“宇宙中的地球”值得注意的幾個(gè)概念

金子興

（浙江省衢州第二中學(xué), 浙江 衢州 324000）

“宇宙中的地球”值得注意的幾個(gè)概念

金子興

（浙江省衢州第二中學(xué), 浙江 衢州 324000）

湘教版高中地理必修Ⅰ“宇宙中的地球”一章是高中地理教學(xué)的難點(diǎn)之一。該章不僅需要學(xué)生有較強(qiáng)的抽象思維能力和空間想象能力，而且還需要學(xué)生有一定的邏輯推理能力。本章出現(xiàn)有許多的概念，而概念是構(gòu)建學(xué)科邏輯體系的起點(diǎn)，是清晰有序呈現(xiàn)知識(shí)的必要條件。厘清這些概念在一定程度上有助于對(duì)本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，有利于對(duì)教材中地理原理和規(guī)律的理解。而湘教版高中地理必修Ⅰ“宇宙中的地球”部分，有些概念存在表述不清或缺少文本的現(xiàn)象，給教師和學(xué)生的學(xué)習(xí)與理解造成了一定困難。筆者從“星云和星系”“太陽(yáng)輻射和太陽(yáng)活動(dòng)”“日珥、耀斑、太陽(yáng)風(fēng)”“磁暴”“地球公轉(zhuǎn)軌道和黃道”幾組概念的區(qū)分出發(fā)，以期給教材編寫(xiě)者改版和一線教師在教學(xué)過(guò)程中對(duì)相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)處理以借鑒。

一、星云和星系

湘教版教材中指出：銀河系及河外星系主要是由恒星等比較大的天體組成的……銀河系和河外星系都是星系，所有的星系合在一起，構(gòu)成了最大的天體系統(tǒng)，稱(chēng)為總星系?？梢钥闯鲂窍抵饕怯珊阈墙M成的天體系統(tǒng)。而星云呢？湘教版教材中不僅指出“宇宙間的星云、恒星、行星、衛(wèi)星等各種物質(zhì)通稱(chēng)為天體”，還認(rèn)為“星云是很多由塵埃和氣體等組成的云霧狀天體”。人教版教材中也認(rèn)為“星云是由氣體和塵埃組成的呈云霧狀外表的天體，主要物質(zhì)是氫”?？梢钥闯?，星云是一種天體類(lèi)型，而不是天體系統(tǒng)，是星系里一個(gè)重要的組成部分。

問(wèn)題在于湘教版教材中，出現(xiàn)了“圖1-2類(lèi)似于銀河系的仙女座大星云”并配以照片。從照片上看，好象是一個(gè)星系，但從圖名上看，卻是大星云。仙女座大星云是星系還是星云呢？其實(shí)，仙女座星系，是一個(gè)巨型旋渦星系，也是離銀河系最近的巨大星系。那為什么稱(chēng)星云呢？這和人類(lèi)早期觀察仙女座星系有關(guān)。最早的仙女座星系觀測(cè)紀(jì)錄可能出自波斯的天文學(xué)家阿爾蘇飛，他描述它是“小云”，星圖上的標(biāo)記在那個(gè)時(shí)代也是“小云”。在那個(gè)時(shí)代，人們觀測(cè)星空的手段比較落后，是人類(lèi)沒(méi)有看清楚的原因。但這種稱(chēng)呼一直傳承下來(lái)。因此，筆者認(rèn)為，為了消除學(xué)生困惑，一是教師在教學(xué)中要精心設(shè)計(jì)教學(xué)，通過(guò)與銀河系的比較，讓學(xué)生去判斷仙女座是星云還是星系，二是在新版的教材中，建議將圖1—2的圖名正名為“類(lèi)似于銀河系的仙女座星系”。

二、太陽(yáng)輻射和太陽(yáng)活動(dòng)

這兩個(gè)概念是學(xué)生最容易混淆的。那么這兩個(gè)概念有哪些區(qū)別與聯(lián)系呢？

太陽(yáng)輻射是太陽(yáng)以電磁波的形式向宇宙空間放射的能量。從概念上看，太陽(yáng)輻射的本質(zhì)是放射能量，能量釋放的形式為電磁波。從產(chǎn)生的影響上看，太陽(yáng)輻射是地球大氣運(yùn)動(dòng)、水循環(huán)的主要能源。太陽(yáng)輻射本身以及大氣運(yùn)動(dòng)、水循環(huán)等，也為人類(lèi)提供了源源不斷的能源。

