第一节  地球在宇宙中的位置

一、宇宙和天体

宇宙中存在着无数的天体，根据它们各自的特点可归纳为恒星、行星、卫星、流星、彗星和星云等类。恒星质量很大，自己能发光。凭肉眼能看到的天体，99％以上都是恒星。从地球上看，恒星的相对位置似乎是固定不变的，但实际上，一切恒星都在不停地运动。行星自己不发光，质量也远较恒星小，并且绕恒星运动。地球便是绕着太阳运动的行星之一。卫星质量比行星更小，绕行星运动，并随着行星绕恒星运动。流星的质量更小，也不发光。流星在行星际空间运行，当接近地球，受到引力时，可以改变轨道，甚至陨落。当它进入地球大气层后，因与大气摩擦，迅速增温至白热化，发生燃烧。绝大部分流星在到达地面以前就已完全烧毁，少数能落到地面上，成为陨星。彗星是一种很小的，但具有特殊外表和轨道的天体。它由彗核、彗发和彗尾三部分组成。彗核是相对集中的疏松固体物质。彗发是彗核释放的分子和原子，成一团气体围绕着彗核。彗尾是由电离的分子和固体小粒子组成。这些分子和小粒子受到太阳光压的作用，形成一条背向太阳的尾巴，即彗尾。星云是一种云雾状的天体。离地球非常遥远的河外星云，是一些恒星系统，而作为银河系组成部分的银河星云，则是极端稀薄和高度电离的氢和氮的混合物。

鉴于用普通的长度单位，甚至用地球和太阳的平均距离（14960×10⁴公里，称为天文单位），都难以表示宇宙空间的距离，人们把光在一年中传播的距离（94600×10⁸公里），即一个光年，作为量度天体距离的单位。

现有的仪器已经能够观察到远离地球100×10⁸光年的空间。在可以观察到的这部分宇宙中，约有10²²个恒星。几十亿到上千亿个恒星的集合体是一个星系。例如银河系，就是一个包括一千多亿个恒星的星系。银河系是一个旋转着的扁平体，绝大多数星体都密集在它的中心平面附近。它的直径约为10×10⁴光年，中心厚度约10000光年，其余部分厚度约1000光年。到目前为止，已经发现了十亿多个类似银河系这样的星系。星系表现为成对或成群的聚集状态，组成星系群。例如，银河系和包括比邻星系以及大、小麦哲伦云在内的近二十个星系，组成本星系群。本星系群直径约300×10⁴光年。比星系群更大，包括几百个到几千个星系的集团，称为星系团。例如室女座星系团，包含2700个星系，直径可达850×10⁴光年。已知宇宙的总体称为总星系。

二、太阳和太阳系

银河系直径约有10×10⁴光年，包含1500×10⁸颗恒星，太阳只是其中之一。太阳位于距银河系中心（银心）约27000光年、距边缘23000光年的地方，并以每秒250公里的速度绕银心运动，大约二亿（2.5×10⁸）年绕行一周。

太阳是一个炽热的发光球，它的内部不断进行着巨大的热核反应。太阳表面温度高达6000K，中心温度更高达1500×10⁴度。在已知宇宙中，太阳是一个中等大小的恒星，直径约为140×10⁴公里，相当于地球直径的109倍，表面积约为地球的12000倍，体积约为地球的130×10⁴倍，质量约1.989×10²⁷吨，相当于地球的33.3×10⁴倍，并且占整个太阳系质量的99.86％。它的外层可见部分的密度约为水密度的1/1000000，中心部分的密度比水的密度大85倍，而平均密度则为1.4g/cm³，约相当于地球密度的1/4。质量很大的太阳，以其巨大的引力维持着一个天体系统绕着它运动。这个天体系统就是太阳系。太阳位于太阳系的中心。

