《地球与宇宙探索｜天文地理基础知识》

1地球系统的基础认知演讲人地球系统的基础认知01银河系与宇宙的宏观尺度02太阳系与恒星世界03天文地理观测与实践方法04目录《地球与宇宙探索｜天文地理基础知识》各位朋友，大家好。我是从事天文地理科普与野外考察工作十余年的从业者，从早年在国家天文台怀柔观测站担任助理研究员，到后来牵头组建中学生天文地理实践营，再到面向社区开展公益科普讲座，我始终认为，天文地理基础知识是我们建立世界认知的核心框架——我们脚下的土地如何形成？头顶的星空为何变化？这些看似宏大的问题，其实都建立在最基础的天文地理知识之上。今天我们就以第一人称的视角，从地球本身出发，循序渐进地梳理这套完整的知识体系，最后再回归到我们学习这些知识的意义所在。01地球系统的基础认知地球系统的基础认知首先，我们最熟悉的就是脚下的地球，要理解宇宙，得先从认识我们的家园开始。地球是一个由多层结构组成的复杂系统，从内部到外部的圈层划分，是我们理解地球运作逻辑的起点。1地球的圈层结构地球的圈层结构可以分为内部圈层和外部圈层两大部分，二者共同构成了地球的完整生态系统。1地球的圈层结构1.1地球内部圈层：从地壳到地核地球的内部结构就像一个煮熟的鸡蛋，我们可以通过地震波来“扫描”它的细节。最外层的地壳平均厚度约17公里，大陆地壳普遍更厚，平均33公里，而海洋地壳仅有7公里左右，这也是为什么大陆板块会比海洋板块更“轻盈”，能够在软流层之上漂移的原因。中间的地幔厚度约2900公里，分为上地幔和下地幔，其中上地幔顶部的软流层是岩浆的主要发源地，板块运动的动力就来自这里的对流活动。当年我在昆明地震台实习时，台里的李老师给我展示了2021年漾濞6.4级地震的波形记录：纵波（P波）率先到达，留下一道尖锐的波峰，大约10秒后横波（S波）才姗姗来迟，波形更加平缓但振幅更大。李老师告诉我，这是因为纵波可以在固、液、气三种介质中传播，而横波无法穿过液态物质，由此我们可以推断地球的外核是液态的——这正是地震波给我们提供的地球内部“CT扫描”结果，也是我们理解地球内部结构的核心依据。地核的核心部分是固态的内核，半径约1220公里，主要由铁和镍组成，温度高达5000多摄氏度，几乎和太阳表面的温度相当。1地球的圈层结构1.2地球外部圈层：大气圈、水圈与生物圈地球的外部圈层包裹着内部结构，为生命的存在提供了必要条件。最贴近地面的是大气圈，从地表到高空1000公里的范围都属于大气圈，我们日常呼吸的空气就集中在对流层，也就是从地表到12公里左右的高度，这里集中了大气总质量的75%，也是天气现象发生的主要区域。平流层则在对流层之上，高度12到50公里，这里的臭氧能够吸收紫外线，保护地球上的生命免受伤害——我曾在青藏高原的科考营地待过半个月，当地的紫外线强度是平原地区的3倍以上，当地牧民常年戴着宽边帽子和墨镜，这正是平流层臭氧保护作用的直观体现。水圈包括地球表面的所有液态水、固态水和大气中的水汽，地球表面约71%的面积被水覆盖，而水循环则是维持地球气候稳定的关键。2019年我带学生在西湖开展水文考察时，我们在西湖的三个不同点位测量了水温、溶解氧含量和蒸发量，发现西湖的湖水每28天就能完成一次整体循环，这正是水循环的微观体现。1地球的圈层结构1.2地球外部圈层：大气圈、水圈与生物圈生物圈则是地球上所有生命及其生存环境的总称，从深海的热泉口到高空的平流层，都有生命存在的痕迹。我曾在菲律宾的图巴塔哈群礁考察过珊瑚礁生态系统，那里的珊瑚礁覆盖率超过80%，每平方米的海域里就有超过100种海洋生物，这正是生物圈多样性的典型代表。2地球的运动及其地理意义地球并非静止不动的，它同时进行着自转和公转两种运动，这两种运动共同塑造了地球上的昼夜交替、四季变化和五带划分。2地球的运动及其地理意义2.1地球自转与昼夜交替地球自转的周期是23小时56分4秒，也就是我们常说的一个恒星日，而我们日常使用的24小时是太阳日，也就是太阳两次经过中天的时间间隔。