第一节学案 - 图文

第一课 奇妙的太空：太空环境与太空资源

同学们一定对宇宙的奥秘充满了兴趣，宇宙起源于什么时候？到底有多大？宇宙空间里面有什么？这些疑问我们将一一解答。

一、宇宙 1. 宇宙的形成

现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。该理论的创始人之一是伽莫夫。1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论，认为宇宙由大约140亿年前发生的一次大爆炸形成。

2.宇宙的组成

天文学家认为，组成恒星、行星、星系，或者叫普通物质，只占宇宙总质量的不到5%。他们估计，另外25%，可能是由尚未发现的粒子组成的暗物质。剩下的70%呢?天文学家认为那可能是暗能量——让宇宙加速膨胀的力量。暗物质和暗能量的本质是什么?

3.恒星、行星和星系 它们三者之间有什么联系？ 4.彗星

在我们星球和其它星球有着大量的彗星，如果有一颗彗星落在洛杉矶，会是这样的。 哈雷彗星

是每76.1年环绕太阳一周的周期彗星，肉眼可以看到。因英国物理学家爱德蒙·哈雷（1656-1742）首先测定其轨道数据并成功预言回归时间而得名。哈雷彗星是唯一能用裸眼直接从地球看见的短周期彗星，也是人一生中唯一可能以裸眼看见两次的彗星。其它能以裸眼看见的彗星可能会更壮观和更美丽，但那些都是数千年才会出现一次的彗星。哈雷彗星上一次回归是在1986年，而下一次回归将在2061年中。在1986年回归时，哈雷彗星成为第一颗被太空船详细观察的彗星，提供了第一手的彗核结构与彗发和彗尾形成机制的资料。这些观测支持一些长期以来有关彗星结构的假设，特别是弗雷德·惠普的“脏雪球”模型，正确的推测哈雷彗星是挥发性冰－像是水、二氧化碳、和氨－和尘埃的混合物。

中国人对哈雷彗星的记载，最早可上溯到殷商时代。“武王伐纣，东面而迎岁，至汜而

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水，至共头而坠。彗星出，而授殷人其柄。时有彗星，柄在东方，可以扫西人也！”（《淮南子·兵略训》）据张钰哲推算，这是公元前1057年的哈雷彗星回归的记录。更为确切的哈雷彗星记录是公元前613年（春秋鲁文公十四年）的“秋七月，有星孛入于北斗。”（《春秋左传·鲁文公十四年》）这是世界第一次关于哈雷彗星的确切记录。从公元前240年（战国秦始皇七年）起，哈雷彗星每次回归，中国均有记录。

5.超新星

恒星在进入暮年时，先成为冷而亮的红巨星，然后回光返照，突然变亮，在爆炸中变成一颗新星或超新星，最后根据质量的不同，成为白矮星、中子星或黑洞。超新星是质量较大的晚期恒星在最终变成中子星或黑洞前经历的一个中间过程

我国史书《宋会要》上记载着这么一件事：“嘉祐元年（公元1056年）三月，司天监言：‘星没，客去之兆也’。初，至和元年（1054年）五月，晨出东方，宋天关。昼见如太白，芒角四示，色赤白。凡见二十三日。”翻译成现代汉语即是：公元1054年7月4日，日出东方时，在天空金牛座向方有一颗“客星”突然变亮，白炽的光芒四射，白天都能看到，这种状况一直持续达23天。之后，它越来越暗淡，到1056年5月完全消失。

《宋会要》中记载的金牛座客星，实际上就是一颗超新星。它爆发时大量物质被抛出来，形成一个不断扩张的气壳，这就是我们今天我们所见到的著名的金牛座“蟹状星云”。本世纪20年代，有人把蟹状星云的两张相隔12年的照片相对照，发现该星云正在膨胀。又有人根据两张照片上蟹状星云的大小和膨胀速度倒推出这个膨胀过程始于约900年前。1942年，人们终于搞清900年前北宋时代看到的那颗客星，实际上就是今天的蟹状星云。而超新星爆发就是普通恒星变成中子星的过渡环节。

