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第7章 太阳系(4)

在太阳系里,除水星和金星外,其他行星都有天然卫星。太阳系已知的天然卫星总数至少有160颗。随着现代科技的发展,人类研制出各种人造卫星。人造卫星的概念始于1870年,第一颗被正式送入轨道的人造卫星是前苏联1957年发射的人卫1号。从那时起,已有数千颗环绕地球飞行。

SOHO卫星:即太阳和太阳风层探测器,是欧洲航天局及美国太空总署共同研制的无人太空船,在1995年发射升空。SOHO卫星是太阳的观测站,用以研究太阳结构、化学组成、太阳内部动力学、太阳外部大气结构及其动力学、太阳风及其与太阳大气的关系。

SOHO所搭载的设备,都是为研究如日冕层怎样被激发然后转变成以400千米/秒的速度吹向地球的太阳风之类的问题而设计。作为研究太阳的重要探测器,SOHO卫星原设计寿命仅为3年,后来为观测将在2000年左右达到高峰的太阳表面黑子活动,欧洲空间局和美国航宇局将SOHO卫星的探测期限延长到2003年。但该卫星的功能和作用巨大,是以到目前,SOHO卫星仍在太空空间为科学研究工作着。

阴阳脸土卫八:土卫八由意大利天文学家卡西尼于1671年首先发现。它直径1436千米,距土星356万多千米,整体呈独特的胡桃状,中间部分突出,遍布高山,是太阳系中已知唯一形状仍与数亿年前一样的星球。科学家已证实,土卫八表面主要为冰土混合层,是一颗冰冷卫星。

土卫八最大特点是朝向其轨道前进方向的一面总是黑如沥青,而另一面则亮白如雪,中间没有灰色地带,因而被戏称为“阴阳脸”。这颗天体两个半球亮度反差巨大的原因一直困扰着科学家。美国“卡西尼”号土星探测器传回的最新图像已基本揭晓这一“阴阳脸”之谜,主要原因可能缘自太阳光。

五彩的木卫一火山口:木卫一是木星四颗大卫星中最靠内的一颗,其大小和月球差不多,由于内部不断受木星和其它大卫星重力潮汐的加热,所以火山喷发活动频繁。

现正探测木星系统的无人宇宙飞船“伽利略号”,在过去的数年中一直不停监测木卫一活跃的库兰火山口。该火山除了喷出红色和黑色的融浆流之外,喷发的烟尘中还带有黄色硫磺。喷发过程所喷出的物质,在同一地区混合绿色色泽。除此之外,白色区域可能有部分是由氧化硫冰霜造成。

注定灭亡的卫星:火卫一是一颗难逃灭亡噩运的卫星。红色火星的名字来自罗马神话中的战神,它拥有两颗很小的卫星:火卫一和火卫二,在希腊文中分别象征恐惧和恐慌。

这两颗卫星可能原本是火星和木星之间小行星带里的小行星,也可能是太阳系更外围天体,后来被火星俘获而成为火星的卫星。火卫一如同一颗满布陨石坑的小行星。与月地距离40万千米相比较,火卫一距离火星地表只有5800千米,所以会受到火星的下拉潮汐力。大约再过1亿年,火卫一可能会撞上火星,或被残酷的潮汐力扯碎,从而形成火星的行星环。

土卫九:土卫九是唯一的逆行卫星,它绕土星的转动方向和士星绕太阳的转动方向相反。由于土卫九与土星的自转方向相反,在土卫九上会感觉土星以极快速度自转,似乎土星只要不到5小时就自转一周,比土星实际自转要快1倍多。

土卫九绕土星的公转周期约1.5年,自转周期仅9~10小时,在土卫九上,会看到土星、太阳和其他恒星从西方升起,不到5小时就从东方落下。土卫九直径200千米左右,呈圆球体,与土星距离达1295万千米,所以在土卫九上看到的土星很小,跟人类看到的月亮差不多大。

一些科学家认为,这颗卫星是一个外来“客”,并非土星的“亲生骨肉”。也许在很早的一个时期,有一颗慧星核偶尔闯进土星附近,被土星俘获而成为土卫家族中的一员。

土卫六:土星周围有许多卫星,最特别的是土卫六了。其直径为5150千米,比水星还大。土卫六上有很厚的大气层,一层薄雾笼罩在200千米的上空。土卫六表面大气压力比地球的要大50%,大气主要成分是氮、甲烷、乙烷、乙炔等。烷能在寒冷大气里液化并滴到土卫六表面形成海洋。科学家们认为,土卫六的海洋由70%乙烷、25%甲烷和5%溶解氮组成,深达1000米。

土卫六是太阳系中唯一一个有大气的卫星,在土卫六大气中还发现有汽油云。“先驱者”飞船测得土卫六上层大气温度为-200℃,表面温度为-148℃。土卫六白天的天空呈微红色,太阳在空中显得很小,如同在地球上看到的金星。土卫六每16天绕土星运行一周。