由于地球自转，地球上的不同区域会依次朝向太阳，形成昼夜交替的现象。2020年夏至我在北极村考察时，晚上10点多太阳还没有完全落下，天空呈现出淡淡的橙红色，当地的牧民告诉我，这里的极昼会持续近两个月，而到了冬至则会有近两个月的极夜——这正是地球自转时北极圈倾斜朝向太阳的结果。2地球的运动及其地理意义2.2地球公转与四季五带地球公转的轨道是一个近似正圆的椭圆，公转周期约365天6小时9分10秒，也就是一个恒星年。地球的自转轴与公转轨道面之间存在一个2326′的夹角，也就是黄赤交角，正是这个夹角的存在，使得太阳直射点在南北回归线之间移动，从而形成了四季的变化。我曾在厄瓜多尔的基多考察过赤道纪念碑，那里的纪念碑上刻着“这里是地球的中心”，在正午时分，太阳会直射头顶，人的影子会完全消失在脚下——这正是太阳直射赤道的时刻，也就是春分和秋分时节。根据太阳直射点的移动范围，我们可以将地球划分为五个温度带：热带、南北温带和南北寒带。热带地区全年阳光直射，气温较高；温带地区四季分明；寒带地区则有极昼极夜现象，气温常年较低。3地球表面形态与演化地球的表面形态并非一成不变，而是在内力和外力的共同作用下不断演化的。内力作用主要来自地球内部的热能，包括板块运动、火山活动和地震；外力作用则来自太阳辐射和重力，包括风化、侵蚀、搬运和沉积。3地球表面形态与演化3.1内力作用与板块构造1968年法国地质学家勒皮雄提出了板块构造学说，将全球划分为六大板块：亚欧板块、非洲板块、美洲板块、太平洋板块、印度洋板块和南极洲板块。板块之间的边界可以分为三种类型：分离边界、汇聚边界和转换边界。雅鲁藏布江大峡谷就是印度洋板块和亚欧板块碰撞挤压形成的，2021年我在大峡谷考察时，看到岩壁上的褶皱和断层清晰可见，当地的向导告诉我，这里的地壳每年还在以几毫米的速度抬升，这正是板块运动的直观体现。3地球表面形态与演化3.2外力作用与地表形态外力作用会不断塑造地球的表面形态，比如风化作用会将岩石破碎成碎屑，侵蚀作用会将碎屑搬运到其他地方，沉积作用则会将碎屑堆积成新的岩层。我曾在桂林银子岩溶洞考察过喀斯特地貌，溶洞里的钟乳石和石笋都是碳酸钙沉积形成的，当地的讲解员告诉我们，钟乳石每年大约生长1毫米，要形成1米长的钟乳石需要近千年的时间。此外，丹霞地貌、雅丹地貌、沙丘等地貌都是外力作用塑造的典型代表，2022年我在张掖丹霞地质公园考察时，看到色彩斑斓的岩层在阳光照射下呈现出不同的颜色，这是因为不同岩层中含有不同的矿物质，经过长期的风化和侵蚀形成了独特的景观。02太阳系与恒星世界太阳系与恒星世界地球并非孤立存在，它身处太阳系这个以太阳为中心的恒星系统之中，接下来我们将目光投向更广阔的太阳系空间，了解我们的家园所在的星系。1太阳系的组成与结构太阳系是以太阳为中心，受太阳引力约束的所有天体的集合，包括八大行星、卫星、小行星、彗星和流星体等。1太阳系的组成与结构1.1太阳的结构与活动太阳是太阳系的中心天体，占据了太阳系总质量的99.86%，它的直径约139.2万公里，是地球直径的109倍。太阳的结构可以分为内部结构和外部结构两大部分，内部结构从内到外依次是核心、辐射区和对流区，外部结构则从内到外依次是光球层、色球层和日冕层。光球层是我们肉眼看到的太阳表面，温度约5500摄氏度，太阳黑子就出现在光球层上，黑子其实是太阳表面的强磁场区域，温度比周围低1000多摄氏度，所以看起来比较暗。2018年是太阳活动峰年，我在怀柔观测站值班时，用口径40cm的太阳望远镜搭配Hα滤镜，清晰地看到了太阳表面的黑子群，其中一个黑子的面积甚至超过了地球的表面积。旁边的科普讲解员给前来参观的小朋友讲解：“这些黑子并不是真的‘黑’，只是因为温度比周围低，所以看起来比较暗而已”，那天我看着小朋友们趴在望远镜旁不肯离开，突然觉得所有的基础讲解都有了意义。1太阳系的组成与结构1.1太阳的结构与活动色球层位于光球层之上，厚度约2000公里，这里的温度从几千摄氏度上升到几万摄氏度，耀斑就出现在色球层上，耀斑爆发时会释放出大量的高能粒子，会对地球的通信和电力系统造成影响。