第一章
天文 地理篇
奧妙的宇宙
宇宙的起源
關於宇宙的起源，民間有著很多美麗的傳說：盤古開天、女媧補天、上帝造萬物……但這些畢竟隻是神話故事，並沒有從科學的角度來研究和探索這一問題。隨著科學技術的不斷進步，對於宇宙的起源、宇宙的年齡、宇宙的運動等問題，科學家給出了新的答案。
大爆炸說
在現代宇宙學所有關於宇宙起源的學說中，大爆炸學說是最具影響力的一種。天文學家勒梅特認為，現在的宇宙是由一個“原始原子”爆炸形成的。美國天文學家伽奠夫在此觀點的基礎上，於l948年正式提出了大爆炸學說。
大爆炸學說認為，宇宙是由大約150億年前發生的一次大爆炸形成的。在爆炸發生之前，宇宙內的物質和能量不斷積聚並逐漸濃縮，當達到一定的溫度和密度時就發生了大爆炸。大爆炸使物質四散而去，宇宙空間開始不斷膨脹，溫度也相應下降。後來，相繼出現了星係、恒星、行星乃至生命，它們都是在這種膨脹冷卻的過程中逐漸形成的。
宇宙的年齡（圖1）
宇宙的年齡是指宇宙從某個特定時刻到現在的時間間隔。根據大爆炸理論，宇宙開始膨脹的時刻就是宇宙紀年的開始。按照哈勃定律，將星係的距離除以各自的速度，可估算出那一刻距今的時間約為200億年。這段時間對所有星係來說是相同的，因為宇宙的開端就在200億年前。按照這一推論結果，宇宙中一切天體的年齡都不應超過200億年。
根據熱核反應提供恒星能源的理論人們估計最老恒星的年齡為l00億至150億年。采用盧瑟福利用物質中放射性同位素含量測定其形成年代的方法，人們測定了地球上最古老的岩石、宇航員從月球上帶回的岩石以及一些隕石樣本，發現它們的年齡均不超過47億年。兩種方法得出的天體年齡竟與“宇宙的年齡範圍”驚人的一致，這又增強了大爆炸理論的可信度。
宇宙海洋中的小島——星係（圖2）
恒星係又稱星係，是宇宙中龐大的星星的“島嶼”，它也是宇宙中最大、最美麗的天體係統之一。到日前為止，人們已在宇宙中觀測到了約一千億個星係。它們中有的離我們較近，可以清楚地觀測到它們的結構；有的非常遙遠，日前所知最遠的星係離我們有近兩百億光年。
按照宇宙大爆炸理論，第一代星係大概形成於大爆炸發生後十億年。在宇宙誕生的最初瞬間，有一次原始能量的爆發。隨著宇宙的膨脹和冷卻，引力開始發揮作用，然後，幼年宇宙進入一個稱為“暴漲”的短暫階段。原始能量分布中的微小漲落隨著宇宙的暴漲也從微觀尺度急劇放大，從而形成了一些“溝”，星係團就是沿著這些“溝”形成的。
在多種星係分類係統中，天文學家哈勃於1925年提出的分類係統是應用得最廣泛的一種。哈勃根據星係的形態把它們分成三大類：橢圓星係、旋渦星係和不規則星係。星係在大小、組成和結構等方麵，彼此差別很大。但它們幾乎全都排布成群或團，其每一個的成員星係，少者幾個，多者可達萬個。星係的直徑通常以幾萬光年計。在一個星係團內，星係之間的平均距離約為100萬至200 萬光年。星係團之間的間距可能再大上百倍。每個星係均由為數眾多(大多是從幾億個到1萬億個以上)的恒星組成。在許多星係(如銀河係)中，都能檢測到由星際氣體和塵粒組成的星雲。
傳說中的天河——銀河
秋天，我們抬頭仰望晴朗的夜空，可以看到有一條晶瑩的“帶子”橫亙在整個夜空，它是由無數大大小小的恒星係和星雲組成的天體係統，人們稱它為銀河係。
銀河係中心厚，邊緣薄，好像一麵凸透鏡。整個銀河係的直徑有l0萬光年，中心厚度有l5萬光年，總共大約有2000顆亦如太陽係那樣的恒星係組成。接大爆炸字宙學假說，銀河係是大爆炸出現的引力不穩定而逐步形成的。大約於公元前440年，古希臘哲學家德謨克利特提出銀河實際上由大量的星星組成，這些星星無法被單個分辨開。但是它們聚集起來發出柔和的光。雖然這個觀點沒引起人們的重視，但是它恰恰是完全正確的。就在1609年，伽利略把第一架望遠鏡對準天空並發現銀河容納了極大數量的星星時，這個理論被證實了。
18世紀後期，成廉·赫歇耳用自製的反射望遠鏡進行了係統的恒星計數的觀測，他計數了117600顆星，繪製了一幅扁而平、輪廓參差、太陽居其中心的銀河係結構圖。在近兩個世紀內，天文學家用比赫歇耳所能用的好得多的儀器和技術探索了銀河係，如今了解到銀河係比赫歇耳所料想的要大得多。在長徑力向上至少延伸出10萬光年，可能擁有2000億顆星。不過可以說，我們確認了銀河係以及星星不是無數的而是可計算的。
龐大的太陽係
