地理科普:带你认识我们的家园-行星地球 1. 地球和她的兄弟姐妹

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我们的家园地球是宇宙中一颗普通的行星,所谓行星,是指本身不会发光发热,围绕会发光发热的恒星运转的天体。地球有个庞大的家族,算上她自己,一共兄弟姐妹八个,八大行星按距离恒星太阳由近及远的顺序依次是, 水星(?)、金星(♀)、地球(⊕)、火星(♂)、木星(?)、土星(?)、天王星(?)、海王星(?) 。

这些兄弟姐妹和地球一样,一边像陀螺似的自转,一边沿同一方向(自西向东)围绕着恒星太阳转圈,也叫公转。

衡量做圆周运动的物体的运动速度有两个指标,线速度和角速度。以地球绕太阳公转为例,线速度是指地球在单位时间(比如1秒、1小时或者1天)内走过的公转轨道的长度,它是一条弯曲的弧线,而非直线,地球公转的线速度约30千米/秒,也就是说,我们乘坐的宇宙飞船地球,1秒钟就在宇宙空间飞行了30千米。地球在单位时间内在公转轨道上走过的那段弧线所对应的角度就是地球公转的角速度,地球绕太阳公转一周是360°,花费的时间是一年(365天),因此地球公转的角速度约1°/天。

可以把八大行星的公转轨道想象成学校操场上平行排列的跑道,只不过行星公转轨道的形状更接近圆形。假若在同一条起跑线上以相同的速度奔跑,跑道内圈的同学跑完一圈,总会比外圈的同学跑完一圈所用的时间更短,看起来就像内圈同学跑步速度更快一样,其实是因为内圈跑道的周长小于外圈。类似的,离太阳越近的行星,因为转的圈圈小,公转速度(角速度)就越快,公转周期也越短。比如,离太阳最近的水星绕太阳转一圈只需要87.9天,而最远的海王星则需要164.8年!

八个兄弟姐妹个头儿和性格都很不相同。

水星离太阳最近,个头儿最小,质量也最轻。她可是个非常任性的小公主,表面温度变化剧烈,心情抑郁时冷漠如冰,温度可以低到-173℃,高兴时却又热情似火,温度高达427℃。

金星个头儿比水星大,比地球略小。他是个性格有点儿矛盾的小家伙儿,非常热情,表面温度是所有兄弟姐妹中最高的,464℃,而且很稳定,不像小妹水星那样忽高忽低。但是,金星又是个慢性子,自传速度是兄弟姐妹中最慢的,要243天才能像陀螺那样转一圈。

在八兄妹中,火星的个性跟地球最像,尤其自转速度24小时37分,非常接近地球的23小时56分。只不过火星的个头儿比地球小,表面温度比地球低很多,-63℃,看来叫火星有点名不副实啊。美国凤凰号火星探测器曾经探测到火星上的云层在下雪,还找到了火星上存在液态水的证据,甚至有人设想,当地球环境不再适合人类居住之后,人类可以移民火星。

木星和土星是太阳系体积最大,自转速度最快的两颗行星,也被称为巨行星。他俩就像家族里的两位大哥哥,亿万年来默默守护着亲爱的家人。由于个头儿巨大而具有强大的引力,这股巨大的力量能够捕获附近的小行星并将其撕成碎片,避免它们撞向地球。如果没有木星的保护,地球遭遇小行星撞击的风险将会大大提高,地球上也许就不会出现生命,更不会有人类,所以我们应该好好感谢木星和土星的无私奉献。

天王星和海王星是离太阳最远的两颗行星,也叫远日行星,由于远离太阳,她们的公转周期很长,表面温度也很低。她们就像家族中两位勇敢无畏、喜爱探险的大姐姐,对宇宙空间充满好奇,一心想要探索太阳系外面的世界。

在火星和木星之间,存在一个小行星带,里面充满大小不同,形态各异的小行星,就像火焰烧过木头形成的细小灰烬。关于小行星带的来源,有科学家认为这里曾有一颗大行星,后来受到其他天体的撞击,被撞碎了,留下一堆如瓦砾般的残骸。

地球还有许多表兄弟,那就是彗星。彗星是由一些气体,液体和固体尘埃组成的混合物,像个脏雪球,其体积质量是不固定的,随距离太阳的远近而发生变化,明亮程度和云雾状的外貌也会随之改变。彗星分为彗核、彗发、彗尾三部分。彗核由冰物质构成,当彗星接近恒星时,彗星物质升华,在冰核周围形成朦胧的彗发和一条稀薄物质流构成的彗尾,有的彗星最外围还有氢原子组成的慧云。彗星也绕着太阳公转,但他们的公转轨道一般是椭圆形的,而且与八大行星的公转轨道不在同一个平面上。例如最著名的哈雷彗星,每隔75或76年出现一次,也是唯一一颗人类能够用肉眼直接看到的短周期彗星。哈雷彗星上次出现是在1986年,地球上的人类想要再次见到它要等到2061年。

