1、1地球科学概论地球科学概论空间科学部分第一次作业1200012425李阳1. 1.我国历史上观测到的极光事件我国历史上观测到的极光事件我国古代对北极光现象的观察可以追朔到十分久远的年代。 中国最古的极光史料， 出现在黄帝时代的竹书记年和山海经，前者约在公元前 2600 年描述黄帝轩辕之母，“看见北斗环有闪电照耀而怀孕“，后者为公元前 2200“北方有形如蛇状的烛龙”。这似不可信。公元前 950 年，竹书记年、太平御览卷 874 和古今图书集成历象汇编庶征典卷 102 等史籍记载道：周昭王末年， 夜清， 五色光贯紫微。 其年， 王南巡不返。 疑为世界上最早较可靠的北极光记录。)世界上比较早的最精
2、确的极光观测记录可以追溯到汉朝汉书天文志描述；“孝成建始元年九月戊子(相当于公元前 32 年 10 月 27 日)，有流星(应是极光)出文昌，色白，光烛地，长约四丈，大一围，动摇如龙地形，过了一会儿，长约五六丈，大约四围左右，曲折逶迤，贯穿在紫宫西，在斗西北子亥之间。此后又曲折如环形，北方不合，停留约一刻左右。”我国古代有关极光的记录非常丰富，且有大量史料记载，较为可靠。从公前二、三千年的传说时代到公元 1747 年止,共计有 294 次。我国古代大量的记载，西汉时，人们把极光看成是一种神光或神气，是一种吉兆。在西汉以后，把极光和战斗流血或其他各种天灾人祸相联系的情况日益增多。除了大量的文字记
3、载外，我国古代还对北极光进行图绘。极光在古代就已是相当引人注意的。用星名形式记录极光现象是我国古代描述极光的一种形式， 但它并不是主要的形式， 并且用作记录的也较少。枉矢状类大流星，蛇行而苍黑，望之如毛羽然史记天官书，晋书天文志还加一句：长数匹着天。史籍中凡提及枉矢的，取枉屈曲之意，矢即箭矢。羽毛是极光中平行短射线光束的形象说明，加上蛇行、苍黑、长数匹等描述，为我们勾画出苍青色的、褶曲式的射线光带型的极光图象。蚩尤旗类慧星而后，象旗(史记天官书)在古代，它可能是一种慧星的别称。但是它又可能是极光的一个名称。据有关记载，古代人曾经在祭祀蚩尤墓的清晨，见到有赤气出，天如虹，谓之蚩尤旗，或有赤气出如
4、降帛，因名蚩尤旗。(开元占经卷 85)由此，它可能是一种光弧或是光幕。但在具体认证时，必须注意分析各种可供判断的线索，譬如，若是蚩尤旗连续见几天至十数天，当为慧星的记录。含誉星光耀似慧，喜则含誉射(晋书天文志)似慧有尾而不长。 宋史天文志把它列入景星一颗，并说：奇星，古无所考，见于仁宗、英宗之时，故附于景星之末。据明代初年的天元玉历祥异赋和清代的管窥辑要所引梁书异星如火。奇与异通称。奇星与异星应为同一类的东西。它们可能都是面积较小的极光光面。庆云，又称卿云，若烟非烟，若云非云，郁郁纷纷，萧索轮回，是谓卿云(史记天官书)。 晋书天文志及其以后的文献称之为庆云。它可能是一种弥散光面型的极光。有关庆
5、云的记载，在地方志中是大量的，而在正史中记载反而比较少见。天开眼、天开、天裂它们可能是天空中出现的较小面积的，并带有细长光条的光块，或者是长而狭的光弧或带状光条，它比周围的天空要来得明亮的多，看上去好像天开了一个洞眼，或者天开裂成两半似的。它们可能是光冕型或光弧、光带型的极光。2在古代极光记录中，”气”是描述极光现象中最重要的一种形式。在编纂的年表中，有百分之八十左右的极光记录使用了赤气、紫气、黄气等称谓。”气”是有别于云的，而且较好地表达极光的种种特征。就从现在的观点来看，这种称谓也是有一定的科学道理的。关于气的概念，早在春秋战国时期，已在天文学、医学等领域中广受应用，至迟是在西汉时期已被用
