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1、20世纪后半叶是人类对宇宙认识的第三次飞跃期。在研究手段方面建立了大型光学望远镜、红外望远镜和射电望远镜，使天文观测领域扩展到整个电磁波段（含可见光、紫外光、红外光、无线电波、X射线、射线）和150亿光年左右时空尺度。观察地点发展到U2高空侦察机、哈勃太空望远镜、宇宙探测器和人类登月，避免了地球大气干扰和局限。理论方面有宇宙大爆炸学说多种模型问世。在人类从星系层次加深对动态宇宙的认识方面是划时代的进步，也与人类自工业经济迈向知识经济时代的转变相适应。（1）银河系结构银河系 是星系的典型代表，由15002000亿颗恒星和无数的星际物质组成。银河系主体部分称银盘，直径8.5104l.y.（光年）（

2、1l.y.=94600108km），中央呈近似球形隆起的部分，称为核球，直径1041.3104l.y.，厚约104l.y.，是恒星高度密集区域；核球的中心称为银核，是银河系的质心。肉眼见到的银河就是银河系主体在天球上的投影。银盘外围被恒星密度很稀的扁球状银晕所包围，直径达到10104l.y.（图2-1，左；1103秒差距（pc）=3261.6l.y.）。从垂直银河系平面的方向看，银盘内恒星和星际物质在磁场和密度波影响下分布并不均匀，而是由核球向外伸出的四条旋臂组成旋涡结构（图2-1，右）。旋臂是银河系中恒星和星际物质的密集部位。太阳是银河系众多恒星中的普通一员，它位于银盘中心平面（银道面）附近

3、和一条旋臂（猎户座旋臂）的内缘，距银核约2.7104l.y.处。（2）太阳在银河系内的运动银河系的旋涡结构反映了自身存在自转运动，也就是银河系中的恒星、星云和星际物质都绕银核旋转。太阳绕银核旋转的速度为250km/s，旋转一周约2.51083108y，称为银河年。银河系内不同星体间的运动也存在复杂的情况。有人提出太阳在旋转过程中可能发生两种周期性变化。一种是从银河系侧面看，发生在银道面上下的往复波动，大体每隔35百万年就穿越银道面一次。另一种是从银河系平面看，由于不同星体旋转速度不等，太阳与银河系四个旋臂并不同步并行，大体每隔75百万年就穿越旋臂一次。上述假说在天文学研究领域内尚待进一步验证。

4、12 星系运动和总星系（1）银河系的运动和河外星系银河系除存在自转外，同时整体以214km/s的速度向着麒麟座方向运动。近些年天文学研究已陆续发现，宇宙空间中存在500亿个类似银河系的恒星系，它们自身直径也达十万光年左右，离银河系则有几十亿至上百亿光年之遥，称为河外星系。若把可见宇宙比作广阔的海洋，它们只不过是散布其中的岛屿，也称为宇宙岛（world island）。（2）从星系团到总星系10万光年尺度的星系在空间分布并不均匀，它们有成团的趋势，可以形成星系团。星系团的规模大小不等，形状也各不相同，典型的空间尺度达到千万光年（即108km）量级，总质量达到1047g量级。星系团内星系之间距离约

5、为百万光年量级。银河系和相邻仙女星系、麦哲伦星云等30个星系组成一个规模较小的集团，称为本星系群。星系团在空间的分布也不均匀，许多星系团可以进一步组成超星系团，典型的空间尺度达到1亿光年量级。本星系群和室女星系团构成的本超星系团，直径约12.5亿光年，总质量为太阳的千万亿倍。人类现在观测能力所及的可见宇宙称为总星系，其典型空间尺度为150亿光年，年龄为100亿光年量级，总质量达到1056克量级。13 大爆炸学说与宇宙起源问题（1）谱线红移与可见宇宙轰鸣的火车驶近我们时声波频率增强，声调变高；驶离时则声波频率降低，声调变低（多普勒效应）。与此同理，发光星体接近观察者时，见到的星光谱线向频率高的蓝