6.致密星——白矮星、中子星和黑洞

是正常星“死亡”时“诞生”的，亦即当它们的大部分核燃料已耗尽时的归宿。 致密星与正常星的差别在于：

1）致密星不再燃烧核燃料，不能靠产生热压力来支持自身的引力塌缩； 2）致密星是尺度非常小的天体，表面引力场很强。

3）白矮星在其长时间的冷却过程中由光学望远镜可直接观测到。中子星作为射电脉冲星或X射线脉冲星可用相应的望远镜观测到。黑洞只能通过它对其周围环境的影响而间接地观

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测分析。

白矮星

质量不到太阳质量1.44倍左右的晚期恒星，当他们的核燃料烧完时，将引起一场“引力坍缩”。在自身强大的引力压缩下，原子被挤碎了。我们知道，原子里是十分空旷的。如果说原子的体积相当于一座24层楼的大厦，那么原子核只有一粒绿豆那么大。因此，原子如果被挤碎的话，物质就变成堆积在一起的赤裸裸的原子核，加上那些被剥离的电子，彼此被挤压成一堆。物质原先占据的体积被大大压缩，因而密度大为增加，可达每立方厘米10万千克以上，是水的一千万倍。

第一颗白矮星发现于1862年，它围绕最亮的恒星天狼星运动，叫做天狼B。此后又发现了很多白矮星。

中子星

“外星人”发来的电报？

1967年7月，英国剑桥大学新建成的一架射电望远镜开始投入观测。进行观测记录的是女研究生乔斯琳·贝尔。她每天要用30米长的记录纸不断地记下来自太空的各种无线电波信号。几星期后，她在那一连串杂乱无章的信号中，发现了一个规则出现的微弱信号：它每隔23小时56分（差4分钟一昼夜）就出现一次。乔斯琳立即向自己的指导老师休伊什教授作了报告。进一步的观测发现，这个微弱信号由一连串的脉冲所组成，每两个脉冲的间隔为1.337秒。这么有规律的脉冲信号的出现莫非是有人在发电报？他们立即向全英的天文台询问，回答都是“NO”，那么是不是外星人发出的信息？

休伊什他们分析，如果真有“外星人”，他们必定住在某行星上，而行星总是绕着自己的“太阳”转，它们和地球之间的距离会有变化，那么，它们发出“电报”脉冲到达地球的时间间隔也会相应地变化。但实际上收到的脉冲之间的时间间隔严格相等，毫无变化。后来，休伊什他们又发现了另外3个同样波长但处在太空不同方位的脉冲信号源。这样一来，“外星人发电报”的假设只得靠边站了。因为无法想象在宇宙中相隔十万八千里之遥的4个星球上的4种“外星人”，会约好使用同样波长的无线电波一齐给地球发“电报”。

最后，休伊什肯定这些脉冲无线电波是某种星体发射出来的，这种星体被称为“脉冲星”。1968年2月，当休伊什的论文在《NATURE》上发表后，立即引起世界轰动。全球掀起了一个找脉冲星的高潮。到1978年，人们已经找到300多个脉冲星。休伊什因此而获得了1974年度的诺贝尔物理学奖。现在已找到1000多个脉冲星。

黑洞

事实上，黑洞并不是洞，它不是空的，恰恰相反，黑洞是宇宙空间内存在的一种超高密度天体，由于类似热力学上它是完全不反射光线的黑体，故名为黑洞。

火箭要飞出地球的引力控制至少要达到11.2千米/秒，这叫“逃逸速度”。如果地球引力变大了，也即地球密度增加了，那么逃逸速度也相应增大。当地球密度增加到相当于现在地球总质量集中在一粒豌豆大小的超密小球的话，逃逸

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速度就将达到光速——每秒30万千米。这时，不要说火箭飞不出去，就连具有最高速度的光也逃不出去。这样，地球上发出的任何信号（声波、无线电波、光波）就都送不出去了。因为没有任何信息可以传送出去，从宇宙太空来看，地球变成了漆黑一团的东西，好像天幕上的一个黑色的洞。这样一个黑幽幽的洞，物理学上叫“黑洞”。

7.星云

是由星际空间的气体和尘埃结合成的云雾状天体。星云里的物质密度是很低的，若拿地球上的标准来衡量的话，有些地方是真空的。可是星云的体积十分庞大，常常方圆达几十光年。所以，一般星云比太阳要重的多。

