AND 大气环境

宇宙与地球的起源 世界是怎样开始，我们的地球以及整个太阳系是从哪里来的？千百年来，对上述问题的回答，人们臆想出来了无数神话。直到十六世纪初，欧洲学者哥白尼（N.Copernicus, 1473-1543）的《天体运行论》问世，人类才开始了科学的认识。1609年伽利略（图1-4）发明第一台望远镜，使人类的空间探测技术有了一个飞跃。自此以后，人类对宇宙的新发现层出不穷，了解越来越多。     20世纪初，天文学家斯里弗尔（V.M.Slipher, 1875-1969）和哈勃(E.P.Hubble, 1889-1953)研究发现我们周围的星系正在以每秒数十万米的高速四散离开，说明我们已知的宇宙正在膨胀。

1927年比利时天文学家勒梅特提出了“大爆炸”的宇宙起源假说，他设想组成现在这个宇宙的全部物质，当初都集中在一个“原始原子”(或称宇宙蛋)里，异常紧密，温度约为1032K。原始原子迅速膨胀（大爆炸），逐渐扩展成为我们的宇宙。以后的追随者们不断的新发现和理论研究都为“大爆炸”的假说提供了支持佐证。 现今，对宇宙起源比较流行的看法是：宇宙是无边无际，无始无终的。 但作为自然科学研究的具体对象，宇宙是一个有限的存在。这个宇宙产生于约150亿年前的大爆炸；气体与宇宙尘埃组成的星云（图1-5）逐渐形成太阳系；地球是太阳系的一员，有共同的起源，地球已形成46亿年；生命在38亿年前出现，到6亿年前才兴旺起来，人类约在300万年前出现。

地球是人类唯一的家园 从古至今，人类对天上充满了神秘美好的幻想。直至近代空间探测技术的形成，人类对太阳系了解得越来越多以后，才充分认识到地球的特点和价值：地球是人类的唯一家园。 宇宙中或许存在着能够在与地球迥异环境中生存的生物，但是人类不能。在太阳系中，除了地球以外，没有别的星球可供人类安居（表1-2）。 在地球上，全人类共有着蓝天、空气、海洋……。地球上出现今天这样适应人类生存的环境，是它演化到一定阶段的产物。地球是一个不断演化的整体，关爱与保护地球，就是关爱和保护人类自身的生存与持续发展。

表1-2 九大行星的主要特征 地球 水星 金星 火星 木星 土星 天王星 海王星 冥王星 可耕地 有 以熔岩为主的表面无土壤 氮、氧 氦、钠 　 　 　   地球 水星 金星 火星 木星 土星 天王星 海王星 冥王星 可耕地 有 以熔岩为主的表面无土壤 表面为冻结的气体或液体无土壤 ？ 大气主要成分 氮、氧 氦、钠 二氧化碳 氢、氦 氢（97%） 平均温度/℃ 15 179 482 -63 -121（云） -125（云） -200 -210 与太阳的距 离/天文单位 1 0.3871 0.7233 1.5237 5.2028 9.5388 19.1914 30.0611 39.5294 水资源拥有量 无液态水 固态水 无

从托勒密到哥白尼 早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了"地心说"，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。 早在两千多年前，古希腊天文学家阿里斯塔克就已提出了朴素的"日心说"。他指出，太阳位于宇宙中心静止不动，地球则绕着太阳运动，同时又绕轴自转。可惜由于科学水平的限制，这一天才的思想未能为人们所认识。直到中世纪末，由于用托勒密地心体系推算出来的行星位置与实际天象的观测结果不符，人们才开始怀疑地心说的正确性。1543年，波兰天文学家哥白尼在他的不朽名著《天体运行论》中系统地提出了日心说。在他阐释的日心体系中，太阳居于宇宙的中心，地球和其他行星沿着圆形轨道绕太阳运行。这样一来，托勒密地心体系中需要用极为复杂的运动图象来解释行星运动天象的烦琐的工作一下子变得十分简单。后来，德国天文学家开普勒指出，行星绕太阳运动的轨道应该是椭圆而不是圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。这一重大发展使得观测结果完全可以用理论来加以解释和预报，日心说的地位进一步得以巩固。