太陽(yáng)活動(dòng)，是指太陽(yáng)釋放能量的不穩(wěn)定性所導(dǎo)致的一些明顯現(xiàn)象。從概念上看，太陽(yáng)活動(dòng)的本質(zhì)是太陽(yáng)不穩(wěn)定釋放能量引起的一種現(xiàn)象。從成因上看，是太陽(yáng)不穩(wěn)定釋放能量所致。從影響上看，不同的太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球產(chǎn)生的影響是不同的。

因此，太陽(yáng)輻射和太陽(yáng)活動(dòng)相比，前者是穩(wěn)定的釋放能量，后者是不穩(wěn)定釋放能量產(chǎn)生的現(xiàn)象。前者的能量主要集中在0.15—4微米之間，分為可見(jiàn)光、紅外線和紫外線三部分；而不穩(wěn)定釋放能量主要集中在紫外線及波長(zhǎng)更短的電磁波?？梢钥闯觯?yáng)釋放能量有兩部分，一部分是穩(wěn)定的太陽(yáng)輻射，另一部分是不穩(wěn)定的太陽(yáng)輻射，是太陽(yáng)急劇釋放能量，這一部分能量，由于是急劇的釋放，因此給地球帶來(lái)更多的不利影響。

三、日珥、耀斑和太陽(yáng)風(fēng)

1.日珥與耀斑

日珥和耀斑都是發(fā)生在色球上的太陽(yáng)活動(dòng)。湘教版教材沒(méi)有對(duì)這兩個(gè)名詞進(jìn)行解釋。人教版教材中指出：色球的某些區(qū)域有時(shí)會(huì)突然出現(xiàn)大而亮的斑塊，人們稱(chēng)為耀斑，又叫做色球爆發(fā)。人教版的教材中沒(méi)有出現(xiàn)日珥這個(gè)概念。湘教版的教材里雖然沒(méi)有文字說(shuō)明，但卻配以“圖1—9太陽(yáng)外部結(jié)構(gòu)示意圖”，對(duì)日珥和耀斑這兩種現(xiàn)象進(jìn)行了標(biāo)注。

什么是日珥？色球?qū)颖砻嫣鴦?dòng)著鮮紅的火舌，這種火舌狀物體就叫做日珥?？梢钥闯?，兩者都是色球?qū)由咸?yáng)能量的突然爆發(fā)。

那么兩者有什么區(qū)別呢？從概念上看，耀斑是太陽(yáng)色球上的斑塊，而日珥是舌狀物體，從側(cè)視的角度可以看到形如耳朵，故稱(chēng)日珥。倘若我們從正面看日珥和耀斑，那兩者都會(huì)表現(xiàn)為大而亮的斑點(diǎn)，因而很難區(qū)別是日珥或耀斑。湘教版圖1—9側(cè)視的日珥和正視的耀斑十分醒目，而人教版教材里的圖1.12太陽(yáng)耀斑，以正視的形式出現(xiàn)，也是相當(dāng)明亮。

兩者又有什么聯(lián)系呢？耀斑和日珥都是太陽(yáng)熾熱的氣體爆發(fā)，規(guī)模有一個(gè)行星般大。從太陽(yáng)急劇釋放能量的空間上看，日珥中的太陽(yáng)氣體最終回歸太陽(yáng)，而耀斑卻脫離色球?qū)?，飛往宇宙空間。可以看出，耀斑是脫離太陽(yáng)的日珥。

由于太陽(yáng)活動(dòng)的主要標(biāo)志是黑子和耀斑，因而人教版的教材側(cè)重介紹這兩者，忽略日珥。筆者認(rèn)為人教版教材的做法是合理的。而湘教版教材中，只出現(xiàn)名詞，雖有圖示的形式出現(xiàn)兩者的區(qū)別，但少了連續(xù)性文本的解讀，顯示在編寫(xiě)的過(guò)程中略顯粗糙。建議編寫(xiě)者在新版本的教材中要么忽略日珥，要么添加概念為盼。

2.耀斑與太陽(yáng)風(fēng)

湘教版教材里，側(cè)重介紹了日冕層里高速的帶電粒子流脫離太陽(yáng)而形成太陽(yáng)風(fēng)。而人教版教材里以案例的形式介紹了太陽(yáng)風(fēng)暴。“太陽(yáng)表面新形成的巨大黑子群和大耀斑，噴射出的大量氣體、電磁波和帶電粒子流，會(huì)以每小時(shí)300千米以上的速度向宇宙空間噴射，形成太陽(yáng)風(fēng)暴”。湘教版又說(shuō)，“在太陽(yáng)活動(dòng)高峰年，太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)度相應(yīng)增大，特別是在耀斑爆發(fā)時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)格外強(qiáng)烈”。