6、光方向移动，称为蓝移；当离开观察者时，向频率低的红光方向移动，称为红移。哈勃（EPHubble，1929）经过大量实际观测发现，来自不同星系的光呈现某种系统性的红移现象。根据星系中特定原子发射的光的谱线与地球上实验室内同种原子发射的光进行比较，可求得光源星系离开观察者的退行速度；再根据相同类型恒星的视亮度比较，推算出光源星体离我们的距离。由此获得了“光源越远的星体，离我们而去的速度也越快”的结论，就是著名的哈勃定律（图2-2）。哈勃定律揭示了遥远的星系正在“逃离”我们而去，整个总星系都处于膨胀的变化之中，已经成为当今人们的共识。另一方面，银河系内部不同恒星的谱线分析证明也有不少蓝移现象，反映星

7、系内部仍然具有吸引力。1996年哈勃太空望远镜还拍摄到距地球6300104光年处（乌鸦座南部）星系间发生超级碰撞的照片。因此，宇宙的膨胀看来主要发生在星系团之间的空间迅速增大，星系本身尺度变化不大，类似吹胀气球时在气球表面看到的情况（图2-3）。已知宇宙中不同部位的密度特征也可能与之有关（表2-1）。（2）大爆炸宇宙学说当代宇宙起源假设中，大爆炸宇宙学说是最有影响的一种学说。该学说提出于40年代，本身也在不断发展完善中。其主要内容如下：宇宙在大爆炸前处于极高温和超高密状态，物质与反物质以及物质与能量均呈平衡状态。在某种物理条件下开始了大爆炸，在宇宙诞生10-44s之后体积急剧暴胀，在10-34

8、s内迅速膨胀约10100倍，密度相应降低。但在1秒钟之内温度仍高达1032K至1010K以上，原子和分子均无法存在。当时宇宙中的物质存在形式和行为目前无法在实验室模拟，推测可能存在辐射能以及电子、中微子（neutrinos，一种不受电、磁、核力影响的基本粒子，1998年证实具有极微小的静止质量）和质子、中子形式基本粒子。目前人类业已观测到从宇宙早期留下的最早原子核形成于爆炸后1秒钟，因此，可以把这1s看作宇宙史研究的一道分水岭。爆炸进行3min后，温度降至109K以下，核反应开始启动，由质子和中子聚变为氘核、氦核和锂核最轻元素后可以不至于瓦解（图2-4）。当时全部物质中氦占约22，氢占78，还

9、有极少量氘和锂。至百万年前后，温度降至1076K范围，宇宙间弥漫着由轻元素原子核和电子、质子等组成的等离子体。2.5亿年后温度降至103K时，辐射减弱，中性原子形成，等离子体复合成为正常气体。至10亿年前后星系开始形成，50亿年前后开始出现首批恒星，太阳系的形成则在100亿年前后。宇宙大爆炸学说虽然获得国际多数学者支持，但在大爆炸起因，大爆炸是永远进行下去还是后期将转化为收缩，大爆炸由一个奇点开始还是整个空间每一点都可看作是膨胀的中心，大爆炸最初1秒钟内的物质形式和行为等根本性问题上并没有公认结论，在哈勃半径和宇宙形成年龄测定上还存在不同见解。有关宇宙大爆炸各种模型的提出和探讨，势必涉及时空是

10、否永恒存在等一系列根本的哲学思想问题。例如有人认为，在大爆炸之初的10-43s（普朗克时期），当时的可见宇宙尺度小于它的量子波长，整个宇宙变得为量子不确定性所主宰，根本就没有“钟”和“尺子”能加以测量，即广义相对论时空概念失效，是一个没有时空的物理世界，需要通过时空的量子化途径来探讨已知时空形式的起源。这对于传统上认为宇宙无边无界、无始无终的哲学思想也是一种冲击，对于促进哲学观念的现代化也有重要意义。2 恒星演化与太阳系形成21 星系的起源宇宙空间中大量星系的形成机制，主要存在由弥漫物质凝聚的星云说和由超密物质爆发的超密说两大流派。星云说 强调初始宇宙空间充满密度极低的星际气体和尘埃物质，在自