6、来描述极光现象。如汉景帝三年七月(西元前一百五十四年八月)天北有赤者如席，长十余丈，或约赤气；或约天裂( 开元占经卷三；太平御览卷一)。其后随着时间的推移，这种形式越来越大量的被应用。唐代的开元占经杂气云占中收录了丰富的材料，成了汉唐之间带有总结性的描述极光现象的著作。开元占经 用了三卷的篇幅讨论所谓云气占候的问题。在其卷 97杂气云占中引范增的话说：范增曰：吾使人望沛公，其气冲天，五色相胶，皆为龙虎。 (帝王气条)在这篇关于气的大量描述中，有 气如烟火，或如山林竹林，或白色而赤色统之；或紫气如门楼；或上黑下赤如旌旗；或如张弓弩；或如尘埃，本大而高，首锐而卑，或白如粉絮；或如夜火光照人。气，上
7、与天连，或如火光；或如山堤，上有林木；或如尘埃；粉沸其色；黄白如旌旗，无风而扬，挥势指敌；或白气粉沸如缕，缘以赤气；或如人持斧向敌；或如旌旗，如锋刃向人；或如布帛；或如覆船。在现代极光的知识里，的确可以找到和上述一一应对的极光形态，能在现在分类法将它分类。如：气如山堤，上有山林，可视为带有射线的光弧，如尘埃、粉沸其色，可视为弥散光面或脉动光面，如门楼、如张弓、如覆舟等，视为光弧；如人持斧向敌、如蛇举头向敌、如龙虎，可视为褶曲光带；如布帛等，可视为光幕等等。在该书中，把脉动描写成乍见乍没、乍聚乍散，如雾如气（兵气条衰兵之气；把光幕还描写为赤气如光火从天上流下来（兵气条军乱将死之气）；把火焰型极光
8、描写为气如火光照人者，（兵气条军士散乱之气）值得提出的是，该书卷 96 中，把透过极光还可以看到的各种星宿做了描写，这表明古代人对极光的亮度要比恒星微弱，这一现象作了客观的观察记述。以下摘录了部分常见的有关于极光的古书原文及今释（1）天冲，“状如人，苍衣赤首不动”。这种顶部为红色的特征可能属于较少见的日光型极光，因而其中下部为苍黑色。（2）蒙星，“一曰刀星。夜，有赤气如牙旗，或长或短，四面西东最多或遍生薄云，四方生赤气，长三尺，乍见乍没，寻皆消失”。这里生动地描写了极光解体时的情景。这时极光达到其活动高潮期，形体割裂，满天出现光影，后成扩散极光，显示出脉动特征，直至散尽。（3）天裂、天开、天开
9、眼。指的是极光冕。极光射线会聚于磁天顶，天顶处无光，有如一个深洞、裂缝。（4）狱汉星，又名咸汉星，“出正北，北方之野星，去地可六丈，大而赤，数动，察之中青”。远处的极光，看来如同贴近地面，能运动，且会变色，属极光无疑。（5）旬始，“出北斗旁，状如雄鸡，其怒青黑色，像伏鳖”。一看便知这是半风扇型的极光冕，也就是只有完整冕的一半。（6）格泽，“如炎火之状，黄白，起地而上，下大上兑”。这是一种火焰型脉动极光，由于极光粒子投射速度不同，进入大气层的深度和先后不一样，因而给人以火焰往上窜的幻觉。（7）蚩尤旗，“类彗而后曲，像旗”。这是典型的极光带，有时出现多重带，有的部分连成一气。（8）枉矢，“状类大流
10、星，蛇行而苍黑，望之如有毛羽然”。这是射线型极光的真实反映。（9）长庚，“广如一匹布著天”，“有星如匹练亘空，化为云而没在楚分”。显然，这是平静的均匀极光弧或极光带。3（10）归邪，“如星非星，如云非云”。极光一种常见的形式，如云雾一般。（11）赤气、白气、苍黑云等。这种颜色，又是天空的气体，通常为极光。（12）“星陨如雨”，“大星如月，众小星随之”，“众星并流”，“星流如织”，在大星地方志中，有的记载为“星陨如虹”，“星陨如雪”，海南岛人则称星陨“如洪涛”。这些极光往往以多重弧、多重带的形式出现，还可能伴随有射线结构。主要参考文献: 极光天际舞动的精灵, 徐胜一、张纬伦、萧倩慧2.我国历史上