地球是太阳系这个大家族中最独特的成员,因为她是人类已知的唯一一颗孕育了生命的行星。

为什么八大行星中只有地球上产生了生命呢?科学家认为,这是很多因素共同作用的结果。首先,地球和太阳保持着适宜的距离,使得地球的表面平均气温保持在15℃左右,既不像金星那样热,也不像火星那样冷;第二,地球本身拥有适宜的自转速度,使得地球表面的昼夜温差比较小,利于生命的生存;第三,地球上有水,且适宜的气温能够使大部分水以液态形式存在,为生命的孕育提供了必要条件。此外,木星等巨大天体对地球的保护也功不可没。

宇宙广阔无垠,至于地球之外的其他行星究竟有没有生命,有待未来的科学家做更多的观测和研究,才能解开谜题。

八大行星参数简表

流浪地球小科普(八)比邻星

我们的周围充满了空气,它没有颜色,没有气味,没有形状,但人类却片刻也离不开空气,就像鱼儿离不开水。这看不见摸不着的空气里究竟有什么呢?

空气的主要成分是氮气(78%)、氧气(21%)、稀有气体(0.94%)、二氧化碳(0.03%),其他杂质(0.03%)。

氮气在常温下是一种很稳定的气体,可以用作保护气,比如充进灯泡里,延长灯丝的使用寿命,充进食品包装袋延长食物的保鲜期。在特殊条件下,氮气也可以和其他物质发生化学反应,比如在化学工业中,氮气是用来制取肥料、硝酸、炸药等产品的重要原料。当温度降到-196℃时,氮气就会变成像水一样可以流动的液体,将液氮倒入加了白糖、蜂蜜的纯牛奶中,牛奶就会迅速变成清凉美味的冰淇淋。

地球上动植物的呼吸作用都离不开空气中的氧气。除了供生命呼吸之外,氧气还能支持燃烧,因为高温条件下的氧气非常活泼,能跟很多物质化合组成新的氧化物。所以灭火的重要原理就是隔绝氧气,阻断燃烧物与空气的接触,泼水、埋土,利用灭火器喷洒干粉、泡沫、二氧化碳等都能起到隔绝空气、扑灭火焰的作用。

空气中的稀有气体主要包括氩、氖、氦、氪、氙等,它们性质很稳定,也叫惰性气体,因此可以用来做金属焊接时的保护气,也可以像氮气一样的充到灯泡中保护灯丝,延长使用寿命。稀有气体通电后能发出不同颜色的光,人们利用它们的这一特点做出漂亮多彩的霓虹灯。氦气的密度比空气小,可以代替可燃的氢气充进气球里,避免氢气球爆炸、燃烧等危险,让儿童玩耍时更加安全。

空气中的二氧化碳也很稳定,它像氮气一样不支持燃烧,不支持动植物的呼吸作用。二氧化碳能够微溶于水,形成碳酸,我们常喝的碳酸饮料,就是在一定压力下,往饮料中充入二氧化碳气体制成的。虽然二氧化碳不支持生命的呼吸作用,但它却是植物进行光合作用的重要原料。光合作用是在太阳光的照射下,绿色植物吸收空气中的二氧化碳,结合根系从土壤中吸收的水分,利用叶绿体制造养料,同时放出氧气的过程。

既然二氧化碳是植物进行光合作用必不可少的原料,那是不是二氧化碳越多越好呢?答案是否定的,因为二氧化碳是一种温室气体,它能够大量吸收太阳光中的红外辐射并防止热量散失到宇宙空间,就像温室大棚一样对地球起保暖作用。大气中的二氧化碳过多,就会造成全球气候变暖。全球变暖是目前人类面临的主要环境问题之一,这一问题的出现主要有两方面原因,一方面,人类通过燃烧煤炭和石油等化石燃料,向大气中释放了大量二氧化碳;另一方面,大量森林被破坏,减少了光合作用对二氧化碳的消耗。全球变暖造成冰川融化,海平面上升,给生活在极地附近的动物和沿海地区的人类带来巨大的威胁。太平洋上的小岛国图瓦卢,因为无法对抗海平面上升带来的威胁,已经举国迁往新西兰。印度洋上的度假胜地马尔代夫,也将在几十年之后消失于海平面之下。人类赖以生存的陆地正在受到海洋的蚕食。

空气中除了这些气体成分之外,还有少量的水汽和固体杂质,它们都是成云致雨的必要条件。

近些年,随着工业的发展,我们身边的空气中多了一些很不被人待见的东西,二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物,这些杂质成分混合着空气中的小水滴,组成灰蒙蒙的雾霾,笼罩在城市上空。混杂着细菌、病毒、有毒气体和粉尘的雾霾,严重影响人们的身心健康,是我们近期面临的主要环境问题之一。这些有害成分主要来自煤炭、石油的燃烧,比如煤炭发电和冬季燃煤取暖的烟气及粉尘,汽车排放的尾气等。日常生活中,我们节约用电,少开车,多走路或者骑自行车,都会为减轻雾霾做一份贡献。

