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第三章太陽(yáng)、地球、月球 及時(shí)節(jié)太陽(yáng)系的結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解了地球及其周圍的天體是如何構(gòu)成一個(gè)團(tuán)體的。在宇宙中，這個(gè)團(tuán)體是非常渺小的，而且無不足道，但對(duì)于我們有著重要意義，是我們生存的基礎(chǔ)。在詳細(xì)介紹太陽(yáng)系的重要組成部分之前，我們先來簡(jiǎn)單解釋一下太陽(yáng)系的結(jié)構(gòu)。

我們首先想到的是太陽(yáng)。既然這個(gè)團(tuán)體是以太陽(yáng)這個(gè)名字命名，由此可知太陽(yáng)的重要性。太陽(yáng)位于太陽(yáng)系中央，是一個(gè)能夠發(fā)光發(fā)熱的巨大球體，將光和熱不停地向外輻射，并且通過自己的引力維持著太陽(yáng)系的運(yùn)行。

接著是各種行星。它們環(huán)繞著太陽(yáng)周圍，沿著各自的軌道運(yùn)行，其中一個(gè)就是我們賴以生存的地球。行星(planet)一詞的本來含義是游移不定，古人以這個(gè)詞為它們命名的原因是，它們不像恒星一樣在天空中的位置固定不變，而是不停地在恒星之間穿梭。行星可以分為兩類：一類是大行星，另一類是小行星。

在太陽(yáng)系中，有8顆大行星，它們是除了太陽(yáng)之外的較大天體。它們與太陽(yáng)之間的距離有近有遠(yuǎn)，好像是以有規(guī)律的方式排列而成。最近的是水星(5800萬千米)，而最遠(yuǎn)的是海王星(大約是45億千米)。水星繞著太陽(yáng)運(yùn)行一周的時(shí)間不足三個(gè)月，而海王星卻要花費(fèi)將近165年的時(shí)間。

根據(jù)八大行星的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)，可以將它們分為兩類：一類是類地行星，另一類是類木行星，即與地球相似的行星和與木星相似的行星。類地行星的主要成分是石和鐵等物質(zhì)，體積小，密度大，自轉(zhuǎn)速度慢，而且衛(wèi)星少。類地行星有水星、金星、火星；類木行星的主要成分是氫、氦、冰、氨、甲烷等物質(zhì)，體積大，密度小，自轉(zhuǎn)速度快，而且衛(wèi)星多，周圍是由碎石、冰塊或者氣塵形成的光環(huán)。類木行星有土星、天王星、海王星。

大行星分為兩群，由一道相當(dāng)寬的空隙隔開。內(nèi)層是4顆類地行星，它們要比外層的類木行星小很多，而這4顆行星的體積總和還不到外層天王星體積的1/4。

兩群大行星之間的空隙是無數(shù)小行星(asteroids)。與大行星相比，它們非常渺小。它們幾乎全部位于一條非常寬的帶子中，這條帶子的起點(diǎn)在距離地球不遠(yuǎn)的地方，終點(diǎn)在10倍個(gè)地日距離外。其中，大部分小行星位于帶子的中間部分。它們與大行星的主要區(qū)別是：數(shù)量特別多。我們已經(jīng)知道的小行星有一萬多顆，而且還在不斷地發(fā)現(xiàn)新的小行星，所以小行星的總數(shù)無法確定。

在太陽(yáng)系中，第三類天體是衛(wèi)星(satellites)，月亮(moon)就是其中之一。這些小天體常常圍繞著大行星運(yùn)行。最內(nèi)層的水星和金星沒有衛(wèi)星，地球只有一顆衛(wèi)星(我們所熟悉的月亮)，而外層土星已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星有62顆，木星被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星是66顆(截止到2012年2月)。因此，除了水星和金星之外，每一顆大行星都可以看成是類似于太陽(yáng)系的小系統(tǒng)的中心，好像太陽(yáng)系中心的太陽(yáng)一樣。這些小系統(tǒng)也是以中央主星命名的。于是，便出現(xiàn)了火星系——火星及其兩顆衛(wèi)星；木星系——木星及其66顆衛(wèi)星，還有木星光環(huán)；土星系——土星及其62顆衛(wèi)星，還有土星光環(huán)……

在太陽(yáng)系中，第四類天體是彗星(comets)。它們繞著太陽(yáng)運(yùn)行的軌道是扁扁的橢圓。只有彗星接近太陽(yáng)時(shí)我們才能看見它們，但對(duì)于它們中的大部分來說，往往要經(jīng)過幾百年甚至幾千年才會(huì)出現(xiàn)一次。即使是彗星出現(xiàn)時(shí)，如果出現(xiàn)不利情況，我們依然無法看見它們。