11、观测到的彗星和超新星爆发中国是世界上天文学发达最早的国家之一。 在世界天文学史上， 最早最完整的彗星记录是中国的。据初步统计，从殷商时代到清朝末年，中国的彗星记录不少于 500 次。公元 1500 年以前出现的 40 颗彗星，它们的近似轨道几乎全是依赖中国的观测记录推算出来的。中国古代天文学家根据彗星出现的方位和形状的不同，给彗星起了不少名称。例如： 史记天官书管出现在东北方的叫“天棓”，出现在东南方的叫“彗星”，出现在西北方的叫“天欃”，出现在西南方的叫“天枪”。开元占经援引战国时期天文学家石申的话：“凡彗星有四名，一名孛星;二名拂星;三名扫星;四名彗星，其形状不同。”1973 年，长沙马王
12、堆三号汉墓帛书中有画着各种形态的彗星图29 幅，这些彗星的彗尾有宽有窄，有长有短，有直有弯，条数也不等，彗星的头部有的是一个圆圈或圆点，有的是圆圈中心还有一个小圆点或者圆圈，这说明当时的人们已经注意到彗星的不同形态，其观测的精确程度就今天来看，也是有科学价值的。到南北朝时期，中国天文学家对彗尾的成因作了解释。晋书天文志中记载：“彗体无光，傅日而为光，故夕见则东指，晨见则西指。在日南北，皆随日光而指。顿挫其芒，或长或短”意指彗星本身不发光，它的光是反射太阳的，所以晚上出现的彗星，彗尾指向东方，早晨出现的彗星，彗尾指向西方。如果彗星出现在太阳的南面或北面，彗尾的指向总是跟阳光辐射的方向相同。在这里
13、，中国古代天文学家把彗尾延伸的方向与太阳辐射之间存在的客观内在联系讲得十分清楚。 这是他们在长期观测彗星的实践基础上，对彗星现象的规律性进行科学探索所取得的重大成果。在欧洲直到 1532 年才有类似的认识，比中国至少要晚 900 年以上。4彗星的分裂是罕见的现象。但从中国古代彗星记录的资料看，早在 1000 多年以前，这种罕见的现象已被人们所注意。新唐书天文志记载：“乾宁三年(公元 896 年)，有一颗彗星在北方天空虚、危二宿之间分裂成“一大二小，有时聚合，有时分离，一起向东走，象是打架的样子，三天后两颗小彗星不见了，又持续些时候，大彗星也不见了。外国天文学家奥利维耶说： “在所有彗星中，哈雷
14、彗星无疑地对天文学的影响最大。这不仅因为它的周期比其它彗星都确定得早，并且也因为它的历史可以准确地追溯到两个年以上。”英国自然科学史专家李约瑟博士在援引了上述奥利维耶的话以后，又进一步指出： “其所以如此，应当归功于中国观测记录的细致。”关于哈雷彗星,中国史书春秋记载：“鲁文公十四年秋七月，有星孛于北斗。”鲁文公十四年，即公元前 613 年。这是世界上最早的有关哈雷彗星的确切记录。哈雷彗星是一颗周期彗星，每 76 年出现一次，从鲁文公十四年开始到清代宣统二年（西元 1910 年）止，哈雷彗星出现过 31次，每次出现，我国都有详细的记录。如史记秦始皇本纪记载： “始皇七年，彗星先出东方，见北方，
15、五月见西方，彗星复见西方十六日。”这段记载的年、月、日数，位置和近代科学家推算的完全相符。 在西方关于哈雷彗星的记载， 一般书籍认为最早是在公元 66 年， 比中国要晚 670多年。哈雷彗星围绕太阳运行，平均 76 年多过近日点一次。从公元前 613 年到公元 1910 年，哈雷彗星共回归 34 次，中国记录有 31 次，而另外三次世界各国均无记录。20 世纪初期，英国天文学家克罗密林和科威耳曾经利用中国古代哈雷彗星记录， 跟计算所得的每次哈雷彗星经过近日点的时间和周期相比较，结果证明：中国古代哈雷彗星记录是很可靠的。因此，世界上最为完整的哈雷彗星记录是中国的。我国关于超新里记载不仅在世界上最
