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第48章 宇宙(4)

在地球上空运行的人造卫星,按其轨道离地面高度来区分,可分为三种,即近地轨道(小于600千米)、中轨道(600-3000千米)和高轨道(大于3000千米)。

不同用途的卫星,运行在不同的高度。需要对地面目标进行仔细观察和探测近地空间环境的卫星,通常运行在近地轨道,如科学实验卫星和侦察卫星等;需要对地球进行频繁地、周而复始地观察的卫星,通常运行在中轨道,如极轨气象卫星和资源卫星等;而需对地球作大范围、长时期定点观测或信号中转的卫星,通常选用高轨道,如静止气象卫星和静止通信卫星。

有两个十分重要的轨道,它们就是中轨道的太阳同步轨道和高轨道的地球静止轨道。

所谓太阳同步轨道,就是通过地球南北极的卫星轨道平面,每天向东移动0.9856°,这个角度正好是地球绕太阳公转每天东移的角度。轨道高度在700-1000千米之间。卫星每天都在同一时间通过同一地区上空,可观察到该地区的连续变化过程。极轨气象卫星每天定时观测同一地区云图,得到逐日变化过程,这就为天气预报提供了科学根据。

而对一些要求在空中“固定不动”的卫星,如转播电视的通信卫星,则采用地球静止轨道。这个轨道在地球上赤道平面内,离地面35860千米。因为在这个轨道上,卫星绕地球自西向东旋转,速度为3.075千米/秒,正好等于地球自转的速度。因此地面与卫星就相对“不动”了。

知识点:人造卫星、卫星轨道、太阳同步轨道、地球静止轨道

为什么卫星可以预报地震

地震是人类自古以来不可躲避的自然灾难。由于地震起因和前兆非常复杂,因此,地震预报始终是世界性的难题。

科学家发现,地震前在震中区周围,会出现温度异常等震兆。震前由于岩石圈板块相互作用,应力不断积累,当超过岩石圈强度时,就会发生微裂隙,原储存在岩石圈内的气体,特别是温室气体,会沿着已有的裂缝溢出地面,受到太阳辐射和自身辐射,导致该地区温度增高。或者带电的微粒子从岩石圈深处渗出地表,这些带电微粒子在低空处造成电场异常,激发温室气体,使温度比正常增高几度。

当今,不少安装有遥感仪器的卫星(尤其是气象卫星)上,都有红外扫描仪,它的扫描宽度有上千千米,所测地面、水面及各种界面上的温度精度可达0.5℃。借助大型计算机及图像处理机,能在30分钟内处理好一幅地球表面的温度图像,为迅速判别震兆温度异常提供了有利条件,并为卫星的应用开辟了新的领域。

不过由于地表增温的原因很多,要正确区分出真正临震前的异常增温,还有很多问题尚待解决。相信经过不断努力,地震预报的成功率将会有大幅度的提高。

知识点:地震、地震预报、卫星遥感

为什么卫星可以减灾防灾

世界上时时刻刻都在发生各种各样的自然灾害。从1965年至1992年的28年里,全世界发生了4650多起自然灾害,约30亿人受灾,其中死亡361万人,直接经济损失约3400亿美元。最常见的灾害有台风、洪水、地震、干旱、火灾等。自从卫星上天以来,人类利用先进的卫星遥感技术,防止或减小了这些自然灾害造成的恶果。

比如1987年5月,中国东北大兴安岭地区发生一场猛烈的森林大火,在天上巡游的卫星成功地监测到这一信息,为扑灭这场大火创造了条件。1991年夏天,中国江淮流域发生严重水灾,又是卫星提供了水灾淹没面积的准确估计,为救灾工作找到了依据。尤其是1998年中国长江中下游、松花扛和嫩江流域的抗洪救灾,天上卫星功不可没。卫星作为防灾减灾的哨兵,发挥了有效的作用。目前,人类已经利用气象卫星、资源卫星、通信卫星、导航卫星等进行了大量的减灾活动,取得了良好的效果。此外,许多国家都在研制一种新的减灾卫星,即使同—颗卫星集对地观测、通信、导航等功能于一身,实现救险防灾的目的。

气象卫星是防灾的先锋。防减灾害要先“看得见”并及时掌握情况,才能采取相应的措施。对于自然灾害等变化的环境观测,除了要求具有一定的空间分辨率以外,还要能够在较短的时间内对地面进行重复观测。现有的遥感卫星中,气象卫星,特别是地球静止气象卫星,能够不间断地对大气现象进行观测,对于防治自然灾害,起到了开路先锋的作用。

近年来出现的雷达卫星可以穿云透雨,它主动发出一定频率的电磁波,并接收目标对它的反射和散射的回波,形成图像。因此,雷达卫星是一种十分重要的监测手段,特别是在常伴有阴雨天气的洪涝季节更是大有用途。

