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