16、早， 而且比较详尽和完备 我国中国关于超新星的出现时间，在天球上的方位的记录都比较明确亮度、颜色也有详细描述，尤其是观察的时间记载比较确切，准确地记录了肉眼看到与消先的年、月、日，这在世界天文学史上是不可多得的。我国古代称新星（超新星）为“客星”，是世界最早记录新星的国家。约在公元前14世纪的殷商时代的甲骨文片上就有关于新星的记录。下表列出了2000年来银河系超新星在我国的历史上的记载20002000 年来银河系超新星在中国的历史记载年来银河系超新星在中国的历史记载爆发年份出没日期（公元）记载文献历史记载描述备注185185 年 12 月 7 日出，187 年 7 月 8 日至 8月 21 日
17、没后汉书文献通考后汉中平二年十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消。393393年2月27日至3月 28 日出， 10 月 22日至 l1 月 19 日没晋书通志文献通考晋太元十八年春二月客星在尾中， 至九月乃灭10061006年4月3日或5月 1 日出， 约在 1009年 9 月之前没宋史宋会要辑稿宋景德三年三月乙巳，客星出东南方。宋景德三年司天监言 先四月二日夜初更见大星色黄，出库楼东骑官西，渐渐光明；测在氐三度日本明月记，阿拉伯和欧洲均有记载510541054 年 7 月 6 日出至 1056 年 4 月 6 日没宋史天文志宋史仁宗本纪宋会要辑稿宋至和元年五月己丑
18、客星出天关东南，可数寸岁余稍没.宋嘉祐元年三月辛未.司天监言自至和元年五月客星出东南方守天关,至是没。嘉祐元年三月司天监官言客星没， 客去之兆也 初至和元年五月展出东方，守天关；昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。日本明月记，一代要纪也有记载11811181 年 8 月 6 日出至 1182 年 2 月 6 日没宋史文献通考朱淳熙八年六月乙巳， 客星出奎宿， 犯传舍星， 至明年正月癸酉， 凡一百八十五日始灭。金史， 日本明月记均有记载15721572 年 11 月 8 日出，1574 年 4 月 21日至 5 月 19 日没明实录明隆庆六年十月初三日丙辰， 客星见东北方，如弹丸，出阁道
19、旁，壁宿度，渐微芒， 有光。 历十九日壬申夜其星赤黄色，太如盏、光芒四出；十二月甲戌礼部题奏十月以来客星当日而见， 光曂日异常。 按是星万历元年二月光始渐微，至二年四月乃灭。明史天文志， 明通鉴等等均有记载，欧洲称其为第谷超新星16041604 年 1O 月 10 日出至 1605 年 10 月 7日没明史续文献通考明万历三十二年九月乙丑， 尾分有星如弹丸，色赤黄，见西南方，十月而隐，十二月辛酉，转出东南方，仍尾分。明年二月渐暗，八月丁卯始灭。李朝实录有逐日记录； 欧洲称之为开普勒超新星主要参考文献: 超新星在中国的历史记载，钟鸣乾3.电离层是怎样形成的? 在现实生活中有何应用?电离层是地球大