卫星的最大防灾本领,莫过于监测地球上的陆地、海洋和大气层,创造良好的生态环境,使人类免遭各种自然灾害之苦。因此,各种专门的减灾卫星便应运而生。我国曾利用自己的返回式卫星和气象卫星,在防灾、抗灾、救灾和治理灾害方面已取得了一定成绩。但中国是个幅员辽阔的大国,经常饱受自然灾害之虐,因此国家已经把研制减灾卫星列为发展航天技术的头等大事。

知识点:人造卫星、减灾卫星、气象卫星、雷达卫星

为什么要研究天文学

昼夜交替,四季循环,人们生活在自然界中,首先就接触到各种天文现象,明亮的太阳、皎洁的月光、闪烁的繁星、壮观的日食等等。天文学的形成和发展过程,就是人们对自然界逐步了解的过程。

古代人们在从事农牧业生产时,为了不误农时,必需利用天象来确定季节。渔民和航海家利用星星在茫茫的海洋上确定自己前进的方向,利用月相来判断潮水的涨落……

天文工作在现代更有了新的发展。

各种天体是一种理想的实验室,那里有地面上目前所不能得到的物理条件。如质量比太阳大几十倍的星球,几十亿度的高温,几十亿大气压的高压,以及每立方厘米几十亿吨的超密态物质。人们经常从天文上得到启发,然后再加以利用。翻开科学史的记录可以看到:从行星运动规律的总结中得出了万有引力定律;观测到太阳上氦的光谱线后,在地球上才寻找到了氦元素;从计算新星爆发的能量,发现了人们还不了解的能源……

天文学与其他的学科发展关系也非常密切。19世纪以前,天文学与数学、力学的发展息息相关;到了现代,科学技术高度发达后,天文学更深深地渗透到其他学科。我们都知道,当爱因斯坦发表了相对论以后,就是利用天文观测的结果给予这个理论以有力的支持;天文学上的重大发现对高能物理、量子力学、宇宙学、化学、生命起源等学科都提出了新的课题。

天文学给我们揭示了自然界的真面目。几千年来,人类对于地球的性质、地球在宇宙中的位置以及宇宙的结构等方面都曾有过错误的认识。假如没有天文学,这些错误的认识一定会继续下去。波兰天文学家哥白尼曾冲破几千年的宗教束缚,提出了日心说,使人类对宇宙的认识前进了一大步。现在小学生也知道“地球是球形的”这一条真理了。

在人类进入航天飞行的时代里,天文学集中了人类对于自然认识的精华。如果一个人对现代天文学的伟大成就一无所知,他就不能算是一个受过教育的人。正因为如此,世界上很多国家把天文学列入中学课程。

以上仅从几方面简单地介绍了天文学的发展和应用。由此可见,天文学对现代科学的发展起了推动的作用,是人们认识自然、改造自然的重要学科。

知识点:天文学、天体、物理条件、科学发展、自然界

为什么天文台的观测室大多是圆顶结构

一般房屋的屋顶,不是平的就是斜坡形的,唯独天文台的屋顶与众不同,远远看去,银白色的圆形屋顶好像一个大馒头,在阳光照耀之下,闪闪发光。

为什么天文台要造成圆顶结构呢?难道是为了好看吗?不,天文台的圆顶完全不是为了好看,而是有它特殊的用途。

我们看到的这些银白色的圆顶房屋,实际上是天文台的观测室,它的屋顶呈半圆球形。走近一看,半圆球上却有一条宽宽的裂缝,从屋顶的最高处一直裂开到屋檐的地方。再走进屋子里一看,哪里是什么裂缝,原来是一个巨大的天窗,庞大的天文望远镜就通过这个天窗指向辽阔的太空。

将天文台观测室设计成半圆球形,是为了便于观测。在天文台里,人们是通过天文望远镜来观测的太空,天文望远镜做得非常庞大,不能随便移动。而观测的目标,却分布在天空的各个方向。如果采用普通的屋顶,就很难使望远镜随意指向任何方向上的目标。天文台的屋顶造成圆球形,并且在圆顶和墙壁的接合部装置了由计算机控制的机械旋转系统,使观测研究十分方便。这样,用天文望远镜进行观测时,只要转动圆形屋顶,把天窗转到要观测的方向,望远镜也随之转到同一方向,再上下调整天文望远镜的镜头,就可以使望远镜指向天空中的任何目标了。

在不用的时候,只要把圆顶上的天窗关起来,就可以保护天文望远镜不受风雨的侵袭。当然,并不是所有的天文台的观测室都要做成圆形屋顶,有些天文观测只要对准南北方向进行,观测室就可以造成长方形或方形的,在屋顶中央开一条长条形天窗,天文望远镜就可以进行工作了。

知识点:天文台、天文观测、天文望远镜

为什么天文台大多设在山上

天文台主要是进行天文观测和研究的机构,世界各国天文台大多设在山上。

我国的天文台也大多设在山上。如紫金山天文台,它就设立在南京城外东北的紫金山上,海拔267米。北京天文台设有5个观测站,其中兴隆观测站海拔约940米,密云观测站海拔约150米。上海天文台在余山的工作站,海拔也有98米。云南天文台在昆明市的东郊,海拔为2020米。