11、引力下这些物质逐渐聚集成许多大型星系云，再在星系云内诞生大量恒星（见本章22节）而形成星系。20世纪80年代初，天文学家已发现离我们100亿光年外存在的原始星系云，基本处于电离氢状态，其体积与银河系接近，可能为初始宇宙大爆炸后遗留下来的原始星云物质。这为星系起源的星云说提供可信佐证。超密说 强调可见宇宙大爆炸过程中抛射出许多超高密度的物质块，每个块形成一个星系。超密块爆发从核心再向四周演化，星系核心为残留的超密块，因此爆发作用尚未止熄。天文学家已发现银核是一个强射电源区（强烈辐射射电波、红外波、射线波等），对本假说是有力支持。在可见宇宙中，星系多达500亿个左右，形态结构和规模大小各异（图2-

12、5），很可能并非由单一机制形成。星云说反映了宇宙间弥漫星云物质收缩凝聚的“合二而一”过程，超密说则体现了宇宙间物质状态的“一分为二”发展方向，很可能这两条途径都与星系形成有关。但究竟以何种方式为主，不同方式出现的条件是什么，是否还有其他成因机制等，尚待研究。哈勃（1926）按星系形态结构特征，区分为椭圆星系（E）、旋涡星系（S）和不规则星系（Ir，）三大类。银河系以往认为是典型的旋涡星系，最近趋向属棒旋星系。肉眼可见的仙女座大星云附近的伴生星系则属椭圆星系，著名的大、小麦哲伦星系可能都是不规则星系。星系的演化趋势有人强调由椭圆星系旋涡星系不规则星系，也有人持相反的见解。旋涡星系的旋臂演化方向是

13、旋紧还是旋松迄今也无法通过人类短期观测确认。近年来更多研究者倾向星系的分类序列与演化序列无关。22 恒星的起源与演化现代天文学的多数假设支持，恒星最初由弥漫稀薄的气体和尘埃（星云）经过凝聚、加热过程而形成，可区分为以下四个阶段。（1）幼年期原始星云的一部分开始进入收缩过程，推测与涡旋运动有关，很可能受到相邻超新星爆发所产生冲击波的启动。涡旋体系中心部分处于引力收缩状态，随着势能转变为热能，使温度上升。在温度还不足以启动热核反应情况下，这种收缩的气体团不发射可见光，称为原恒星（protostar）。当原恒星开始不再收缩时，核心部分氢开始点燃，出现“氢闪”，标志进入了青少年期。以中等大小的恒星（太

14、阳）为例，此阶段约经历5000万年。质量很大的原恒星由于有较强的引力场，只需要50万年。质量只有太阳1/5的原恒星，估计寿命可达6亿年。（2）青壮年期原恒星核部温度上升到不小于7106K条件下，核部氢燃烧引起的热核反应开始启动，就标志着一颗恒星正式产生。由于恒星内部排斥力与自身吸引力处于基本平衡状态，进入了相对稳定的漫长演化时期。目前银河系中90的恒星都属此演化阶段。丹麦天文学家赫茨普龙（EHertgsprung）和美国天文学家罗素（HNRussell）分别统计了恒星的光度（反映恒星质量）和颜色（反映表面温度），用纵横坐标绘图时发现大部分恒星落在一条连续带上，其余的星（红巨星、白矮星等）则形成

15、独立的小群（图2-6）。这种图后来就称为赫罗图（H-R diagram），图中90恒星集中出现的连续条带代表相对稳定的主要演化序列，称为主星序（main sequence）或主序带，处于主序带内的恒星，就称为主序星（main saquence star）。太阳作为主序星的寿命可达100亿年，现在虽“年及半百”，仍属壮年期。质量大于太阳20倍的恒星，处于主星序阶段的寿命只有1000万年。（3）晚年期主序星演化后期，当恒星中心10氢燃料消耗殆尽时，标志着主星序阶段的结束。恒星核部再次在引力下收缩，恒星中心密度加大，温度再次升高；同时促使恒星外壳体积膨胀，密度变稀，成为表面温度很低但光度很大的红巨星