除了上述的各個(gè)天體之外，許多微小的巖石塊(我們叫做流星體)都沿著一定的軌道繞著太陽(yáng)運(yùn)行，它們與小行星和彗星有著一點(diǎn)聯(lián)系。我們無法看見它們，除非是它們進(jìn)入到地球周圍的大氣層中，那時(shí)我們將它們稱為"流星"(shootingstars)。

不過，我們不會(huì)根據(jù)這個(gè)表格順序講述各大行星。在我們描述完太陽(yáng)之后，將會(huì)跳過水星和金星，開始論述我們的地球和月亮，然后再返回去談?wù)勂渌行恰?/p>

第二節(jié)太陽(yáng) 太陽(yáng)位于太陽(yáng)系中央，同時(shí)是太陽(yáng)系中較大的天體，當(dāng)然會(huì)引發(fā)大家的好奇心。我們知道，太陽(yáng)是一個(gè)能夠發(fā)光發(fā)熱的巨大球體，但球體的大小是多少呢，它距離我們多遠(yuǎn)呢？如果我們知道了太陽(yáng)到地球的距離，那么就能算出太陽(yáng)的大小。根據(jù)幾何知識(shí)可知，我們首先測(cè)量出太陽(yáng)直徑在我們視野中的視角，然后借助于太陽(yáng)到我們的距離就能得出太陽(yáng)的直徑。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的三角問題。現(xiàn)在，我們測(cè)量出太陽(yáng)直徑在我們視野中的角度是32分，這讓我們明白太陽(yáng)與我們的距離是太陽(yáng)直徑的107.5倍，所以用日地距離除以107.5得出的就是太陽(yáng)的直徑。

太陽(yáng)到地球的平均距離是14960萬千米，除以107.5得出太陽(yáng)的直徑大約是139萬千米，大約是地球直徑的110倍。由此可知，太陽(yáng)的體積大約是地球體積的130萬倍。

不過，太陽(yáng)的平均密度是地球平均密度的1/4，大約是水的密度的1.4倍。太陽(yáng)的質(zhì)量大約是地球質(zhì)量的33.2萬倍。

太陽(yáng)表面的重力大約是地球表面重力的28倍。如果人們可以站在太陽(yáng)上，那么，一個(gè)普通人的重量大約是2噸，可以將自己壓倒。

對(duì)于我們來說，太陽(yáng)非常重要，因?yàn)樗梢蕴峁┕夂蜔帷Ｈ绻麤]有太陽(yáng)，地球?qū)?huì)永遠(yuǎn)是黑夜，而且很快就會(huì)陷入永恒的嚴(yán)寒中。大家都知道，在晴朗的夜晚，地面白天從太陽(yáng)中吸收的熱量會(huì)慢慢散發(fā)到空中，所以夜晚比較冷。假如失去白天的輸入，熱量將會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)地流失掉。我們想象一下，如果失去了太陽(yáng)會(huì)出現(xiàn)什么情況：首先會(huì)失去光明，月亮和許多行星會(huì)變得暗淡，甚至無法看見它們。空中布滿了平時(shí)很難見到的眾多星星，但由于它們距離我們非常遙遠(yuǎn)，所以無法帶給我們光明和溫暖。這時(shí)候，人們會(huì)感覺到寒冷，好像進(jìn)入冬天的夜晚一樣。但是，這只是開始，由于黎明不會(huì)來臨，所以氣溫會(huì)一直下降，直到比南北極更加寒冷。由于缺少陽(yáng)光，光合作用無法進(jìn)行，植物無法成長(zhǎng)。不過，這已經(jīng)無關(guān)緊要了，因?yàn)椴粩嘞陆档臍鉁貢?huì)將全部生物凍死。由于水能夠很好地儲(chǔ)存熱量，所以海洋溫度的下降比較慢。不過，幾個(gè)月之后，所有的海洋都會(huì)結(jié)出厚厚的冰。如果溫度繼續(xù)下降，空氣將會(huì)變成液體，地球成為銀白色的毫無生機(jī)的星球。經(jīng)過幾個(gè)世紀(jì)的持續(xù)降溫，地球的溫度不會(huì)高于2K(零下271.15攝氏度)。

現(xiàn)在，我們回到現(xiàn)實(shí)中，分析一下無比重要的太陽(yáng)吧！

平時(shí)，我們常常看見的太陽(yáng)表面被稱為"光球"(photosphere)，便于與外部的透明部分和內(nèi)部看不見的部分相區(qū)分。在我們眼中，光球的各個(gè)部分相同，沒有什么不同，但通過添加濾光鏡的望遠(yuǎn)鏡會(huì)發(fā)現(xiàn)，表面布滿了斑點(diǎn)。我們經(jīng)過更認(rèn)真的觀察得知，這是光球表面許多不規(guī)則的小顆粒造成的。