天文台的主要工作是用天文望远镜观测星星。星星离我们都非常遥远。一般恒星离我们都在几十万亿千米以外,离我们最近的天体——月亮,距离地球也有38万多千米。地球上的高山一般只有几千米高,缩短这么一小段距离,显然是微不足道的。

地球被一层大气包围着,星光要通过大气才能到达天文望远镜。大气中的烟雾、尘埃以及水蒸气的波动等,对天文观测都有影响。尤其在大城市附近,夜晚城市灯光照亮了空气中的这些微粒,使天空带有亮光,妨碍天文学家观测较暗的星星。在远离城市的地方,尘埃和烟雾较少,情况要好些,但是还不能避免这些影响。

越高的地方,空气越稀薄,烟雾、尘埃和水蒸气越少,影响就越小,所以天文台大多设在山上。现在,世界上公认的三个最佳天文台台址都设在高山之巅,这就是夏威夷莫纳凯亚山山顶,海拔4206米;智利安第斯山,海拔2500米山地;大西洋加那利群岛,2426米高的山顶。

知识点:天文台、天文观测、大气、微粒

为什么天文学家要给星星拍照

拍照可以给我们留下美好的回忆和永久的纪念,那么天文学家为什么要给天上的星星拍照呢?原来,有很多天文现象瞬息突变,像超新星能在几天之内光度突然增加到原来光度的千万倍以上,又如流星在天空中一划而过,几秒钟就消逝;有些天文现象极其罕见,像日全食在一个地方平均要相隔200-300年才出现一次,而且一次最长不过几分钟时间,又如亮的彗星,要几十年甚至更长时间才碰上一次。这些天象如果不拍下照片,长期保存,单凭人们的印象和记录,就很少有科学价值。

天文现象的另一个特点是星光暗淡,在观测恒星光谱时,需将这点微弱的星光分散在一条谱带上,若要用眼睛直接看清每条谱线,是很困难的。如果通过天文望远镜拍下照片,星光虽弱,但底片感光有积累作用,加长曝光时间就可以弥补这一不足。给星星拍照还有一个好处,就是它能拍到紫外线和红外线部分,超出了肉眼的可见范围,这样就扩大了我们观测恒星光谱的范围。

再说天空中繁星点点,多得使人眼花缭乱,无法应付。因此,天文学家在绘星图、编星表时,用给星星拍照的方法,既客观又准确。若用目视方法测绘上千万颗星的位置,实在是难以想象。所以,给星星拍照是天文观测中不可缺少的重要办法。近代天文学中的重要发现,与此密不可分。

给星星拍照和我们一般拍照不大一样。一般在拍人、拍景时,“咔嚓”一声,一张照片就拍好,曝光时间很短,只有几百分之一秒或几十分之一秒。而给星星拍照则需几分钟乃至几小时,曝光时间长是天文照相的一个特点。其次,天文台大都使用玻璃底片——干片,因为天文台需要进行精密测量,比如测谱线的波长或测星星的相对位置,都要精确到万分之一毫米,使用玻璃底片就不会变形。

当今数字照相机正在崛起,大有取代用胶卷的普通照相机之势。原理与数字相机的基本相同的天文观测设备,也正在逐步取代经典的天文照相术,但它们的工作目的还是一样的,只是“拍照”的效果更好。

知识点:天文观测、照相、光谱、科学价值

为什么在南极和北极半年是白天,半年是夜晚

地球在围绕太阳旋转的时候,身体有点儿倾斜。地球的自转轴并不和公转的轨道平面垂直,它们相交成66.5度的角度。

每年春分,太阳直射地球的赤道。然后地球渐渐移动,到了夏天,日光直射到北半球来。以后以过秋分,太阳再直射赤道。到了冬季,太阳又直射南半球去了。在夏季这段时间,北极地区整天在日光照耀之下,不管地球怎样自转,北极都不会进入地球上未被阳光照到的暗半球内,一连几个月看见太阳悬挂在天空。直到秋分以后,阳光直射到南半球去,北极进入了地球的暗半球里,漫漫长夜方才降临。在整个冬季,日光一直不能照到北极。半年以后,等到春分,太阳才重新露面。所以北极半年是白昼(从春分到秋分),另半年是黑夜(从秋分到春分)。

同样的道理,南极也是半年白昼,半年黑夜。只不过时间和北极正好相反。北极白昼的时候,南极是黑夜。北极黑夜的时候,南极是白昼。

实际上,由于大气折射的影响,太阳还在地平线下面半度左右的时候,日光就已经照射到地面上来。因此,北极在春分前两三天,太阳光就已经照到地面。而秋分之后,也要过两三天太阳才完全隐没下去。所以北极的白昼要比半年长一些。同样的道理,南极的白昼也是半年多一点。不过,由于地球公转轨道不是正圆形,北极的白昼,比南极的还要略长一些。

正因为如此,在每年的春分和秋分前后几天,在南极和北极,同时都可看见太阳,过着共同的白昼。相反的,在一年中的其他时间里,南极和北极从来不会同时出现黑夜。

知识点:白昼、黑夜、南极、北极、大气折射

为什么在使用公历的同时还要用农历

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