16、或超巨星。在红巨星阶段，恒星内部的排斥与吸引、膨胀与收缩循环往复，中心部分的温度逐步上升，出现了不同元素的热核反应。温度不低于108K时，发生3个氦核聚变为1个碳核，可经历数百万年；温度不低于6108K时，发生2个碳核聚变为氧核，只能持续13万年；温度不低于109K时，发生氧核聚变为硅核；温度不低于31094109K时硅核聚变为铁核。巨大恒星内部的热核反应向着重元素形成的方向发展，证明宇宙中各种元素及其同位素并非由大爆炸单一过程一次产生，而是在恒星演化的热核核聚变过程中逐步合成的。这种元素起源与恒星演化同步的元素合成理论，最早由布尔比吉夫妇（EMBurbidge和GRBurbidge），佛罗（

17、WAFowler）和霍伊尔（FHoyle）于1957年提出，简称为B2FH理论。由于得到原子核物理学、天体物理学和宇宙化学的有力支持，已经成为共识。50亿年后太阳也将变成红巨星，其直径将扩展为现在的250倍。在扩张过程中，它的辐射热量将使地球上的任何生物都无法生存，这是真正的地球末日来临之时（图2-7）。届时地球上如果还有智慧生命存在，寻求可持续发展的唯一出路只能是，向太阳系以外的类地行星中去寻觅和重建家园。（4）衰亡期恒星中心热核反应一旦出现铁元素，就进入了恒星演化的老年期。铁核的热核反应不能释放能量，反而需要吸收大量能量，迫使恒星内核向中心猛烈塌缩，同时释放出惊人的能量，导致恒星外壳发生爆

18、炸，并使光度瞬间剧增万倍至上亿倍，这就是著名的超新星爆发现象。当超新星“昙花一现”之后，原有的恒星顷刻塌缩为体积小而密度极高的致密星（恒星的残骸）和爆发出去的星云物质（新恒星形成的物质基础），完成了银河系内空间物质-能量交换过程的一次循环。恒星演化最后阶段的致密星包括白矮星（黑矮星）、中子星和黑洞三种不同类型的归宿，它们的形成与母体恒星的质量大小有关。质量中等的恒星（小于1.4个太阳质量）经历超新星爆发后，恒星残骸的密度达到1.75105g/cm3（相当太阳密度的12.5万倍，由异常致密的原子核和电子组成），表面温度升高至8000K，发出白光，称为自矮星。在银河系内，白矮星占可见恒星数量的3。

19、白矮星内部的核能已经枯竭，只能靠辐射热量发光，由于随着温度降低辐射热能速度相应变慢，也可有几十亿年寿命。一旦白矮星的热能耗尽，不再辐射可见光，称为黑矮星。黑矮星的最终归宿是继续冷却到与宇宙空间温度（3K）平衡为止，可视作一颗恒星经历了演化全过程后在宇宙中残留下来的一块天界墓石。质量更大的恒星经历超新星爆发后残存的质量如达到太阳质量的1.52倍，在暴缩情况下形成快速自转的中子星。直径一般仅10km，但密度达10141015g/cm3，主要由异常致密的中子组成。中子星具有很强的磁场，并因自转而辐射具精确周期的脉冲式无线电波。中子星的辐射强度大于白矮星，所以寿命小于10亿年。超新星爆发后如果残骸质量

20、超过太阳质量的23倍，即使到了中子星阶段也会继续塌缩至高于原子核的密度（相当于1cm半径球体内集中地球全部质量）。在这种超强引力场下，被吸入的任何物质和光线运动速度超过了光速。产生的效果是任何物体一旦达到这个速度，对远离引力中心的观察者来说就在视野中消失了；此外所有物质和光线只能被吸入，而无法逃逸出去，就形成了黑洞（图2-8）。黑洞是广义相对论在20世纪早期预言的暗天体和引力场中的一个奇点，这里密度和时空曲率都是无穷大。由此可见，银河系中的恒星演化虽然都经历4个阶段，但大小质量不同，演化速度各异，最后的消亡途径也不尽一致。然而同样呈现出天地万物生生不息，生灭转化，永无止境的特点。超新星爆发的意