日冕层则是太阳的最外层，温度高达几百万摄氏度，这里的太阳风会持续向外喷射带电粒子，当太阳风到达地球时，会与地球的磁场相互作用，形成极光现象。1太阳系的组成与结构1.2八大行星的分类与特征太阳系的八大行星可以分为三类：类地行星、巨行星和远日行星。类地行星包括水星、金星、地球和火星，它们的体积和质量都比较小，主要由岩石和金属组成。巨行星包括木星和土星，它们的体积和质量都非常大，主要由氢和氦组成，没有固体表面。远日行星包括天王星和海王星，它们距离太阳较远，表面温度较低，主要由冰和气体组成。我曾在火星模拟基地体验过模拟火星生活，基地里的地表覆盖着红色的沙土，和真实的火星地表非常相似。讲解员告诉我们，火星的红色是因为其表面的岩石中含有大量的氧化铁，也就是我们常说的铁锈，这也是火星被称为“红色星球”的原因。此外，木星是太阳系中体积最大的行星，它的质量是其他七大行星总质量的2.5倍，木星的大红斑是一个持续了数百年的巨大风暴，直径比地球还要大。1太阳系的组成与结构1.3太阳系小天体：小行星、彗星与流星太阳系中除了八大行星之外，还有大量的小天体，包括小行星、彗星和流星体。小行星主要分布在火星和木星之间的小行星带中，目前已经被发现的小行星超过100万颗，其中最大的小行星是谷神星，直径约950公里。彗星则主要来自太阳系边缘的柯伊伯带和奥尔特云，当彗星靠近太阳时，太阳的热量会将彗星表面的冰蒸发成气体，形成彗尾，彗尾的方向总是背向太阳。2019年狮子座流星雨期间，我在茶卡盐湖观测到了每小时几十颗流星，当时的天空非常晴朗，流星划过天空的瞬间非常壮观。讲解员告诉我们，流星其实是小行星或者彗星的碎片进入地球大气层时摩擦燃烧形成的，当大量的流星体进入地球大气层时，就会形成流星雨。2恒星的演化与分类恒星是由引力凝聚在一起的球型等离子体，它们会通过内部的核聚变反应释放出能量，照亮整个宇宙。我们的太阳就是一颗普通的恒星，而宇宙中的恒星有不同的类型和演化阶段。2恒星的演化与分类2.1恒星的分类与赫罗图天文学家通常使用赫罗图来对恒星进行分类，赫罗图的横坐标是恒星的表面温度，纵坐标是恒星的亮度。根据赫罗图，恒星可以分为主序星、红巨星、白矮星、中子星和黑洞等不同类型。主序星是恒星一生中最长的阶段，我们的太阳就处于主序星阶段，已经持续了约50亿年，还将持续约50亿年。红巨星则是恒星演化到后期的阶段，当恒星的核心燃料耗尽时，恒星会膨胀成红巨星，体积会比原来大几十倍甚至几百倍。白矮星则是中小质量恒星演化的最终阶段，它们的体积很小，但密度非常大，一勺白矮星的物质质量就可以达到几吨。我在天文馆做科普讲解时，经常会用蜡烛、篝火和探照灯来类比不同类型的恒星：主序星就像蜡烛，稳定地燃烧；红巨星就像篝火，体积大但温度相对较低；白矮星就像小台灯，体积小但亮度很高。这样的类比可以让观众更容易理解恒星的演化过程。2恒星的演化与分类2.2恒星的演化过程恒星的演化过程取决于它的质量，质量较小的恒星（比如太阳）最终会演化成白矮星，质量较大的恒星则会演化成中子星或者黑洞。当质量超过太阳质量8倍的恒星演化到后期时，核心会发生引力坍缩，形成超新星爆发，爆发后会留下中子星或者黑洞。中子星的密度非常大，一勺中子星的物质质量就可以达到几十亿吨，而黑洞则是引力非常强大的天体，连光都无法逃脱它的引力。03银河系与宇宙的宏观尺度银河系与宇宙的宏观尺度太阳系本身也并非静止的，它以每秒220公里的速度围绕银河系中心运转，接下来我们将拓展到银河系乃至整个宇宙的尺度，了解我们所处的宇宙环境。1银河系的结构与运动银河系是一个棒旋星系，直径约10万光年，包含了大约1000亿到4000亿颗恒星。银河系的结构可以分为银盘、银晕和银核三大部分，银盘是银河系的主要组成部分，厚度约2000光年，包含了大部分的恒星和星际物质；银晕则是银盘周围的球状区域，包含了一些古老的恒星和星际物质；银核则是银河系的中心区域，这里有一个超大质量黑洞，质量约为太阳的400万倍。