  按照日心学说，就地球上的人来看，天上恒星的位置应随着地球绕太阳运动而发生变化。在哥白尼提出日心说后的近300年中，人们进行了大量的观测，企图证明这一点，可是始终没有成功。原来，恒星离开地球十分遥远，最近的一颗也远达43万亿千米。因此，地球围绕太阳运行造成的这颗恒星的位置变化只有12.5。恒星越远，这一变化也越小，当时的观测仪器是无法探测到的。直到1838年，德国天文学家白塞尔才首次利用三角方法测出一颗名为天鹅61的恒星的位置变化，并推算出它的距离为11.2光年，从而最终证实了哥白尼的日心地动学说。地球的地位从居宇宙之中的特殊天体降为绕太阳运动的一颗普通行星。

     1608年，荷兰人李波尔赛在一次偶然的机会中发明了望远镜。翌年，意大利物理学家、天文学家伽里略在得知这一消息后，立刻亲自动手制作了第一架天文望远镜，并不断加以改进。伽里略利用他的望远镜发现了月球表面的环形山、金星月相、木星的卫星、太阳黑子，发现了茫茫银河由无数个恒星所组成。 早在15世纪中叶，德国大主教尼古拉就已猜测黑夜天穹中的恒星都是一个个十分遥远的太阳。1584年，意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的，恒星都是遥远的太阳，太阳只是无数个恒星中的普通一员。1750年，英国天文学家赖特指出，银河和所有观测到的恒星构成一个巨大的扁平状天体系统，由于太阳连同地球位于这一系统的内部，从不同方向观测才看到了银河和离散分布的点点繁星。1785年，英籍德国天文学家威廉·赫歇尔利用他自制的当时世界上最大的46厘米望远镜，通过长期的实际观测，并经过精心的分析研究，建立了第一个银河系模型。在这一模型中，太阳仍然位于当时人们所认识的宇宙范围——银河系的中心。由于赫歇尔个人在当时的威望，这一观念一直维持了130余年之久。

恒星这一名称，无论在中国还是在西欧，它的含义都是"恒定不动的星体"。因为在很长时间内人们都发现恒星间现对位置固定不动，故而取了这么个名字。1718年，英国天文学家哈雷通过观测和分析，首次指出恒星不动的概念是错误的。后来，赫歇尔正确地认识到，我们所观测到的恒星运动是由恒星自身的运动和太阳的空间运动两部分合成的结果。1783年，他通过对所观测到的大量恒星运动的统计分析，发现太阳以大约每秒20千米的速度朝着织女星方向运动。太阳空间运动的发现彻底动摇了哥白尼日心体系中太阳固定不动的观念。 1917年，美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析，确认太阳并不位于银河系的中心，而是处于相对说来比较靠近银河系边缘的地方，从而纠正了赫歇尔银河系模型的错误。这样，太阳的地位也发生了变化，从居于银河系中心的特殊恒星，降为银河系中一颗毫无特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更无特殊性可言了。

早在赫歇尔尝试确定银河系结构之前，人们就已观测到天空中除恒星外还存在着一些暗弱而又模糊的云雾状天体，取名为"星云"。比如，1612年德国天文学家马里乌斯率先用望远镜发现了仙女大星云。1750年赖特天才地猜想，这类星云中有一些可能是同银河系相似的巨大恒星系统。1755年德国人康德首次明确提出在银河系外的宇宙空间中存在着无数个类似的天体系统，称为河外星系，或简称星系，甚至确指仙女大星云即是一个很好的例子。可是当时人们对星云的精细结构缺乏了解，更不知道它们的距离，无从妄下断语。   尽管在赫歇尔时代之后，观测手段不断改进，物理学研究方法不断介入天文学，但直到20世纪初，关于星云的本质仍然没有明确的定论。在1920年4月美国科学院以"宇宙的尺度"为题的辩论会上，以柯蒂斯为首的一方认为一部分星云实际上是河外星系，而以沙普利为代表的一方坚持反对的立场，这就是天文学发展史上颇为有名的"沙普利——柯蒂斯之争"。争论双方对立的观点相持不下，胜负难决，问题的关键在于准确测定星云的距离。

