《教學建議》 藉由章首中由外太空回望地球的照片切入，讓學生欣賞並說出他所見的照片中的地球有何感觸或發現，進而帶出地球獨有的大氣組成和液態水這樣的現象。 《教材內容》 第一位登上月球的太空人在踏上月球的那一刻說道：「這是我的一小步，卻是人類的一大步」。當人類踏出這一大步，也體認到地球的與眾不同：「地球是一個充滿生機，氣象萬千的美麗星球！」從此開啟人類一個新的視野，由其它星球或太空來觀看地球。

2-1 從太空看地球 太陽系 九大行星與衛星 小行星與彗星 科伊伯帶與歐特雲帶 孕育生命的地球 液態水得以存在的條件 保護地球的大氣層 地球磁層 《教材內容》 第一位登上月球的太空人在踏上月球的那一刻說道：「這是我的一小步，卻是人類的一大步」。當人類踏出這一大步，也體認到地球的與眾不同：「地球是一個充滿生機，氣象萬千的美麗星球！」從此開啟人類一個新的視野，由其它星球或太空來觀看地球。 當我們的視野由地球拉高、拉遠，直到看到整個太陽系時，可以發現太陽系包括太陽、九大行星、衛星、小行星、彗星及行星際的塵埃、氣體等。 圖2-1 章首圖

九大行星與衛星 類地行星： 類木行星: 冥王星: 水星、金星、地球、火星 距離太陽較近，體積小、密度高，含金屬元素的比例亦高，具有固態的岩石外殼 類木行星: 木星、土星、天王星、海王星 距離太陽較遠，體積較大，密度小，主要是由氣體構成，而沒有固態外殼 冥王星: 距離太陽最遠 沒有濃厚的大氣層，卻有固態的表面，既不像類木行星，也不像類地行星 《教材內容》 除太陽以外，行星是太陽系的主要角色，從太陽向外依序是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天文星、海王星及冥王星。 太陽系內圍區域的水星、金星、地球、火星，它們的體積小、密度高，含金屬元素的比例亦高，具有固態的岩石外殼，稱為類地行星。離太陽較遠的木星、土星、天文星、海王星，它們的體積較大，密度小，主要是由氣體構成，而沒有固態外殼，則稱為類木行星。至於最外面的冥王星，它沒有濃厚的大氣層，卻有固態的表面，既不像類木行星，也不像類地行星。

小行星與彗星 小行星 彗星 太陽系還有許多小天體散布於火星與木星軌道之間，稱為小行星帶 主要受到木星的重力影響，而無法聚集成一顆較大的行星 俗稱掃帚星，是由塵埃及細小的岩石顆粒混雜著水、甲烷及氨等所構成 當彗星靠近太陽時，受陽光照射，使得易揮發物質氣化成為籠罩星核的彗髮。彗髮受到太陽輻射與太陽風的吹拂，形成彗尾 當彗星遠離太陽，溫度過低成為冰凍天體 《教材內容》 太陽系還有許多小天體散布於火星與木星軌道之間，稱為小行星帶。它們主要受到木星的重力影響，而無法聚集成一顆較大的行星。 另外，天空中有時會出現一種有尾巴的彗星，俗稱掃帚星，是由塵埃及細小的岩石顆粒混雜著水、甲烷及氨等所構成。當彗星靠近太陽時，受到陽光照射，使得易揮發物質氣化成為籠罩星核的彗髮。彗髮受到太陽輻射與太陽風〈見下文〉的吹拂，形成彗尾。具有長尾巴的彗星常引起全球矚目，成為新聞媒體爭相報導的天象奇景，像哈雷彗星就是其中最著名的彗星。當彗星遠離太陽時，溫度過低成為冰凍的天體。 在海王星軌道之外，有許多冰凍天體，稱為科伊伯帶，被認為是短週期彗星的來源。還有許多彗星來自太陽系最邊緣的地帶，距離太陽約三萬至數十萬天文單位的廣闊球殼區域，稱為歐特雲帶〈圖2-2〉。 由上可知，縱覽太陽系，一顆絢麗多彩的球體，藏身於眾星球之間，那就是我們居住的美麗行星─地球，也就是我們人類「甜美的家」。然而太陽系也不過是更廣大的銀河系的一個小部分，而廣闊浩瀚，看不到邊界的宇宙又有著數不清的星系，在遙望宇宙星空之前，讓我們先看看地球獨特性。