人造卫星

人造卫星,即人类人工制造的卫星。科学家用火箭把它发射到预定轨道,使它环绕地球或其他行星运转,以便进行探测或科学研究。人造卫星是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。

人造卫星的运动轨道取决于卫星的任务要求,分为低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、太阳同步轨道,大椭圆轨道和极轨道。人造卫星绕地球飞行速度快,低轨道和中高轨道卫星一天可绕地飞行几圈到十几圈,不受领土、领空和地理条件限制,能迅速与地面进行信息交换。

在卫星轨道高达3.58万千米,并沿地球赤道上空与地球自转同一方向飞行时,卫星绕地球旋转周期与地球自转周期完全相同,相对位置保持不变。此卫星在地球上看似静止挂在高空,称地球静止轨道卫星,这种卫星可实现卫星与地面站间的不间断信息交换,并极大简化地面站的设备。目前,大多数通过卫星的电视转播和转发通信都由静止通信卫星实现。

人造卫星种类:按用途分,人造卫星可分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。

科学卫星是用于科学探测和研究,主要包括空间物理探测卫星和天文卫星,用以研究高层大气、地球辐射带、地球磁层、宇宙线和太阳辐射等,并可观测其他星体。

技术试验卫星,主要用于进行新技术试验或为应用卫星进行试验。

应用卫星直接为人类服务,其种类最多,数量最大,包括通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、截击卫星等。

世界上第一颗人造卫星:1957年10月4日,苏联宣布成功将世界上第一颗绕地球运行的人造卫星送入轨道。该卫星重83千克,比美国准备在来年初发射的卫星重8倍。苏联宣布,这颗卫星的球体直径为55厘米,绕地球一周需1小时35分,距地面最大高度为900千米,用两个频道连续发送信号。由于运行轨道和赤道成65?夹角,所以它可每日两次在莫斯科上空通过。它以8000米/秒的速度离开地面。这次发射开辟了星际航行的道路。

纳米级人造卫星:美国宇航局发射PharmaSat人造卫星,其仅有面包块大小,重10磅。该设计是为研究当人造卫星以1.7万英里/小时飞行速度在地球轨道盘旋飞行时,人造卫星上携带的杀菌药物对酵母菌怎样产生反应。

PharmaSat是一项非常重要的实验,它将产生太空环境下杀菌类抗生药物对细菌的“攻击效力”。该人造卫星装载着内部是传感器的微型实验室,它能探测到酵母菌生长、密度和健康状况,该人造卫星会将6个月的实时实验数据发回地球。

卫星发射多会影响地球转速:卫星的发射将会使得地球自传变慢。根据“转动角动量守恒定律”,卫星发射时一般都借助地球的自转,来提高自身的飞行速度。由角动量守恒定律可知,卫星运动很快(如其高度在100千米左右时,卫星绕地球一周仅2小时左右),那么地球的自转就慢了。尽管地球的质量很大,其对转动速度的影响很小,但理论上是存在的。

如果人类发射的卫星频繁会对地球产生影响,如美国原计划建立太空站的的穿梭运输。地球地壳的运动是一个在自转中的“动态平衡”,卫星的发射将破坏这种动态平衡,可能会引发地震等。

宇宙空间站:也称航天站,是在固定轨道上长期运行的供宇航员长期居住和工作的大型空间平台。空间站是迎送宇航员和太空物资的场所,是环绕地球轨道运行的空间基地,人们又称它“宇宙岛”。

自从苏联发射第一个空间站“礼炮1号”以来,已有一系列空间站进入太空,先后多次数十批上百人次宇航员到站上工作,进行多次科学试验,取得了大量实验数据和宝贵的科学资料。

美国在1973年5月14日发射了“天空实验室”,在1983年11月28日发射了“空间实验室”航天站。空间站与一般航天器相比,有效容积大,可装载比较复杂的仪器,如长焦距照相机等,使获取的照片分辨率大大提高。由于空间站可以长期载人,许多仪器可由人直接操作,增强了分辨能力,可避免机械动作带来的误差,可以完成比较复杂、非重复性的工作任务。

小知识

国际空间站收获大麦

2008年8月25日,俄罗斯地面飞行控制中心宣布,国际空间站俄罗斯宇航员当天收获了数月前种下的大麦。这是空间站宇航员第二次收获大麦,第一次是在2006年。

宇航员将把收获的大麦种子放入特制容器中,在-80℃环境中保存,然后该年年底交由航天飞机带回地球,供俄罗斯、美国和日本专家研究使用。

月球

月球也称太阴,俗名月亮,是地球唯一的天然卫星。月球年约46亿。月球有壳、幔、核等分层结构,最外层月壳平均厚度约60~65千米;月壳下面至1000千米深度是月幔,它占了月球的大部分体积;月幔下面是月核,温度约1000℃,可能呈熔融状态。

月球直径约3476千米,是地球的3/11,太阳的1/400。月球的体积仅为地球的1/49,质量约7350亿亿吨,相当于地球质量的1/81,表面重力几乎是地球重力的1/6。月球表面有阴暗部分和明亮区域。