天文学家始终为测定不同天体的距离而进行不懈的努力。除了三角测量方法外，又发展了由光度测量确定天体距离的各种办法，其中之一就是利用一种有特殊光度变化特性的变星——造父变星。原来，造父变星光度的变化十分有规则，而且光度越大光变周期也越长。因此，只要测出造父变星的光变周期，就可以推算出它的实际光度，再把实际光度与观测到的亮度进行比较，就可以推算出它的距离来了。这种推算相当准确，因而造父变星有"量天尺"之称。20世纪初，美国威尔逊山天文台建成了当时世界上最大口径的2.5米天文望远镜。1923年10月6日，美国天文学家哈勃利用这台望远镜拍摄了仙女星云的照片，照片上星云的外缘已被分解成一颗颗恒星。哈勃从中发现了多颗这类变星。利用这些造父变星，哈勃推算出仙女星云的距离为225万光年，远远超出银河系范围。河外星系的存在最终得以确认，仙女星云应该更名为仙女星系，一场旷日持久的科学争辩终于有了结论。      赫歇尔的工作把人们的视野扩大到银河系，而哈勃的发现又进一步把人们从恒星世界带入星系世界，人类对宇宙的认识又大大地跨进了一步。我们的地球在宇宙之中毫无特殊之处可言，地球不是上帝刻意安排的，人类自然也不是上帝创造的。不过，就是在这样一颗行星上，人类演出了光辉灿烂的文明史，并最终正确地认识了宇宙的概貌。

太 阳 光 北半球昼长夜短，北极圈内极昼 太阳直射北回归线 赤道 昼夜相等 南半球昼短夜长，南极圈内极夜 太阳直射点的回归运动及其影响 66°34´N 太 阳 光 23°26´N 23°26´S 赤道 昼夜相等 66°34´S 南半球昼短夜长，南极圈内极夜

66°34´N 太 阳 光 23°26´N 23°26´S 66°34´S

太阳直射赤道 66°34´N 太 阳 光 23°26´N 23°26´S 66°34´S 全球昼夜相等

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太 阳 光 北半球昼短夜长，北极圈内极夜 赤道 昼夜相等 太阳直射南回归线 南半球昼长夜短，南极圈内极昼 66°34´N 23°26´N 23°26´S 66°34´S 太阳直射南回归线 南半球昼长夜短，南极圈内极昼

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大气环境的重点内容 １、大气的组成和垂直分层 ２、大气的热状况 ３、大气的运动 ４、全球性大气环流 5 、常见的大气系统 １、大气的组成和垂直分层 　　     ２、大气的热状况     ３、大气的运动 　　    ４、全球性大气环流 　　    5 、常见的大气系统 　　    6 、气候的形成和变化 7 、气候资源 　 8 、气象灾害及其防御                 9 、大气环境保护 （大气的垂直分层及各层主要特点 ）

气温随高度增加而递减（高度每上升100米温度下降0.6摄氏度） 层次名称 高度 气温随高度变化规律 特点 对流层 低纬：17-18公里 气温随高度增加而递减（高度每上升100米温度下降0.6摄氏度） １、占有整个大气质量的3/4和几乎全部的水汽 ２、空气对流显著 ３、天气现象复杂多变，与人类关系最为密切 中纬：10-12公里 高纬：8-9公里 平流层 对流层顶到50-55公里 气温随高度增加而迅速上升 １、臭氧吸收太阳紫外线 ２、大气以水平运动为主 ３、天气晴朗，利于高空飞行 中间层 平流层顶到85公里 气温随高度增加迅速降低 高空对流层 热层 中间层顶到300公里 气温随高度增加上升很快 大气处于高度电离状态（电离层） 外层 热层顶到大气上界2000-3000公里 温度变化极小 空气稀溥

大气对太阳辐射的削弱作用 ①大气对太阳副射的吸收作用 大气对太阳辐射的吸收具有选择性，太阳辐射在经过大气层时，热层中的氧原子。平流层中的臭氧可强烈吸收太阳紫外线；对流层中的水汽、二 氧化碳、尘埃等，主要吸收太阳辐射中的红外线。大气对阳辐射中能量最强的可见光吸收很少。

②大气对太阳辐射的反射作用。 　大气中的云层和尘埃可以反射投射在其上的一部 分太阳辐射。云层越厚，云量越多，反射越强。季白天多云时天气不太热，就是这个缘故。反射作用不具有选择性，光色多乳白色。

③大气对太阳辐射的散射作用。 太阳辐射穿过大气层时，一部分辐射以它所遇到的气体分子、水汽分子尘等质点为中心向四面八方散射的现象，叫大气的散射作用。被散射的太阳辐射中，仍有一部分可以到达地面。当空气质点较小时，散射具有选择性，波长较短的可见光容易被散射。当空气质点较大时，散射没有选择性，各种波长的太阳辐射都可以被散射。晴朗的天空呈蔚蓝色，黎明黄昏及阴天时天空仍然明亮，都是因散射作用造成的。