20、气被电离的部分,高度约为601000 km 之间。产生电离的过程有两个：（1）太阳极紫外线和软X 射线产生的光电离；（2）带电粒子的撞击电离。根据电子数密度的垂直分布特征,可将电离层分成几个不同的区(或层)1. D 层D层是电离层最低的一层， 离地球表面50至100公里。 这里主要是波长为121.5纳米的Lyman-氢光谱线的光电离一氧化氮。在太阳活动非常强烈时（超过 50 个黑子），硬 X 射线还可以电离空气中的氮气和氧气的分子。 夜间宇宙射线造成一个剩余电离。 这个层里离子对自由电子的捕获率比较高，因此电离效应比较低，从而它对高频无线电波没有影响。日间这里自由电子与其它粒子的碰撞率约为每秒
21、 1000 万次。10MHz 以下的电波会被 D 层吸收，随着电波频率的增高这个吸收率下降。夜间这个吸收率最低，中午最高。日落后这个层减弱非常大。D 层最明显的效应是白天远处的中波电台收不到。2. E 层6E 层是中层，在地面上 100 至 150 公里。这里的电离主要是软 X 射线和远紫外线对氧气分子的电离。这个层只能反射频率低于 10MHz 的电波，对频率高于 10MHz 的电波它有吸收的作用。E层的垂直结构主要由电离和捕获作用所决定。夜间 E 层开始消失，因为造成电离的辐射消失了，由于捕获在低处比较强，因此其高度开始上升。高空周日变化的风对 E 层也有一定影响。随着夜间 E 层的升高，电
22、波可以被反射到更加远的地方。3. ES层ES层也被称为偶现 E 层。它是小的、强烈电离的云，它可以反射频率在 25 至 225MHz 之间的电波。偶现 E 层可以持续数分钟到数小时不等，其形成原因可能有多种，而且还在研究中。夏季偶现 E 层出现得比较多，持续时间一般也比冬季长。电波的反射距离一般为 1000 公里左右。4. F 层F 层在地面以上 150 至超过 500 公里。在这里太阳辐射中的强紫外线（波长 10 至 100 纳米）电离单原子氧。F 层对于电波传播来说是最重要的层。夜间 F 层合并为一个层，白天分为 F1 和 F2两个层。大多数无线电波天波传送是 F 层形成的。在白天 F 层
23、是电离层反射率最高的层。现实应用电离层被用来反射和传送高频无线电信号。 反射后的信号回到地球表面。 在无线电通信和宇宙航行等工程设计中多有应用。 电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关， 如无线电通讯、 广播、无线电导航、雷达定位等。受电离层影响的波段从极低频（ELF）直至甚高频（VHF），但影响最大的是中波和短波段。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。330 兆赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段，在正常的电离层状态下，它正好对应于最低可用频率和最高可用频率之间。但由于多径效应，信号衰落较大；电离层暴和电离层突然骚扰，对电离层通讯和广播可能造成严重影响，甚至讯号中断。300 千赫至 3 兆赫为中波段，广泛用于近距离通讯和广播。近年国立中央大学太空科学研究所刘正彦教授等人的研究显示， 规模五以上的地震在发生前至少超过七成震中上空的电离层都曾突然变稀薄； 规模六以上强烈地震更高达九成都会在震前出现电离层异常扰动。 故如当下判断某区电离层突然变稀薄非由太阳黑子等外来活动引起时， 则可能是由于地球板块挤压累积能量所致， 故应可利用电离层异常扰动现象作为地震预警的重要参考， 让政府为可能将要到来的大地震做准备，不过这样的论点仍有争议。主要参考文献: 维基百科