科伊伯帶與歐特雲帶 科伊伯帶 在海王星軌道之外，有許多冰凍天體，稱為科伊伯帶 被認為是短週期彗星的來源 歐特雲帶 許多彗星來自太陽系最邊緣的地帶，距離太陽約三萬至數十萬天文單位的廣闊球殼區域，稱為歐特雲帶 《教材內容》 在海王星軌道之外，有許多冰凍天體，稱為柯伊伯帶，被認為是短週期彗星的來源。還有許多彗星來自太陽系最邊緣的地帶，距離太陽約三萬至數十萬天文單位的廣闊球殼區域，稱為歐特雲帶〈圖2-2〉。 由上可知，縱覽太陽系，一顆絢麗多彩的球體，藏身於眾星球之間，那就是我們居住的美麗行星─地球，也就是我們人類「甜美的家」。然而太陽系也不過是更廣大的銀河系的一個小部分，而廣闊浩瀚，看不到邊界的宇宙又有著數不清的星系，在遙望宇宙星空之前，讓我們先看看地球獨特性。 圖2-2 延伸閱讀

液態水得以存在的條件 軌道距離適中 適量溫室效應與大氣、海洋運動調節地表熱量的分布 水星質量小，太靠近太陽，早已沒有大氣 金星濃厚且熾熱的大氣，溫室效應極強 火星距離太陽遠，溫度低，大氣稀薄 適量溫室效應與大氣、海洋運動調節地表熱量的分布 《教材內容》 太陽系內的所有天體皆繞太陽運行，顯示它們都由同一星雲所形成。為什麼目前只有地球上有生命？科學家認為在太陽系中，只有地球的環境最適合生命的發生與發展，因為地球與太陽的距離不遠不近，接受到適量的太陽輻射，保持大量的液態水適合生命發展。 同為類地行星的火星、水星、金星的環境並不適合生命發生與發展。最接近太陽的水星因為質量小，又太靠近太陽，溫度太高，大氣容易散失，早已沒有大氣，所以不適合生命的發生。金星也比地球更靠近太陽，接收的太陽輻射約是地球的兩倍，水與二氧化碳容易蒸發散入大氣層，形成溫室效應，使得大氣溫度升高，則又蒸發更多的水與二氧化碳，再增強溫室效應，如此惡性循環下，形成今日金星濃厚且熾熱的大氣，也不利於生命發生。火星距離太陽比地球還遠，溫度低，大氣稀薄，不到地球的百分之一，環境亦不適合生命發展。 月球表面沒有空氣，沒有液態水，一片荒漠，即使與太陽的距離跟地球差不多，也無生命。 而地球大氣層有著適量的溫室氣體，有著活潑的大氣運動和海洋環流，適時調節地表熱量的分布。地球表面不太熱，也不太冷，平均溫度大約是攝氏15度，正好讓液態的水得以存在。