從兩種版本教材文本看，湘教版認(rèn)為太陽(yáng)風(fēng)發(fā)生在日冕層里，人教版認(rèn)為太陽(yáng)風(fēng)暴則是由大耀斑形成的，而大耀斑則產(chǎn)生于色球?qū)又??？梢?jiàn)太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)風(fēng)暴是兩個(gè)概念。正好像地球表面，“風(fēng)”與“風(fēng)暴”一樣。筆者認(rèn)為，太陽(yáng)風(fēng)誕生于日冕層里，而當(dāng)光球?qū)由系暮谧釉龆鄷r(shí)，其正對(duì)應(yīng)的色球上空，耀斑也會(huì)突然增多，這樣太陽(yáng)拋出的高能帶電粒子流也會(huì)同時(shí)增加，形成太陽(yáng)風(fēng)暴。也即太陽(yáng)風(fēng)是常有的，而太陽(yáng)風(fēng)暴則不常有?？梢?jiàn)兩種版本的教材對(duì)太陽(yáng)拋出的高能帶電粒子流的描述，各有側(cè)重，這給一線教師的教學(xué)帶來(lái)了困難。因此在很多教師不理解的情況下，在教學(xué)中產(chǎn)生了照本宣科的現(xiàn)象，給學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解帶來(lái)了很大的難度。

四、什么是磁暴？

人教版和湘教版兩個(gè)版本的教材對(duì)磁暴的表述完全不同。

湘教版的教材中是這樣表述的：耀斑……以射電爆發(fā)和高能粒子噴發(fā)等方式放出輻射能，這些輻射能到達(dá)地球，引起大氣電離層中強(qiáng)烈的電磁擾動(dòng)——磁暴。

人教版的教材中卻是這樣表述的：太陽(yáng)大氣拋出的高能帶電粒子流會(huì)擾亂地球磁場(chǎng)，使地球磁場(chǎng)突然出現(xiàn)“磁暴”現(xiàn)象，導(dǎo)致羅盤(pán)針劇烈顫動(dòng)，不能正確指示方向。同時(shí)，人教版教材中，將“當(dāng)太陽(yáng)黑子和耀斑增多時(shí)，其發(fā)射的電磁波進(jìn)入地球大氣層，會(huì)引起大氣層擾動(dòng)，使地球上無(wú)線短波通信受到影響，甚至出現(xiàn)短暫的中斷”與“磁暴”并列。從人教版教材的編寫(xiě)文本上看，兩者是并列關(guān)系。

那么什么是磁暴呢？

金祖孟先生認(rèn)為“高能粒子流（速度可達(dá)每秒數(shù)百或近千km）到達(dá)地球附近時(shí)，擾亂了地球磁場(chǎng)，引起磁針劇烈顫動(dòng)，就像地球磁場(chǎng)突然卷起一場(chǎng)風(fēng)暴，稱(chēng)為磁暴”[1]。

維基百科是這樣解釋的：耀斑爆發(fā)時(shí)會(huì)輻射出X射線、紫外線、可見(jiàn)光及高能量的質(zhì)子和電子束，其中的帶電粒子（質(zhì)子、電子）形成的電流沖擊地球磁場(chǎng)，引起電離層的變化，同時(shí)引起地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向發(fā)生急劇不規(guī)則變化，稱(chēng)為磁暴。

中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化科學(xué)傳播平臺(tái)中的中國(guó)天文科普網(wǎng)里，報(bào)道了一則消息：最新太陽(yáng)活動(dòng)或引發(fā)地球磁暴。美國(guó)航天局2013年1月31日發(fā)表聲明稱(chēng)，該局的觀測(cè)表明，美國(guó)東部時(shí)間當(dāng)天2時(shí)9分（北京時(shí)間15時(shí)9分），太陽(yáng)爆發(fā)了一次面向地球的日冕物質(zhì)拋射。日冕物質(zhì)拋射是太陽(yáng)爆發(fā)的一種，這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，太陽(yáng)大氣層中會(huì)有數(shù)十億噸的物質(zhì)被高速拋射到太空中，如果拋射方向正好朝向地球，一般會(huì)在地球大氣層中引發(fā)強(qiáng)烈磁暴，從而破壞電力系統(tǒng)、通信設(shè)施等。這種劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)還會(huì)損壞地球同步衛(wèi)星，使得太空中的宇航員暴露在強(qiáng)烈的輻射之下。