太阳系包括9个大行星，49个卫星，和成千上万个小行星，还有少数彗星。9个大行星中，距太阳最远的冥王星，约为39.5个天文单位。如果以冥王星轨道为太阳系的边界，则太阳系直径为79个天文单位，即约120×10⁸公里。如果把彗星轨道计算在内，则太阳系直径将达到6—8×10⁴天文单位，即9—12×10¹²公里。9个大行星按其物理性质可以分为两组。水星、金星、地球和火星，体积小，平均密度大，自转速度慢，卫星数少，称为地组行星；木星、土星、天王星、海王星和冥王星，体积大，平均密度小，自转速度快，卫星数多，叫做木组行星。它们的性质见表1-1。

表1—1  太阳系行星物理性质比较

太阳系中行星和卫星绕太阳的运动，具有以下几方面的共同特征：

1.所有行星的轨道偏心率都很小，几乎都接近于圆形；

2.它们的轨道面都近似地在一个平面上，对地球轨道面（黄道面）的倾斜也都不大；

3.所有行星都自西向东环绕太阳公转；除金星和天王星外，所有行星的自转方向也自西向东，即和公转方向相同；

4.所有行星的赤道面对轨道面的倾斜都比较小，只有天王星是唯一的例外；

5.绝大多数卫星的轨道都近似圆形，其轨道面接近母星的赤道面；

6.绝大多数卫星、包括土星环在内，公转方向都和母星的公转方向相同。

有关行星轨道运动的资料见表1-2。

表1—2  行星轨道运动资料

1766年德国天文学家提丢斯首先提出，1772年波得进一步完善了行星和太阳之间的距离a的经验公式

aⁿ=0.4+0.3×2^n-2

式中n=-∞，0，1，2，3，4……

这个公式称为提丢斯波得定则。按照这个定则，在火星和木星轨道之间，距太阳约2.8天文单位处还应该有一个大行星。经过长期搜索，始终没有发现这个未知的大行星。但自1801年至今，在上述空间范围内先后发现并确认了谷神星、智神星等2400多颗小行星。现在已经知道，太阳系中除九大行星之外，还有一个由成千上万颗小行星组成的独特的小行星带。它们绕太阳公转的周期约1—14年不等，形态很不规则，很可能是一颗大行星遭撞击破碎后形成的。我国学者共发现了800多颗小行星，并计算出了其中170多颗的运动轨道。现在已有24颗在国际上得到正式编号和命名。

三、地球在天体中的位置

曾经有一个很长的时期，人们认为地球是宇宙的中心，一切天体都绕着地球运行。直到1543年，哥白尼的《天体运行论》发表，“日心学说”创立，这个错误观念才逐渐被抛弃。但是，无限广大的宇宙根本不存在中心。太阳只是太阳系的中心。而太阳在银河系中，又只不过是旋涡臂上的一个小点，一颗普通的恒星罢了。地球则只是太阳系中一颗普通的行星。

地球沿着椭圆形轨道绕太阳运行，太阳处在椭圆的焦点之一上。每年1月初地球和太阳最接近，距离约为14710×10⁴公里。地球的这个位置称为近日点。7月初离太阳最远，距离约为15210×10⁴公里，这个位置则称远日点。日地平均距离为14960×10⁴公里，这个数字被确定为一个天文单位。

地球并不是孤立地存在宇宙空间的，它和其他天体之间有着密切的联系并相互影响。例如，地球表面以太阳辐射能为最主要的热量来源；海、陆、大气和有机体中的许多过程，都以这种辐射能为基本动力。水能、风能都是由太阳能转化来的。当代地球上最重要的能源——煤和石油，则是长期积累的化石化了的太阳能。太阳还把各种带电粒子流传送到地球上。具有极高能量的宇宙线，从宇宙空间侵入地球的大气上层，对地球上的极光、磁暴，以及大气中的某些气体分子从分子状态转变为离子状态等一系列现象，都产生影响。陨石从星际空间落到地球上，或地球大气外层的气体质点扩散到星际空间，都表明地球与星际空间存在着直接的物质交换。至于地球在月球和太阳引力的作用力的影响下形成潮汐，以及大气和地壳的弹性变形，就更为人们所熟知了。