保護地球的大氣層 氧氣與臭氧層 太陽系的九顆大行星中也只有地球的大氣層含有大量的氧氣，是今日地球表面億萬生物所不可或缺的 大氣中氧氣含量增多後，又產生了臭氧，臭氧層過濾陽光中的紫外線，減少紫外線對生物的危害 大氣層減少隕石直接撞擊地表的機率 《教材內容》 太陽系的九顆行星中也只有地球的大氣層含有大量的氧氣，是今日地球表面億萬生物所不可或缺的。然而，地球剛形成時，大氣層中幾乎沒有氧氣，經過一段漫長時間才由地球上最早的生物藍綠菌慢慢製造出來。氧氣充滿大氣層之後，又產生了臭氧，臭氧在大氣層中形成另一個保護層，過濾陽光中的紫外線，減少紫外線對生物的危害。大氣層又如同防護地球的「金鐘罩」，當太空的彗星、隕石以高速闖入時，和大氣摩擦生熱，大部分的「入侵者」在大氣中就燃燒殆盡，不致墜落到地面，而造成太大的傷害。

地球磁層 地球磁場與太陽風的交互作用形成地球磁層 地球磁層使得太陽風和宇宙射線這樣的高能帶電粒子幾乎不能到達地球表面 高能帶電粒子順著磁力線溢入地球極區上空，激發大氣高層的氣體，產生美麗的極光 范艾倫輻射帶 高能帶電粒子闖入地球磁層，被地球磁層捕獲，形成包圍地球外圍的強輻射帶 范艾倫輻射帶含有高能量的輻射粒子，可能會對太空船等產生危害 《教材內容》 廣闊的太陽系中，除了各種星體之外，還充滿著來自太陽的帶電荷高能粒子－太陽風，以及來自外太空的宇宙射線。對於這些肉眼難見，卻又時時入侵的天外訪客，地球也有一套防護機制，那就是地球磁層。 地球的內部就像磁鐵般在地球外圍形成大致對稱的地球磁場（圖2-3）。然而，地球磁場在與太陽風的交互作用下形成地球磁層，磁層的形狀在太陽風的吹襲下，面向太陽的一側形成弓狀，另一側則被拉長（圖2-3）。由於地球磁層的存在，使得太陽風和宇宙射線這樣的高能帶電粒子幾乎不能到達地球表面，從而保護了地球表面的生物。如果這些高能帶電粒子順著磁力線溢入地球極區上空，激發大氣高層的氣體，就會產生美麗的極光（圖2-4）。 當高能帶電粒子闖入地球磁層，有些會被地球磁層捕獲，形成一個包圍地球外圍的強輻射帶（圖2-3），這個輻射帶由范艾倫（James A. Van Allen，1914〜，美國）所帶領的團隊於1958年所發現，就被稱之為范艾倫輻射帶。因為這個范艾倫輻射帶含有高能量的輻射粒子，可能會對太空船等產生危害，人類進行太空探測活動時要特別小心防範。 圖2-3 圖2-4

2-2 從地球看星空 認識星空：天球和星座 恆星的亮度與顏色 視星等與絕對星等 恆星顏色與表面溫度 恆星的視運動 周日運動 周年運動 宇宙 星系、星雲、星團 銀河系 動畫：恆星視運動 《短片內容》 星座盤(1分10秒) 公共電視自然公園宇宙的奧秘影片剪輯 《教學建議》 本章有一使用星座盤的活動，建議老師可以讓學生由認識星座盤開始，認識星座、進而旋轉星座盤認識星座的運動。 在認識與使用星座盤前，可以請同學說出自己所認識的星座，順道帶出八十八個星座的分野。 結束星座盤的操作活動，在回頭利用課本的圖2-5和圖2-6講述地球所見的星座不過是在天球上的投影，此時已經由平面的運動轉為立體空間的轉動，不過皆以觀測者以地球為出發點所見的運動。 要解釋星等或星色概念前，先請同學觀察並說出照片的發現〈也可以看圖2-9〉，教師可以歸納出有些星點看起來大（亮），有些星點小（暗）；有些顏色白，有些顏色紅；還有不均勻分布等現象，再推究現象的成因。並配合圖2-8 使學生了解視星等和絕對星等的差別。

