第一章 地球在宇宙中的位置

望远镜发明之后，人类可以观测到 的恒星数量大大增加，可观测到的 暗星也远远超过了6 等。今天，通 过放在地面的现代大型光学望远镜， 可以观测到25等以上的暗星；而 “哈勃”太空望远镜因为是在地球 大气层之外进行观测，它的可观测 极限星等超过了28等。
实际上，不同恒星到地球的距离，有远有 近，各不相同（当然最近的恒星是太 阳）。假定有两颗亮度本来相同的恒， 一颗离我们远些，一颗离我们近些，那 么在我们看来它们亮度并不相同，而是 一颗暗些，一颗亮些。这一规律遵从光 的“反平方定律”，即“接收到的光强 度与光源到观察者距离的平方成反比”。
恒星的演化 幼年期：引力收缩阶段 青壮年期：主序星阶段 晚年期：红巨星阶段 衰亡期：白矮星、中子星、黑洞阶段
恒星通常是在星际气体中诞生的。在宇宙中， 当星际气体的密度增加到一定程度时，由于 其内部引力的增长大于气体压力的增长，这 团气体云就开始收缩。这样的倾向一开始， 其自身引力使巨量物质的密度普遍增大。巨 大质量的星际物质开始变得不稳定。这些巨 量的星际气体与尘埃坍缩进行得越来越迅猛， 开始分裂形成较小的云团，密度也增大了许 多。这些较小的云团最终将各自成为一颗恒 星。由于星际物质的质量通常非常巨大，通 常在太阳的一万倍以上，所以恒星总是一下 子一大批地降生。
到了19世纪，天文学家们发现，从1 等星 到6 等星之间，亮度相差了大约100 倍。 因为1 到6之间有5 个间隔，而＝2.512 ， 所以，任意两个星等相差1 等的恒星，星 等值高的要比星等值低的暗2.512 倍。从 此之后，给恒星划分星等的工作就建立在 “数字化”的基础之上，比以前精确得多 了。例如，天空中最亮的天狼星，由于它 比肉眼可见最暗的恒星亮100 倍还多，因 此它的星等就被重新确定为－1.4 等，而 不是原先的1 等。
第一章 地球在宇宙中的位置
地球科学概论
1.1 地球与宇宙
宇宙的概念 地球与太阳 地球的卫顿——经典力学——宇宙无限无边 爱因斯坦 ——广义相对论——有限无界的静态宇宙 模型 弗里德曼 ——宇宙不会保持静止状态——哈勃定律 （多普勒效应） ——宇宙在不断膨胀
多普勒效应：
银河系是星系类型中的旋涡星系 一类的典型。它的核心周围是一 个巨大的中央核球，并有缠绕着 它的旋臂。这些弯曲的旋臂使银 河系的外形看上去像是一个庞大 的车轮。旋臂均匀沉陷在银盘中。
银 河 系 图
银盘是银河系的主要组成部分，直径约70000 光年。银核为星际尘埃粒子屏蔽，它们吸收 银核辐射中的可见光和紫外光。但科学家可 以在射电、红外、X射线和γ射线的波段，记 录并研究银核区发出的辐射。特别是红外辐 射和X射线中的强发射，表明存在着高速运动 的电离气体云。现在多认为，这种气体云在 环绕一个大质量天体运转，很可能是一个质 量约为400万个太阳质量的黑洞。科学家已确 认，中央核球的主要成分是一些老年恒星和 老年星团。
原恒星核部上升到不小于7×106K 条件下，核部氢燃烧引起的热核反 就开始启动，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和美国天文学家 罗素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）则形成独立的小群。这种图后来就 称为赫罗图，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， 称为主星序或主序带，处于主序带内的 恒星，就称为主序星
有了绝对星等之后，就可以比较不 同恒星的真实亮度了。比如，天狼 星的绝对星等是＋1.4 ，太阳的绝对 星等是＋4.8 ，这样，天狼星实际上 要比太阳亮20多倍。而天狼星又比 北极星暗得多，因为北极星的绝对 星等是－4.6.