空气的成分是在不断变化的,几十亿年前的地球大气中只有微量的氧气,还有大量的酸性气体,人类根本无法生存。如今,地球演化出适合人类存在的环境,我们一定要好好保护。从人类的视角来看,地球在漫长的地质历史时期,自然环境曾经比现在恶劣得多,但地球本身并没有受到伤害,受伤害的是无数因为无法适应环境巨变而灭绝的生物物种。我们为保护环境而做的所有努力不是为了地球,而是为了我们自己。

“初唐四杰”之一的王勃有一句脍炙人口的诗句——“海内存知己,天涯若比邻”,用来形容比邻星最是贴切不过。

比邻星距离太阳系的距离仅有4.2光年左右,约40万亿公里,尽管它是距离太阳系最近的恒星,但以人类目前的科技水平,从地球到比邻星,也要18000年之久,虽比邻而居,仍存天涯之远。

**《流浪地球》中,人类为了使地球免遭被太阳毁灭的厄运,耗尽各种资源、历尽千辛万苦所奔向的新家园正是比邻星系。那么比邻星系真的是人类的新希望所在吗?

与太阳系只有太阳一颗恒星不同,比邻星系并不是只有比邻星一个老大。严格意义来讲,比邻星系是一个三星系统(如果人类真的迁到了比邻星系,韩国人又可以宣称比称星是韩国的了),是由三颗恒星共同组成的恒星系统,位于半人马座。

比邻星是这个三星系统中的一颗,学名叫做半人马座α星C(其他两颗分别叫半人马座α星A和半人马座α星B)。由于这三颗恒星在不停地相互运转,因此在不同历史时期, “距离地球最近”这顶世界之最的桂冠将由这三颗星轮流佩戴。

比邻星是一颗红矮星,表面温度低、亮度差、颜色偏红,我们用肉眼甚至观察不到。按照天文学上恒星亮度的视星等划分,人类肉眼能够观察到的最暗星等是6(数值越小越亮),而比邻星的视星等为11,可见有多么黯淡。也正是因为如此,比邻星虽然距离太阳系很近,长久以来人们一直都未能发现它的存在,直到高性能的太空望远镜问世后这位邻居才让人得以知晓。

2016年,科学家们发现了比邻星的一颗行星——比邻星b,其大小和地球很接近,质量是地球的1.3倍!比邻星b有一面永远正对它的恒星比邻星,另一面则永远背对比邻星,就像月球总是以同一面朝向地球一样。

人们曾一度猜测比邻星b上有生命存在,不过经过测算之后发现这根本不可能。原因在于这颗星球距离它的主星太过于接近,只有727万公里,它的表面一直在遭受着比邻星的高温和辐射折磨。

而且比邻星作为一颗红矮星,其质量只有太阳的12.5%,状态极不稳定。2017年3月比邻星的一次耀斑爆发,比最强烈的太阳耀斑还要强10倍,比邻星b受到的辐射比地球遭受的高出约4000倍,对生命极为不利。

因此研究人员认为,比邻星b可能曾多次遭受强烈耀斑袭击,即使表面曾有过液态水和大气,也早就被摧毁殆尽,环境不适合生命存在。

由此看来,地球即使逃离了太阳系,到达比邻星系继续生存的情况并不如想象中乐观。

如果比邻星达不到人类的生存条件,那人类究竟将何去何从呢?

科学家们给出了另一个更为理想的选择——天仓五。

天仓五位于鲸鱼座内,它的质量约为太阳的70%-80%,表面几乎没有活动,非常稳定,而这个质量刚好是燃烧比较稳定而且不会发生氦闪的阶段,确实理想中的目的地!美中不足的时它与太阳系的距离稍远,约为12光年。

2017年,BadFly Interactive公司就发布了一款FPS游戏《天仓五:未知起源 TauCeti Unknown Origin》。在游戏中,玩家通过逃生荚逃离他们坠毁的太空船“ESS子午线”,降落在天仓五星系中一个陌生而未知的星球上,通过你对这个星球的探索,你会发现许多美丽和危险的元素。

或许,人类对于新家园的探寻,同样是一个充满美丽与危险的旅程。

完结。

往期文章:

流浪地球小科普(一)流浪的行星

流浪地球小科普(二)红巨星与氦闪

流浪地球小科普(三)宇宙速度

流浪地球小科普(四)人工重力

流浪地球小科普(五)重核聚变

流浪地球小科普(六)引力弹弓

流浪地球小科普(七)洛希极限

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