星云的形状是多姿多态的。星云和恒星有着“血缘”关系。恒星抛出的气体将成为星云的部分，星云物质在引力作用下压缩成为恒星。在一定条件下，星云和恒星是能够互相转化的。

二、太空环境

太空是指地球大气层以外的宇宙空间。物理学家将大气分为5层：对流层（海平面至10千米）、平流层（10-40千米）、中间层（40-80千米）、热成层（电离层，80-370千米）和外大气层（电离层，370千米以上）。

地球上空的大气约有3/4在对流层内，97%在平流层以下，平流层的外缘是航空器依靠空气支持而飞行的最高限度。某些高空火箭可进入中间层。 人造卫星的最低轨道在热成层内，其空气密度为地球表面的1％。在1.6万千米高度空气继续存在，甚至在10万千米高度仍有空气粒子。从严格的科学观点来说，空气空间和外层空间没有明确的界限，而是逐渐融合的。所以国际航空联合会定义在100公里的高度为卡门线，为现行大气层和太空的界线定义。

1.环境温度低

“自宇宙大爆炸以后，随着宇宙的膨胀，温度不断降低。”虽然随后有恒星向外辐射热能，但恒星的数量是有限的，而且其寿命也是有限的，所以宇宙的总体温度是逐渐下降的。经过100多亿年的历程，太空已经成为高寒的环境。对宇宙微波背景辐射(宇宙大爆炸时遗留在太空的辐射)的研究证明，太空的平均温度为零下270.3℃。

2. 强辐射

在太空中，不仅有宇宙大爆炸时留下的辐射，各种天体也向外辐射电磁波，许多天体还向外辐射高能粒子，形成琮宙射线。例如，银河系有银河宇宙线辐射，太阳有太阳电磁辐射、太阳宇宙线辐射(太阳耀班爆发时向外发射的高能粒子)和太阳风(由太阳日冕吹出的高能等离子体流等。许多天体都有磁场，磁场俘获上述高能带电粒子，形成辐射性很强的辐射带，如在地球的上空，就有内外两个辐射带。由此可见，太空还是一个强辐射环境。

3.高真空、微重力

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太空还是一个高真空，微重力环境。重力仅为百分之一到十万分之一，而人在地面上感受到的重力是1g，宇宙大爆炸后，在宇宙中形成氢和氦两种元素，其中氢占3/4，氦占1/4。后来它们大多数逐渐凝聚成团，形成星系和恒星。恒星中心的氢和氦递次发生核聚变，生成氧、氮、碳等较重的元素。在恒星死亡时，剩下的大部分氢和氦以及氧、氮、碳等元素散布在太空中。其中主要的仍然是氢，但非常稀薄，每立方厘米只有0.1个氢原子，在星际分子区中稍多一些，每立方厘米约1万个左右。

4.太空垃圾

太空垃圾危害 自上世纪50年代开始进军宇宙以来，人类已经发射了4千多次航天运载火箭。据不完全统计，太空中现有直径大于10厘米的碎片9千多个，大于1.2厘米的有数十万个，而漆片和固体推进剂尘粒等微小颗粒可能数以百万计。

不要小看这些太空垃圾，由于飞行速度极快，它们都蕴藏着巨大的杀伤力，

一颗迎面而来的直径为0．5毫米的金属微粒，足以戳穿密封的飞行服；人们肉眼无法辨别的尘埃（如油漆细屑、涂料粉末）也能使宇航员殒命；一块仅有阿司匹林药片大的残骸可将人造卫星撞成“残废”，可将造价上亿美元的航天器送上绝路。在人类太空史上，太空垃圾造成的事故和灾难屡见不鲜。1983年，美国航天飞机“挑战者”号与一块直径0．2毫米的涂料剥离物相撞，导致舷窗被损，只好停止飞行。 1986年，“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸，成为564块10 厘米大小的残骸和2300块小碎片，这枚火箭的残骸使两颗日本通信卫星“命赴黄泉”！1991年9月15日，美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与前苏联的火箭残骸相撞，当时“发现者”号与这个“不速之客”仅仅相距2．74千米，幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号，它才免于丧生。据计算，目前太空轨道上每个飞行物发生灾难性碰撞事件的几率为3．7％，发生非灾难性撞击事件的可能性为20％。以此计算，今后将每5—10年可能发生一次太空垃圾与航天器相撞事件，到2020年将达到2年一次。