我曾在上海天文馆参观过银河系的大型模型，模型展示了银河系的旋臂结构，其中我们的太阳系就位于猎户座旋臂上，距离银河系中心约2.6万光年。讲解员告诉我们，太阳系围绕银河系中心运转一周需要约2.5亿年，也就是一个“银河年”，自从地球形成以来，太阳系已经围绕银河系中心运转了约20圈。2河外星系与宇宙的膨胀在银河系之外，还有大量的其他星系，也就是河外星系。目前已经被发现的河外星系超过1000亿个，其中最著名的是仙女座星系，距离我们约254万光年，它是距离银河系最近的大型星系，预计在约40亿年后，仙女座星系会和银河系碰撞合并，形成一个更大的椭圆星系。1929年，美国天文学家哈勃发现了星系的红移现象，也就是星系的光谱向长波方向移动，这意味着星系正在远离我们。哈勃根据这个现象提出了哈勃定律，即星系的退行速度与它们和我们的距离成正比，这证明了宇宙正在膨胀。我在社区科普讲座上，经常会用火车鸣笛的多普勒效应来类比红移现象：当火车靠近我们时，鸣笛的声音会变得尖锐，也就是波长变短；当火车远离我们时，鸣笛的声音会变得低沉，也就是波长变长。星系的红移现象也是同样的道理，星系远离我们时，它们的光谱会向长波方向移动，也就是红移。3宇宙的起源与演化目前被广泛接受的宇宙起源理论是大爆炸理论，该理论认为宇宙起源于约138亿年前的一个奇点，奇点在一次大爆炸后迅速膨胀，形成了现在的宇宙。在大爆炸后的几分钟内，宇宙中形成了氢和氦等轻元素，随后在引力的作用下，这些轻元素逐渐凝聚成恒星和星系。1964年，美国天文学家彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射，这是大爆炸理论的重要证据之一。宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸后留下的余热，温度约为2.725开尔文，也就是零下270.425摄氏度。我曾在国家天文台的资料室里看过WMAP卫星拍摄的宇宙微波背景辐射地图，地图上的微小温度差异就是宇宙早期的密度波动，这些密度波动最终形成了现在的星系和星系团。04天文地理观测与实践方法天文地理观测与实践方法以上我们梳理了天文地理的基础理论知识，接下来我们将聊聊如何通过观测和实践，来验证这些基础知识，这也是学习天文地理的重要环节。1基础观测工具与安全规范天文地理观测需要使用专门的工具，同时也要注意安全规范。最基础的天文观测工具是望远镜，望远镜可以分为折射望远镜、反射望远镜和折反射望远镜三种类型，其中折射望远镜适合观测行星和月球，反射望远镜适合观测深空天体。使用望远镜时，一定要注意安全，绝对不能直接用肉眼或者望远镜观测太阳，否则会灼伤眼睛。我在组织中学生天文营时，都会反复强调安全规范，并且会使用专门的太阳滤镜来观测太阳。地理野外考察则需要使用罗盘、GPS、地质锤、放大镜等工具，罗盘可以用来测量岩层的走向和倾角，GPS可以用来定位和测量距离，地质锤可以用来采集岩石样本，放大镜可以用来观察岩石的结构和矿物成分。2021年我在丹霞山考察时，教学生们用罗盘测量岩层的倾角，学生们通过测量发现，丹霞山的岩层倾角约为10度，这说明这些岩层是在沉积过程中逐渐形成的。2天文观测实践案例天文观测实践可以分为白天观测和夜晚观测两种类型，白天观测主要是观测太阳和月球，夜晚观测则可以观测恒星、行星、星系等深空天体。2018年暑期，我带领学生在茶卡盐湖开展天文观测活动，凌晨三点我们架起了赤道仪，当猎户座的腰带三星清晰出现在取景器中时，有个学生突然喊出“原来星星离我们这么近又这么远”，那一瞬间我更觉得基础科普的意义所在。我们还观测了木星和它的四颗伽利略卫星，学生们通过望远镜清晰地看到了木星的条纹和四颗卫星的位置，这正是伽利略当年用望远镜发现的天体。此外，月相观测也是天文观测的重要内容，我们可以通过观察月相的变化来了解月球的公转规律。我在社区科普讲座上，会让观众们每天记录月相的变化，一个月后他们就会发现，月相的变化周期