認識星空：天球和星座 天球 以仰望的位置為中心點，天空看起來像是個巨大的圓球，群星好像鑲嵌在這圓球上，每一個星星似乎都距離我們一樣遠，這個假想的圓球狀天空，就稱為天球 星座 自古以來不同民族發揮想像力將天上群星劃分出許多區域並賦予名稱 國際天文聯合會統一星座的名稱和範圍，全天共分為88個星座 每一個星座內的星星雖然屬於同一個星座，各個成員卻分散在宇宙中不同的部位，和地球之間的距離差異頗大 《短片內容》 天球(0分57秒) 公共電視自然公園宇宙的奧秘影片剪輯 星座(0分59秒) 公共電視自然公園宇宙的奧秘影片剪輯 《教材內容》 晴朗無月的夜晚，在無光害的郊區仰望天空，可以看到滿天亮暗不同的星星構成一幅璀璨的星圖。以仰望的位置為中心點，天空看起來像是個巨大的圓球，群星好像鑲嵌在這圓球上，每一個星星似乎都距離我們一樣遠，只不過明暗不同而已。這個假想的圓球狀天空，就稱為天球（圖2-5）。 天上的繁星如恆河沙數，密密麻麻，數量眾多，廣佈天際，要一顆顆辨識恐怕有困難，因此，自古以來，不同的民族發揮其想像力，將天上的群星劃分出許多區域並賦予名稱，就是所謂的星座。舉例而言，西方人稱的「獵戶星座」（圖2-6），相當於中國人的「參宿」；而西方的「天蝎」星座，則包含了中國人所稱的「商宿」。 西方的星座大多以神話故事中的人物、動物或是器具名稱來命名，國際天文聯合會在1930年為了統一這些劃分和名稱，訂定了八十八個星座和名稱，為國際所通用。 事實上，每一個星座內的星星雖然屬於同一個星座，各個成員卻分散在宇宙中不同的部位，和地球之間的距離差異頗大，這是因為投影在天球面的時候，這些星星恰巧出現在視線上的同一方向而已。換句話說，在視覺上看成群聚在同一星座的星星，實際上並沒有真正聚集在宇宙的某個角落，更不意味著它們有任何起源和演化上關係，以北斗七星為例，這七顆星星離地球遠近不一，只是由地球看去，它們在天球上的投影恰巧形成一個斗杓形狀（圖2-7）。 圖2-5 圖2-6 圖2-7 小百科

視星等與絕對星等 亮度與視星等(星等) 光度與絕對星等 愈亮的星星等級愈小 一等星與六等星差五個星等，亮度差為一百倍 恆星亮度和光度成正比、距離平方成反比 光度與絕對星等 把每個星星的位置都修正到距離地球32.6光年的位置上來比較，在這樣的距離上所得到的星等就稱為絕對星等 太陽視星等為－26.7等，絕對星等為＋4.78等 《教材內容》 希臘天文學家希巴卡斯（Hipparchus，190〜120BC，希臘）把他肉眼所見的一千多顆星分成六等，最亮定為一等星，次亮的定為二等星，肉眼幾乎無法辨識的則定為六等星。愈亮的星星等級愈小，愈暗的星星等級愈大。 經由近代精確的測量可知一等星的亮度是六等星亮度的一百倍。現代人以希巴卡斯所定的一等星做為基準，發現還有星星更亮，只好訂定「零等星」，甚至還有「負等星」。 看起來比較亮的星星可能是因為它本來的發光強度就比較大，但也可能它離地球的距離比較近，看起來就比較亮。因此，以觀測所見亮度所定出來的星等也就稱為視星等，簡稱星等。 要真正比較星體的發光強度，就需要修正距離所造成的假象，天文學家把每個星星的位置都修正到距離地球一樣的位置（32.6光年）上來比較，在這樣的距離上所得到的星等就稱為絕對星等（圖2-8）。如果我們知道一顆恆星與地球的距離，根據它的視星等就可以推算出絕對星等來。 以我們最熟悉的太陽為例，太陽的視星等是－26.7等，但是絕對星等卻只有＋4.78等，因此在地球上的我們認為太陽無比燦爛，但是在宇宙之中，太陽並不算是一顆很亮的恆星。 圖2-8