21、义正如康德所言：“这个大自然的火凤凰之所以自焚，就是为了要从它的灰烬中恢复青春，得到重生。”在银河系内恒星演化的上述背景下，太阳这颗中等大小的普通恒星如何发展成为一个具有复杂行星系统的太阳系？银河系及河外星系的亿万颗恒星中是否也有类似太阳系的结构？人类寻找地外文明的努力倒底有什么意义？将在下节中介绍。23 太阳系形成假说（1）星云说的提出与发展自从德国古典哲学家康德（IKant，1755）首创太阳系起源的星云说以来，迄今国内外提出的各种学说多达50多种，但从学术思想体系和立论依据方面基本上可归纳为三种类型。灾变说行星物质是某种重大突发事件从太阳中分离出来，例如另一颗恒星走近或擦过太阳，或由于太

22、阳自身爆发，分出的太阳物质后来形成行星。俘获说太阳从恒星际空间俘获物质，形成原行星云，再演变为行星。共同形成说太阳系的所有天体都由同一个原始星云形成，星云中心部分形成太阳，外围部分形成行星等天体。18世纪康德与法国数学家、天文学家拉普拉斯（PSLaplace，1796）各自独立提出的星云假说，都设想太阳系由同一片“原始星云”演变而成。但面临的最大困难是无法解释太阳系内部质量和角动量分配的矛盾（太阳占总质量的99.85，但其角动量仅占总角动量的0.6）。星云说面临的尴尬导致20世纪初多种灾变说的兴起，但灾变说也遇到许多与观测事实不符的矛盾（恒星间的接近或相撞概率极少，约3000万亿年发生1次，银

23、河系年龄仅150亿年左右），到20世纪40年代渐趋衰落。因此，20世纪后期以各种新星云假说的复兴为特征。例如英国天文学家霍伊尔（FHoyle，19601972）提出原始星云（低温慢转）在引力收缩中转速加快，分别脱出行星圆盘和卫星圆盘，最终形成了太阳系。在热核反应启动后的太阳升温过程中，电磁辐射产生磁力矩，实现了角动量从太阳向行星的转移，从而克服了传统星云说的致命弱点。我国著名天文学家戴文赛等（1978）提出的新星云说，从天体观测新资料出发，论述周密细致，对太阳系的起源、主要特征以及运动规律的规则性和不规则性作了比较全面、系统的阐述，在理论上作出了重要贡献。思考题2 请结合灾害应急管理、国防安全

24、、资源与环境管理等工作实例，从遥感的技术特点上论述对地观测技术是如何应用到解决地表问题中去的？参考资料随着人类生存环境的变化和国际竞争的日益激烈,对自然资源、地理资源和太空资源的开发和争夺已经成为影响人类和民族发展进程的重要因素。遥感正是为了满 足这样的需求所产生的一门综合性应用技术, 它是以航空摄影技术为基础，在本世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。经过几十年的发展，遥感技术已经从航空时代进入航天时代。由于遥感技术能够全面、 立体、快速有效地探明地上和地下资源的分布情况，其效率之高是以前各种技术无法企及的。因此，遥感技术已成为一门实用的，先进的空间探测技术。伴随遥感技 术在国民经济中发挥着

25、越来越重要的作用，由此带来了新一轮遥感应用的热潮。现在，卫星应用覆盖了减灾、健康、环境监测、能源调查等，影响了人类生活的方方面面。因此，在许多领域，遥感对地观测技术有着无限光明的应用前景。1. 遥感技术的涵义 遥感是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的，它根据不同物体对波谱产生不同响应的原理，识别地面上各类地物，具有遥远感知事物的意思。也就是利用地面上空的飞机、飞船、卫星等飞行物上的遥感器收集地面数据资料，并从中获取信息，经记录、传送、分析和判读来识别地物。当前遥感形成了一个从地面到空中，乃至空间，从信息数据收集、处理到判读分析和应用，对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系，成

