.5至37.5度的范围为东(西)二时区,依次类推。在每一区内,一律使用该区中央子午线上的时间,称为该区的标准时,每越过一区的界限,时间便差一小时,时区的界限不严格的规定某一子午线,而是参考行政区来划分。
  根据时区时间概念,我国首都北京,位于东经116 度属于东八区;中央经线为120度,实际上北京时间是东经120度经线的地方时。而中医时间医学所使用的时间,主要是根据当地自然变化所显示的时间来指导因时诊治,这符合人与自然相应,随自然变化而变化的人体生理病理节律状况。因此各地均按北京时间来确定时间时域是不对的。因此各地区在地球表面的位置不同经度也不同,而人所处自然变化也有迟早,故以一地时间为准,则难以概括各地人体随自然变化而逐渐形成的人体节律,如用以指导临床诊治也会失误。可见根据时区规定并了解当地时间进行因时诊治很有必要。
  关于北京时间换算当地时间的方法,可按下述公式计算:
  当地地方时=北京时间+4分×(当地经度-120)
  上述公式要求掌握当地经度,现将我国主要城市的经度附录如下:

城市名 经度 城市名 经度
哈尔滨 126.7 沈阳 123.4
长春 125.3 天津 117.2
太原 112.6 济南 117
郑州 113.7 银川 106.3
呼和浩特 111.7 西安 108.9
兰州 103.8 上海 121.5
乌鲁木齐 87.6 合肥 117.3
杭州 120.2 武汉 114.2
南京 118.8 南昌 115.9
长沙 113 广州 113.3
福州 119.3 贵阳 106.7
南宁 108.3 昆明 102.7
城都 104.1 拉萨 91
海口 110.3 台北 123.1
香港 113.3 奥门 113.5
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