恆星顏色與表面溫度 恆星顏色也有多彩的變化，像天狼星呈藍白色，獵戶座肩上的參宿四則泛紅，這是因為星球表面溫度高低的不同 恆星是發光體，星光顏色代表了星球的表面溫度，藍白色的星體溫度最高，紅色的星體溫度最低，而太陽的表面溫度介於中間，看起來偏黃色 《教材內容》 恆星不僅亮度有明顯的差異，就連顏色也有多彩的變化，像天狼星呈藍白色，獵戶座肩上的參宿四則泛紅（圖2-9）。 這是因為星球表面溫度高低的不同，就像在爐火中鍛燒的鐵塊，溫度低時並不發光，溫度較高時則呈現暗紅色，溫度更高後轉為橙紅，再來金黃，到了「爐火純青」的時候火焰就顯現炙熱的藍白顏色。 星球既然是發光體，星光顏色也就代表了星球的表面溫度，藍白色的星體溫度最高，紅色的星體溫度最低，而太陽的表面溫度介於中間，看起來偏黃色（圖2-10）。 圖2-9 圖2-10

周日運動 日月星辰每天都由東方升起、西方落下，這種星空每日的規律運行稱為周日運動 天體本身並沒有每天繞地球轉一圈，而是地球由西向東繞軸自轉，每天自轉一圈 北極星非常接近地球自轉軸與天球的交點，因此沒有東昇西落的現象 自地平線到北極星的仰角也大約等於觀測者所在地的緯度，而不同緯度的觀測者所能見到的星空也不相同 《教材內容》 星星在天球上的投影，因地球的自轉與公轉而時時遷移。 太陽、月亮、星星每天都是由東方升起、西方落下，這種星空每日的規律運行稱為「周日運動」（圖2-11）。其實，天體本身並沒有每天繞地球轉一圈，而是地球本身由西向東繞軸自轉，每天自轉一圈。 將攝影機面向天空，經過長時間曝光所累積的恆星移動軌跡可以發現這些恆星都繞著同一個中心點作規律性的運動，這個中心點是地球自轉軸與天球的交點，北極星非常接近這個交點，它和鄰近的星座不會隨著周日運動大幅度移動，因此在北半球各地看北極星，沒有東昇西落的現象。而且自地平線到北極星的仰角也大約等於觀測者所在地的緯度，而不同緯度的觀測者所能見到的星空也不相同（圖2-12）。 圖2-11 圖2-12

周年運動 天上的星除了因地球自轉造成的移動外，各個季節也會出現不同的星群。以一年為週期，週而復始，稱為周年運動 由於地球的自轉與繞太陽的公轉同時進行，地球以太陽為參考點自轉一周的周日運動過程，實際上會比轉三百六十度還要多轉一度，而這個時間大約需要四分鐘，使同一顆星每天升起的時間提早四分鐘左右 地球每年繞太陽公轉一圈，相對應看到太陽每個月會經過一個黃道星座 《教材內容》 天上的星除了因地球自轉造成的移動外，各個季節也會出現不同的星群。以一年為週期，週而復始，稱為「周年運動」，舉例而言：遠在數千年前，中國古代或古希臘都注意到獵戶星座（參宿）出現在北半球的冬天，而到了夏天則換成天蝎星座（商宿）。「參宿」與「商宿」一個是冬季星座，另一個是夏季星座，永遠不會同時出現，這是因為地球公轉的關係，使得我們看到的星座因季節不同而異，難怪詩人杜甫會以「人生不相見，動如參與商」來形容人與人多年暌違不遇的景況。 由於地球的自轉與繞太陽的公轉同時進行，地球以太陽為參考點自轉一周的周日運動過程，實際上會比轉三百六十度還要多轉一度，而這個時間大約需要四分鐘，這個效應使同一顆星每天升起的時間提早四分鐘左右（圖2-13）。所以世界各地的觀測者看到的星空隨著不同地理位置，在不同的季節，即使在相同的時刻觀測星空，天空出現的星座都不相同。 地球每年繞太陽公轉一圈，相對應看到太陽每個月經過一個星座，太陽每年繞行一圈的路徑共分為十二個星座，稱為黃道十二星座（圖2-14）。 圖2-13 圖2-14