26、为获取地球资源与环境信息的重要手段。2. 遥感技术主要特点 2.1 可获取大范围数据资料。遥感用航摄飞机飞行高度为10km左右，陆地卫星的卫星轨道高度达910km左右，从而，可及时获取大范围的信息。例如，一张陆地卫星图像，其覆盖面积可达3万多km2。这种展示宏观景象的图像，对地球资源和环境分析极为重要。2.2 获取信息的速度快，周期短。 由于卫星围绕地球运转，从而能及时获取所经地区的各种自然现象的最新资料，以便更新原有资料，或根据新旧资料变化进行动态监测，这是人工实地测量和航空摄影 测量无法比拟的。例如，陆地卫星4、5，每16天可覆盖地球一遍，NOAA气象卫星每天能收到两次图像。Meteosa

27、t每30分钟获得同一地区的图像。2.3 获取信息受条件限制少。 在地球上有很多地方，自然条件极为恶劣，人类难以到达，如沙漠、沼泽、高山峻岭等。采用不受地面条件限制的遥感技术，特别是航天遥感可方便及时地获取各种宝贵资料。2.4 获取信息的手段多，信息量大。 根据不同的任务，遥感技术可选用不同波段和遥感仪器来获取信息。例如可采用可见光探测物体，也可采用紫外线，红外线和微波探测物体。利用不同波段对物体不同 的穿透性，还可获取地物内部信息。例如，地面深层、水的下层，冰层下的水体，沙漠下面的地物特性等，微波波段还可以全天候的工作。3. 遥感技术的实际应用 3.1 遥感技术在地质灾害中的应用 遥感技术应用

28、于大面积的地质灾害调查, 可达到及时、详细、准确且经济的目的。在不同地质地貌背景下能监测出地质灾害隐患区段, 还能对突发性地质灾害进行实时或准实时的灾情调查、动态监测和损失评估。为此，我国设立了专门的“地质灾害遥感综合调查”课题, 经过近 20年的实践,已摸索了一套较为合理、有效的滑坡、泥石流等地质灾害遥感调查方法。在“5.12”汶川大地震的后续救援工作中，遥感技术就发挥了突出作 用，第一时间提供了地质地貌变化情况，为政府作出正确决策提供了依据。3.2 遥感技术在生态环境中的应用 伴随着社会的进步和发展，气候变化、环境污染成为了人类世界所面临的发展瓶颈。遥感技术应用于宏观生态环境要素的监测,具

29、有视野广阔、获取的信息量多、效率高、适应性强、可用于动态监测等众多优点,同时其技术方法成熟。为此,采用卫星遥感这一面向全球的先进技术,是环境科学研究的必要途径,它不仅可以为 我们提供大面积、全天时、全天候的环境监测手段,更重要的是能够为我们提供常规环境监测手段难以获得的全球性的环境遥感数据,这些数据将成为我们进行环境 监测、预报和科学研究不可缺少的基础。遥感技术应用于环境监测上既可宏观观测空气、土壤、植被和水质状况,为环境保护提供决策依据,也可实 时快速跟踪和监测突发环境污染事件的发生、发展,及时制定处理措施,减少污染造成的损失。其从空中对地表环境进行大面积同步连续监测,突破了以往从地面研 究环境的局限性。如赤潮遥感监测。1995年至1997年国家海洋局第二海洋研究所开展了“海洋水产养殖区赤潮监测及其短期预报试验研究” ,该项目成功地监测和预报了1997年11月发生在广东沿海和1997年7月发生在浙江的赤潮。开创了国内赤潮卫星遥感实时监测和预测的先河。3.3 遥感技术在农业气象灾害中的应用 目前我国农业生产基础设施薄弱,抗灾能力差, 对气象环境的依赖性很大。农业气象灾害对国民经济,特别是农业生产造成了极为不利的影响。利用遥感技术，可以绘制更加清晰、形象