银河系 河外星系 总星系
银河是一个星系，它比普通的星系稍 微大一些，直径大约为十万光年。银 河系中至少有2000亿颗星。其中， 大约400亿颗星集中在中央的核球 (Bulge)上，四周缠绕着四只旋臂， 由气体和尘埃物质混杂的区域。核球 的直径为3000光年，呈椭球形，由 年龄超过100亿年的老年星球构成。 银河系的历史已经有150亿光年。
如果有一团星际气体超过通常的星际物质（每立方厘米 一个氢原子）的密度，达到每立方厘米已达六万个氢原 子。开始时这团气体是透光的，发出的光热辐射不受周 围物质的牵制，畅行无阻地传到外面。物质以自由落体 的形式落到中心，在中心区积聚起来。本来质量均匀分 布的一团物质，变成了越往里密度越大的气体球。随着 密度的增大，中心附近的重力加速度越来越大，内部区 域物质的运动速度的增长表现得最为突出。开始几乎所 有的氢以分子的形式存在，气体的温度也很低，总不见 升高，这是因为它仍然过于稀薄，一切辐射都能往外穿 透，溃缩着的气体球受到的加热作用并不显著。经历几 十万年后，中心区的密度逐渐变大，在那里，气体对于 辐射来说变得不透明了。这时核心便开始升温，随着温 度的上升，压力开始变大，坍缩逐渐停止。这个特密中 心区的半径通常和木星轨道半径相近，而它所含的质量 只及整个坍缩过程中涉及的全部物质的5%。物质不断落 到内部的小核上，它带来的能量在物质撞击到核心上时 又成为辐射而放出。与此同时，核心在不断缩小，并变 得越来越热。
所以，前面说到的星等只是“视星等” 或者“相对星等”，即它是与在地球 上看到的恒星亮度有关的星等。在考 虑了距离因素以后，天文学家又制定 了“绝对星等”系统。这个系统把所 有的恒星都放在一个“标准距离”上 考虑，这一距离是10秒差距或32.6光 年（1 秒差距＝3.26光年）。这样，星 等值就只和恒星自身的亮度有关，而 不再受与观察者之间的距离影响了。
由奧地利物理學家及數學家多普勒提出。輻 射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變 化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較 短，頻率變得較高 (藍移 (blue shift))。在運 動的波源後面，產生相反的效應。波長變得較長， 頻率變得較低 (紅移 (red shift))。波源的速度 越高，所產生的效應越大。根據光波紅 / 藍移的 程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。 恆星光譜線的位移顯示恆星循著觀測方向運動的 速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普 勒位移的程度一般都很小。所有波動現象 (包括 光波) 都存在多普勒效應。
1.1.2.1 太阳系 太阳系是太阳和太阳为中心、受 它的引力支配而环绕它运动的天 体所构成的系统。
类地行星
靠近太阳的4颗行星与地球的大小、物质 组成和内部结构等方面都很相似，故称 为类地行星，又称内行星。其共同特点 是：体积小、密度大，构成行星的主要 物质是岩石。
◆ 水星直径为地球的2/5，密度5.43，主要成分为铁 质岩石。大气稀薄，以氢和氦为主，表面温度173— +143°C，表面形态与月球相似。 ◆ 金星各种参数与地球相似，构造活动很活跃，仍 有火山作用，表面岩石主要为玄武岩。大气厚密， 表面气压为90个atm，主要成分为CO2，温度达 467°C ◆ 地球稍大于金星，在大陆有花岗岩，液态外核和 较快的自转速度形成了很强的磁场。外动力地质作 用。 ◆ 火星的直径约为地球的1/2，质量相当于地球的 38%，自转速度与地球相似。大气稀薄，主要为 CO2 ，温度-28 — -139°C ，曾有过与地球相似的 外动力地质过程。
2、宇宙中的天体和物质
星际物质：如气体、尘埃 积聚态实体：如行星、恒星、星 云等
恒星
定义 演化4阶段 亮度
恒星的定义
古代：不动的星星称为恒星 近代：发现恒星自行后，行星与恒星的差别在于自己能否发 光 定义：将自己能够发光的气体球称为恒星 现代（1900以后）：发现温度高于绝对零度的物体都发光， 到1930年代，发现核能后，行星与恒星的差别在于内部有 没有氢氦热核反应； 定义：内部有氢氦热核聚变反应的气体球称为恒星 近10年： 褐矮星发现，恒星的定义更明确， 恒星：内部能够点燃氢氦热核聚变反应（700万开）的气 体球； 亚矮星：内部能够点燃氢氦热核聚变反应（100万开）的气 体球；恒星的定义 行星：不能点燃任何热核反应、围绕恒星转动的球状天 体
“大爆炸”理论： 宇宙在某种整体膨胀、徐 徐冷却并不断稀化的状态中诞 生和演化。
起初，宇宙热得不可能存在任何原 子或分子； 数分钟后，冷却到能够形成最简单 的氢原子核和氦原子核； 数百万年后，冷却到足以形成第一 个原子，不久又形成了简单的分子。 数十亿年后，物质凝聚成了恒星和 星系，此后又形成了稳定的行星环 境。
红巨星时期的恒星表面温度相对很低，但 极为明亮，因为它们的体积非常巨大。肉眼能 看到的最亮的星中有许多就是红巨星，如参宿 四、毕宿五、大角、心宿二等。我们的太阳在 五十亿或六十亿年后也将变成一个红色“巨 人”。当核心的氢耗完时，太阳就开始膨胀， 那时水星将化为蒸汽，金星的大气将被吹光， 地球上的海洋将沸腾。然后太阳还会继续膨胀 并将地球纳入它的势力范围。地球被烧焦的残 骸会继续在巨型太阳灼热而极稀薄的大气里转 圈。红巨星外层物质的密度比地球实验室里能 得到的最好真空还要低得多。
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。
旋臂中的天体属于十分年轻的亮 星和疏散星团。此外，在旋臂区 域内是星际气体和尘埃粒子的最 高度集聚区，所以那里也是新的 恒星形成的最适合的所在。太阳 位于这些旋臂中的一条，即猎户 臂的内侧边缘附近，距银河系中 心约为银河系半径的三分之二距 离处。
1.1.2 地球与太阳
太阳系 太阳 日地距离及太阳的大小、质量 太阳的结构 太阳活动现象 太阳常数