從報(bào)道中可以看出，中科院的觀點(diǎn)和維基百科基本相似。人教版教材中的觀點(diǎn)和金老先生的觀點(diǎn)一致。湘教版教材把“大氣電離層中強(qiáng)烈的電磁擾動(dòng)”稱(chēng)為磁暴，筆者認(rèn)為教材編寫(xiě)專(zhuān)家一定有科學(xué)的依據(jù)。但是人教版教材觀點(diǎn)和金祖孟先生的觀點(diǎn)一致，也應(yīng)得到尊重。至少在在新版的湘教版教材里應(yīng)吸收人教版的觀點(diǎn)，將兩種現(xiàn)象統(tǒng)一稱(chēng)為“磁暴”。在教材沒(méi)有修訂之前，一線教師應(yīng)該補(bǔ)充人教版教材中對(duì)磁暴理解的相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生對(duì)磁暴現(xiàn)象有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

五、地球公轉(zhuǎn)軌道與黃道

湘教版教材中，對(duì)地球公轉(zhuǎn)軌道是這樣表述的：地球繞太陽(yáng)運(yùn)行叫公轉(zhuǎn)，其路徑叫公轉(zhuǎn)軌道。地球公轉(zhuǎn)軌道面叫黃道面。并認(rèn)為地球的赤道面與黃道面之間的夾角，叫黃赤交角，約為23.5°的夾角。

而人教版則認(rèn)為，地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，叫做地球公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)的軌跡叫做公轉(zhuǎn)軌道。地球公轉(zhuǎn)軌道平面稱(chēng)為黃道平面。赤道平面與黃道平面之間存在一個(gè)交角，叫做黃赤交角。目前的黃赤交角是23°26′。教材中并以注記的形式進(jìn)行了標(biāo)注，其注解為“黃赤交角并不是固定的。從1984年起，天文學(xué)上用的黃赤交角的數(shù)值是23°26′21″”。

可見(jiàn)兩種版本的教材對(duì)地球公轉(zhuǎn)軌道的敘述，大同小異。兩種教材中也沒(méi)有介紹什么是黃道，只說(shuō)“地球公轉(zhuǎn)的軌道平面稱(chēng)為黃道平面”，為什么稱(chēng)為黃道平面，教材也沒(méi)有作明確的介紹。什么是黃道呢？金祖孟先生認(rèn)為“地球在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。地球公轉(zhuǎn)的方向與其自轉(zhuǎn)方向相同，都是向東。這種運(yùn)動(dòng)同樣是不能被感覺(jué)到的。在地球上的觀測(cè)者看來(lái)，倒是像太陽(yáng)在繞地球運(yùn)動(dòng)……地球公轉(zhuǎn)一周，太陽(yáng)則以相同的方向（向東）和周期（1年）在眾星間巡天一周。這叫太陽(yáng)周年視運(yùn)動(dòng)，其視行路線被叫做黃道”[2]。

黃道與地球公轉(zhuǎn)軌道不是同一概念。后者是地球在宇宙空間繞日的軌跡，而前者是地球上的觀察者看到的太陽(yáng)周年視運(yùn)動(dòng)軌跡。但兩者都在同一個(gè)平面上。“黃道面”在教材中既然出現(xiàn)，卻沒(méi)有有關(guān)黃道的解釋?zhuān)@得相當(dāng)突兀。教材中如果沒(méi)有明確的解釋?zhuān)瑢W(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)概念的混淆，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容時(shí)出現(xiàn)難上加難的現(xiàn)象。也許是出于版面，兩種教材都沒(méi)有對(duì)黃道作出詮釋?zhuān)P者認(rèn)為不妥。只有清楚了黃道，才有黃道面，才會(huì)有后面的黃赤交角。因此，筆者認(rèn)為，有關(guān)黃道的概念必須在教材里出現(xiàn)。在教材沒(méi)有作出修訂之前，教師也要根據(jù)實(shí)際情況，補(bǔ)充一個(gè)概念。

對(duì)于黃赤交角的大小。由于黃道面位置的改變，使黃赤交角有長(zhǎng)期的變化。當(dāng)前，由于黃極正在向天極靠近，黃赤交角每世紀(jì)減少47″，但這種變化是周期性，約為40000年。因此筆者認(rèn)為人教版的表述符合黃赤交角的本質(zhì)特征，用詞準(zhǔn)確，其說(shuō)法是合理的。而湘教版的說(shuō)法，值得一線教師警惕。本教材中約為23.5°的表述，不僅存在著數(shù)值偏大的現(xiàn)象，并且沒(méi)有用任何詞語(yǔ)表示其大小是變化的，不是一個(gè)固定值。在此，建議湘教版教材編寫(xiě)者，在新版教材中，需作出科學(xué)的修正為盼。

[1][2] 金祖孟原著,陳自悟修訂.地球概論[M].北京：高等教育出版社,1997.