三、天外来客：太空灾害：

1、灾害性空间天气：威胁在轨航天器安全、影响通信、导航、定位、破坏扰乱地面输电系统、影响地下管线、威胁人类生存环境。特点：受太阳活动影响较大，有一定的周期性。

2、轨道碎片：来源于人类进行太空技术实践例如运载火箭箭体、废弃的卫星、解体的航天器、反卫星武器试验，分布于地球周围的球面空间，密密麻麻。这些轨道碎片威胁现有航天器的安全，减轻危害的措施有减轻太空碎片影响的措施（1）跟踪观测（2）建模与预报（3）回收（4）在大气层内烧毁。

3、流星体：来自行星际空间的尘粒和固体块称为流星体。流星体闯入地球大气圈同大气摩擦燃烧产生的光迹称流星。每天都约有数十亿、上百亿流星体进入地球大气，它们总质量可达20吨。流星的种类：单个流星、火流星、流星雨几种。单个

流星的出现时间和方向没有什么规律，又叫偶发流星。火流星属偶发流星，它出现时非常明亮，像条火龙且可能伴有爆炸声，有的甚至白昼可见。流星体的坠落可能威胁人类社会安全。

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4、近地天体撞击：可能撞击地球的近地天体有近地小行星和短周期彗星，统称作近地天体NEO，另外10%是长周期的彗星（周期大于200年）。当然太阳系外不速之客也有可能撞击地球。其危害程度与星体大小有关，概率也不同：星体撞击地球表面前破碎，动能耗散在大气中，产生的影响是局域的；星体直接撞击地球表面，形成陨石坑；其影响也主要是局域的。大的星体直接撞击地球表面，形成全球性扩散的灰尘，对气候产生重要的、短期的影响，对碰撞地区还有由于爆炸所产生的破坏性影响。

四、太空资源的开发利用 1.太空育种

也称空间诱变育种，就是将农作物种子或试管种苗送到太空，利用太空特殊的、地面无法模拟的环境(高真空，宇宙高能离子辐射，宇宙磁场、高洁净)的诱变作用，使种子产生变异，再返回地面选育新种子、新材料，培育新品种的作物育种新技术。太空育种具有有益的变异多、变幅大、稳定快，以及高产、优质、早熟、抗病力强等特点。其变异率较普通诱变育种高3-4倍，育种周期较杂交育种缩短约1倍，由8年左右缩短至4年左右。

2.通信导航

通信卫星就是把原来在地面的无线电中续站搬到卫星上，从而大大提高了信号的覆盖面积和传输距离、通信质量和抗破坏性，减少了费用，使通信技术发生质的飞跃。遥感卫星相当于空间观察平台，具有观测范围广、观测次数多、时效快、连续性好等优点，对气象预报、陆地资源开发、海洋资源开发起到巨大推动作用。导航卫星设在太空的基准点，它能克服地面无线电导航台存在的信号传播距离有限等一系列缺点，是目前最先进的导航技术。 在太空“制高点”上不仅可以观地，还能望天。在那里进行天文观测不受大气层影响，使全波段天文观测变得轻而易举。天文卫星、空间站就是理想的天文台。

3.微重力资源

太空的微重力（重力加速度小于10-4g）是一种宝贵资源，利用这种资源可以进行地面上难以实施的科学实验、新材料加工和药物制取等。在微重力条件下，由于无浮力，液滴较之地面更容易悬浮，冶炼金属时可以不使用容器，即采用悬浮冶炼，因而能使冶炼温度不受容器耐温能力的限制，进行极高熔点金属的冶炼，避免容器壁的污染和非均匀成核结晶，改变晶相组织，提高金属的强度。微重力条件下，气体和熔体的热对流消失，不同比重物质的分层和沉积消失，对生产极纯的化学物质、生物制剂、特效药品，以及均匀的金属基质复合材料、玻璃和陶瓷等也很有用。

4.开发太阳能资源。

目前航天器上的太阳能发电只供航天器本身使用。一些国家已在计划建造太阳能发电卫星，即太空电站。它可将太阳的光能高效率地转变成大功率的电能，再把电能用微波或激光发往地面给用户使用。太阳能利用的另一种形式是建造人造小月亮和人造小太阳，为城市和野外作业照明，增加高寒地区的无霜期，保证农业丰产丰收。

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