月球的形成:科学家们猜测,月球的形成源于远古时期星体间的较大碰撞,极可能是46亿年前在太阳系诞生不久,一颗火星大小的星体碰撞地球。地球和火星大小星体所形成的岩石残骸在地球轨道附近形成,当这些岩石灰尘云冷却后,形成小型固态结构,最终聚集在一起而形成月球。

月面的环行山:用天文望远镜观测月亮,可看到月面上的环形山,尤其是月亮缺边附近的环形山,更可以清楚呈现。这是由于在月亮缺边附近,太阳光斜照之故。由于月亮表面色彩变化不明显,如果太阳光从正面投射就不会有影子,月亮的凸凹不平就不易被正确体验。

要观测月面上某个对象,最好选择观测点处在缺边附近时。如要对哥白尼环形山进行观测,就要选择月龄在8~10的缺边月亮。为更深入观测月面地形全貌,应连续观测各个月龄的月亮。

观测月亮就如同到月亮上去旅行一样,满月时可看见太阳光全面照射下的环形山,可发现从船形或哥白尼环形山等四面八方发出的明亮的长线条。人们把这明亮的线条称为光条,但这也只能在满月时才能看见。

月食:月食是一种特殊天文现象,指当月球运行至地球阴影部分,处在月球和地球之间的地区会因为太阳光被地球遮闭,而看到月球缺了一块。也就是说,这时的太阳、地球、月球恰好(或几乎)在同一条直线(地球在太阳与月球之间),所以从太阳照射到月球的光线,会被地球所掩盖。

对地球而言,当月食发生的时候,太阳和月球的方向会相差180?,所以月食必定发生在“望”(农历15日前后)。但由于太阳和月球在天空的轨道(分别称为黄道、白道)并不在同一平面上,而是约5?的交角,所以只有当太阳和月球位于黄道、白道两个交点附近,才有机会连成一条直线,继而产生月食。

月食可分为月偏食、月全食和半影月食三种。当月球只有部分进入地球的本影,就出现月偏食;当整个月球进入地球的本影,就出现月全食。半影月食则指月球只是掠过地球的半影区,造成月面亮度极轻微减弱,难以用肉眼看出差别。

月尘:月球表面被由岩石碎屑和尘埃组成的月壤所覆盖。月壤一般厚5~10米,是在月球地质历史时期由无数陨石撞击、宇宙射线和太阳风辐照、大幅度温度变化导致的月球岩石热胀冷缩破碎等因素所形成。

尘易带电,并可在相当长时间内保持带电。因此,月壤颗粒在光电效应、太阳风辐照作用下带电后,可长时间漂浮并移动。此外,由着陆器着陆、人员走动、月球车行走等人为因素也会造成尘埃飞扬。

月尘由类似石英的硅化物组成,极其细腻,如同粉末。一旦附着在包括航天员的靴子、手套及辐射器、太阳能电池板等物体上,便很难清除。

天秤动:由于月球轨道呈椭圆形,当月球处于近日点,它的自转速度慢于公转速度,可见月面东部达东经98?的地区。相反,当月处于远日点时,自转速度快于公转速度,可见月面西部达西经98?的地区,这种现象称为天秤动;由于月球轨道倾斜于地球赤道,当月球在星空中移动时,极区会作约7?的晃动,这种现象称为天秤动;由于月球距离地球较近,若观测者从月出观测至月落,观测点就有了一个地球直径的位移,可多见月面经度1?地区。这种现象也称为天秤动。

月亮跟人走:人类视觉产生的位置变化的感觉主要是角速度的变化,而非线速度的变化,由于月球离人较远,而人走过的距离相对于月球离人的距离微不足道,变化的视角极其微小。只有当乘快速的飞机时围绕地球和月球运动的方向相平行时,才能感受觉到月亮并非跟着人走,因为这时会有较大的角速度。

最大和最小的满月:月球环绕地球运行的轨道并非一个圆形,而是椭圆形,因此月球每次环绕一周时,地球中心与月球中心的距离是不断变化的。当月球抵达近地点,与地球的距离36.33万千米时,在地球上月球呈现出最大满月;当月球抵达远地点,与地球的距离40.55万千米时,在地球上月球呈现出最小满月。

最小满月比最大满月小14%,但亮度却增加30%。实际上,最大满月和最小满月之间并非月球体积变大,只是它与地球的距离发生了变化。

“痘疮历史”:月球表面痘疮般的陨坑显示,过去它曾遭受猛烈的陨石碰撞。由于月球没有大气层,以及月球内部缺乏活动性,月球表面的陨坑可记录几十亿年前陨石碰撞的迹象。由于月球缺乏内部地质活动,几十亿年前的碰撞弹坑至今仍清晰可见。

通过对月球陨坑的年代测定,科学家发现,月球在约40亿年前曾遭受了“重大撞击事件”。科学家称,地球生命可能源于44亿年前,在重大撞击事件之前地球上就存在生命形式。这一时期,小行星撞击只可能熔化地球表面一部分,有些微生物当时可能会生活在地表下数公里处。