星系、星雲、星團 星系─ 由恆星、星團、星際雲氣、塵埃組成的大 集團；是構成宇宙的基本單位 星系團─ 宇宙中發光物質的分布不甚均勻，有成群 聚集的現象，形成星系團 《短片內容》 宇宙的結構(1分15秒) 公共電視自然公園宇宙的奧秘影片剪輯 《教材內容》 圖2-15是透過哈伯太空望遠鏡總曝光時間超過三天累積250幅影像所攝得的。這幅宇宙深空影像呈現的只是一小部分疊合著不同時空背景的宇宙圖案。影像中除了有銀河系內的恆星和仙女座大星系外圍的恆星外，也呈現出距離地球數百萬光年，甚至到數十億光年遠的星系。 在廣達一百多億光年範圍內的浩瀚宇宙中，充滿了無數的星系。這些星系是由恆星、星團、星際雲氣、塵埃等組成的大集團。星系有大有小，平均約有百億顆恆星，是構成宇宙的基本單位。由目前可觀察到的星系分布來看，宇宙中發光物質的分布不甚均勻，有成群聚集的現象，形成星系團。 圖2-15

銀河系 銀河系是直徑達十萬光年的螺旋狀星系，大致可分為銀河盤面、中央核球、銀暈三部分。銀河系的主要成員除了恆星之外，還有星雲及星團 太陽系位於獵戶座旋臂上 銀河系中恆星分布並不均勻 疏散星團分布在銀河盤面附近，球狀星團結構分布在銀暈範圍內 位於銀河盤面的星際雲氣和塵埃所組成的瀰漫天體叫做星雲，沒有一定形狀、大小 《教材內容》 銀河系的其他星球延綿成一條銀白的光帶，好像天上一條波光閃閃的河流，我國自古稱之為「天河」或「銀河」，西方人則稱之為「牛奶大道」(Milky Way)，在夏夜星空中，橫亙於人馬、天鵝星座之間光帶是銀河中最寬廣的一段（圖2-16）。 銀河系是個直徑達十萬光年的螺旋狀星系，大致可分為三部分：銀河盤面、中央核球、銀暈。銀河系的主要成員除了恆星之外，還有星雲及星團，分述如下：太陽系位於獵戶座旋臂上，距銀河中心大約二萬八千光年。銀河系中恆星分布並不均勻，從橫斷面看（圖2-17），在銀河系的中心核球區域的恆星尤其密集，而在銀河盤面外，恆星的數量則愈少。 有些恆星會受到彼此之間重利的影響而聚集成團，星團是由超過10個以上且較集中的恆星成員所組成的集團，星團依照成員的多寡、結構鬆緊和空間分布，可分為疏散星團和球狀星團兩類。疏散星團的結構比較鬆散（圖2-18），球狀星團的結構緊密呈球形，中心部分比邊緣更為密集（圖2-19）。疏散星團多分布在銀河盤面附近，年紀較輕；球狀星團多分布在銀暈範圍內，年紀較老。 銀河盤面包含有銀河系中絕大部分的星際塵埃與氣體，這些由星際塵埃和氣體所組成的瀰漫天體叫做星雲。星雲沒有一定的形狀、大小（圖2-20）。 圖2-16 圖2-17 圖2-18 圖2-19 圖2-20 小百科 延伸閱讀