對(duì)比光球各個(gè)部分的光度會(huì)發(fā)現(xiàn)，球面中心要比邊緣部分明亮得多。即使不用望遠(yuǎn)鏡也能看出這種區(qū)別。如果我們用一塊黑玻璃擋住眼睛或者黃昏期間觀察落日，便會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)邊緣的亮度比較低，而最邊緣亮度大約是中央亮度的1/2。此外，邊緣和中央的顏色也有一定的區(qū)別，邊緣要比中央暗紅許多。

我們僅僅能夠觀察到光球，無法觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雖然光球看起來很光滑，好像皮球一樣，但光球的密度非常低，大約是空氣密度的萬分之一。當(dāng)我們觀察光球時(shí)，需要穿過幾萬千米的"太陽(yáng)大氣"。由于這種大氣非常厚，所以光球的邊緣比較紅，在太陽(yáng)大氣更高更冷的地方，那里的光更紅，而且更加微弱。

太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)

我們經(jīng)過更細(xì)致的觀察發(fā)現(xiàn)，與地球相似，太陽(yáng)也通過中心軸自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)。參考地球的情況，我們將轉(zhuǎn)軸和表面的兩個(gè)交點(diǎn)叫做太陽(yáng)的"兩極"，將兩極中間的較大圈叫做太陽(yáng)的"赤道"。太陽(yáng)赤道自轉(zhuǎn)一周的時(shí)間是25.4天，太陽(yáng)赤道的長(zhǎng)度大約是地球赤道長(zhǎng)度的110倍，所以它的自轉(zhuǎn)速度是地球赤道自轉(zhuǎn)速度的4倍多。因此，太陽(yáng)赤道的自轉(zhuǎn)速度大約是2000米/秒。

太陽(yáng)自轉(zhuǎn)的奇妙之處在于，距離赤道越遠(yuǎn)自轉(zhuǎn)周期越長(zhǎng)，而太陽(yáng)南北極附近自轉(zhuǎn)周期大約是36天。如果太陽(yáng)是固體物質(zhì)，那么，太陽(yáng)各個(gè)部分的自轉(zhuǎn)速度都是一樣的。因此，太陽(yáng)不是固體物質(zhì)，至少表面一層不是固體的。

太陽(yáng)赤道與地球赤道平面不是平行的，而是呈7度的夾角。至于太陽(yáng)赤道的方向，太陽(yáng)的北極在春天背離我們7度，而能夠見到的圓面中心位于太陽(yáng)赤道南部大約7度的位置；夏天和秋天的情況恰好相反。

太陽(yáng)的黑子(sun-spots)

當(dāng)我們用望遠(yuǎn)鏡觀察太陽(yáng)時(shí)，總會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)表面有一些黑色的斑點(diǎn)，我們將這些斑點(diǎn)叫做黑子。太陽(yáng)自轉(zhuǎn)帶動(dòng)著這些黑子運(yùn)動(dòng)，正是這些黑子讓我們得出太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)周期——圓面中央的黑子6天后會(huì)移動(dòng)到西部邊緣去，接著消失不見；大約半個(gè)月后，這個(gè)黑子會(huì)出現(xiàn)在東部邊緣上。

黑子有大有小，而且有著很大區(qū)別，小的需要使用好的望遠(yuǎn)鏡才能看見，而大的通過涂黑的玻璃用肉眼就能看見。它們出現(xiàn)的時(shí)候總是成群的，雖然單粒黑子難以看見，但肉眼能夠看見黑子集團(tuán)。一個(gè)黑子的直徑可能是8萬千米，但一群黑子能夠占據(jù)太陽(yáng)表面圓盤的1/6。

一群黑子會(huì)按著與太陽(yáng)赤道平行的圈子慢慢發(fā)展。在太陽(yáng)自轉(zhuǎn)方向上，領(lǐng)頭黑子是黑子群體中體積較大、壽命最長(zhǎng)的，往往其他黑子都消失了，它依然還存在。一群黑子中形成的往往比較大，而常常會(huì)剩下其中幾個(gè)。黑子中央的黑暗部分稱為"本影"(umbra)，邊緣比較亮的部分稱為"半影"(penumbra)。在分散時(shí)，黑子會(huì)分裂為一些不規(guī)則碎片。400年來，我們通過對(duì)太陽(yáng)黑子的觀測(cè)(中國(guó)對(duì)黑子的觀測(cè)可以向前追溯到《周易》中所說的"日中見斗"和"日中見沫"，但記錄出現(xiàn)在漢成帝河平元年，也就是公元前28年；而西方直到1611年，伽利略才通過望遠(yuǎn)鏡觀察到太陽(yáng)黑子)得知，太陽(yáng)黑子出現(xiàn)的頻率具有規(guī)律性，周期大約是11年。某些年份太陽(yáng)表面的黑子比較少，甚至是沒有，1912年和1923年就是這樣。第二年，黑子的數(shù)目比較少，之后慢慢地增加，大約5年后是頂峰時(shí)期。此后，開始一年年減少，直到徹底消失。然后，開始進(jìn)入新的周期。伽利略時(shí)代，人們就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)變化過程，直到1843年，施瓦布(Schwabe)提出了黑子的循環(huán)周期。

太陽(yáng)黑子數(shù)目的變化周期屬于11年循環(huán)周期之一，太陽(yáng)和地球上的許多現(xiàn)象都要服從這種周期："日珥"(prominences)常常出現(xiàn)在黑子數(shù)量最多時(shí)；"日冕"(corona)的形狀隨著黑子數(shù)目的變化而改變；地球上的"磁暴"(magneticstorm)——擾亂無線電信號(hào)傳輸、破壞精密的電子設(shè)備等——與黑子的強(qiáng)度大小和出現(xiàn)頻率相一致；"極光"(aurora)在黑子數(shù)量最多時(shí)頻繁出現(xiàn)，而且無比壯觀；氣候則不會(huì)發(fā)生什么變化。

顯然，太陽(yáng)黑子的形成及其周期性與太陽(yáng)的磁場(chǎng)有著密切關(guān)系。當(dāng)前非常熱門的太陽(yáng)發(fā)電機(jī)理論想要研究清楚太陽(yáng)對(duì)流層中的流體運(yùn)動(dòng)與磁場(chǎng)的相互作用，然后以此解釋太陽(yáng)黑子的周期性和太陽(yáng)磁場(chǎng)是如何維持的。1919年，拉莫爾(Lamor)發(fā)表了太陽(yáng)發(fā)電機(jī)概念；1955年，帕克(Paker)發(fā)表了自激發(fā)電機(jī)理論，為湍流發(fā)電機(jī)理論的提出奠定了物理基礎(chǔ)。根據(jù)這種理論得知，只要磁場(chǎng)很強(qiáng)的太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)才會(huì)出現(xiàn)太陽(yáng)黑子，內(nèi)部作用會(huì)形成周期性振蕩，而且表面磁場(chǎng)也會(huì)出現(xiàn)微小變化。

太陽(yáng)黑子的分布有著一定的規(guī)律：并不是整個(gè)太陽(yáng)表面都有黑子，而是散布在太陽(yáng)緯度的某些部分上。太陽(yáng)赤道上很難見到黑子，但赤道的南北方向逐漸增多，南北緯的15度-20度的地方黑子數(shù)目最多，接著慢慢減少，30度之上已經(jīng)很少見了，正如下圖所示。如果我們用一個(gè)圓表示太陽(yáng)，觀察到一個(gè)黑子就在相應(yīng)的位置畫一個(gè)點(diǎn)，幾年之后就會(huì)得到下面的圖。

太陽(yáng)表面不僅會(huì)出現(xiàn)黑子，還常常出現(xiàn)比光球更亮的斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)往往出現(xiàn)在黑子附近，它們叫做"耀斑"(facula)。

黑子的出現(xiàn)表示太陽(yáng)上有了風(fēng)暴，這類似于地球上的颶風(fēng)，只是更加劇烈。太陽(yáng)漩渦中的炙熱氣體快速上升，到達(dá)壓力比較小的光球之后會(huì)噴發(fā)出來，迅速穿過表面。這種膨脹促使周圍的溫度有所下降，同時(shí)削弱了此區(qū)域的光輝，這就形成了太陽(yáng)黑子。其實(shí)，菌狀漩渦的平頂依然很熱很亮，只是與周圍平靜的太陽(yáng)表面相比溫度低一些，所以看起來比較暗淡。

由于地球的自轉(zhuǎn)，所以地球上的所有漩渦(包括颶風(fēng))在北半球逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而在南半球順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。太陽(yáng)黑子與其相似，太陽(yáng)赤道南部和北部的黑子的旋轉(zhuǎn)方向恰好相反，所以很容易分辨出太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)方向。不過，與地球上的風(fēng)暴相比，太陽(yáng)上的風(fēng)暴復(fù)雜得多，因?yàn)轭I(lǐng)頭黑子的旋轉(zhuǎn)方向和隨從黑子的旋轉(zhuǎn)方向常常相反，而隨后生成的黑子的旋轉(zhuǎn)方向受到已經(jīng)存在的黑子群的影響，所以變得更加復(fù)雜。

由于太陽(yáng)黑子漩渦中心的壓力比較低，所以周圍的空氣會(huì)涌向中心，在下降過程中依然在旋轉(zhuǎn)。

100多年