太陽係就是我們現在所在的恒星係統。它是以太陽為中心，和所有受到太陽引力約束的天體的集合體：8顆行星冥王星已被開除、至少165顆已知的衛星，和數以億計的太陽係小天體。這些小天體包括小行星、柯伊伯帶的天體、彗星和星際塵埃。廣義上，太陽係的領域包括太陽、4顆像地球的內行星、由許多小岩石組成的小行星帶、4顆充滿氣體的巨大外行星、充滿冰凍小岩石、被稱為柯伊伯帶的第二個小天體區。在柯伊伯帶之外還有黃道離散盤麵、太陽圈和依然屬於假設的奧爾特雲。
形成和演化（圖4）
太陽係的形成據信應該是依據星雲假說，最早是在1755年由康德和1796年由拉普拉斯各自獨立提出的。這個理論認為太陽係是在46億年前在一個巨大的分子雲的塌縮中形成的。這個星雲原本有數光年的大小，並且同時誕生了數顆恒星。研究古老的隕石追溯到的元素顯示，隻有超新星爆炸的心髒部分才能產生這些元素，所以包含太陽的星團必然在超新星殘骸的附近。可能是來自超新星爆炸的震波使鄰近太陽附近的星雲密度增高，使得重力得以克服內部氣體的膨脹壓力造成塌縮，因而觸發了太陽的誕生。
太陽係的主宰——太陽
太陽係的中心天體，直徑為1 392 000km的發光球體，是距地球最近、與地球關係最密切的一顆恒星。
太陽處於整個太陽係的中心，是太陽係裏唯一自己發光發熱的氣體星球。它沒有固體的星體或核心，不會像地球那樣整體自轉。
太陽的直徑為l 392萬千米，是地球的l09倍；體積為141億立方千米，是地球的130萬倍；質量近2000億噸，是地球的33萬倍，是太陽係所有行星質量總和的745倍，集中了太陽係99.8%的質量。
八大行星
從離太陽的距離從小到大依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。1930年由美國天文學家湯博發現的冥王星曾被認為是大行星，但隨著一顆比冥王星更大、更遠的天體的發現，2006年8月24日召開的國際天文學聯合會第26屆大會將其定義為矮行星。
水星最接近太陽，是太陽係中最小最輕的行星。水星在直徑上小於木衛三和土衛六。
金星，它有時是晨星，黎明前出現在東方天空，被稱為“啟明”；有時是昏星，黃昏後出現在西方天空，被稱為“長庚”。金星是全天中除太陽和月亮外最 亮的星，猶如一顆耀眼的鑽石，於是古希臘人稱它為阿佛洛狄忒－－愛與美的女神，而羅馬人則稱它為維納斯——美神。
火星為距太陽第四遠，也是太陽係中第七大行星。除地球外，火星是具有最多各種有趣地形的固態表麵行星。其中不乏一些壯觀的地形：
木星是離太陽第五顆行星，而且是最大的一顆，是所有其他的7顆行星的總和質量的2.5倍，是地球的318倍，體積為地球的1316倍。 被稱為“行星之王”。
土星是離太陽第六遠的行星，也是八大行星中第二大的行星。與木星一樣，土星是由大約75%的氫氣和25%的氦氣以及少量的水，甲烷，氨氣和一些類似岩石的物質組成。這些組成類似形成太陽係時，太陽星雲物質的組成。（圖5）
天王星是太陽係中離太陽第七遠行星，從直徑來看，是太陽係中第三大行星。天王星的體積比海王星大，質量卻比其小。
海王星是環繞太陽運行的第八顆行星，也是太陽係中第四大天體（直徑上）。海王星在直徑上小於天王星，但質量比它大。
地球是距太陽第三顆，也是第五大行星。地球是行星中唯一一顆能在表麵存在有液態水（雖然在土衛六的表麵存在有液態乙烷與甲烷，木衛二的地下有液態水）。我們知道，液態水是生命存在的重要條件。海洋的熱容量也是保持地球氣溫相對穩定的重要條件。因此，地球成了人類寄居地。
太陽大氣層的奇妙現象
仰望天空，最引人注目的就是給人類帶來光明和溫暖的太陽。從古至今，人類對太陽一直充滿了崇拜之情。宴際上，太陽是唯一能被我們觀測到表麵細節的恒星。雖然就總體而言，太陽是一個穩定、平衡、發光的氣體球，但它的大氣層卻始終處於局部的劇烈運動之中，這與太陽及太陽周圍空間的磁場密切相美。
太陽黑子（圖6）
在太陽的光球層上，有一些旋渦狀的氣流，像一個淺盤，中間下凹，看起來是黑色的，這就是太陽黑子。太陽黑子是太陽活動最明顯的標誌之一。之所以叫它“黑子”，是因為它的溫度大約為4500開爾文，比太陽表麵正常溫度要低1000至2000攝氏度，看起來顯得較黑。
太陽黑子活動有一定的周期性，這個周期平均為11年。在前4年左右的時間裏，黑子不斷產生，越來越多，活動加劇，黑子數達到極大的那一年，稱為“太陽活動峰年”：在隨後7年左右的時間裏，黑子越來越少，活動逐漸減弱，黑子數極小的那一年，稱為“太陽活動穀年”。國際規定，從1755年起算的黑子周期為第一周，從後順序排列，2008年後太陽活動將進入第二十四周。
太陽黑子的突出特點是具有強大的磁場，範圍從小太陽黑子的500高斯到大太陽黑子的4000高斯不等。太陽黑子的爆發，不僅會幹擾地球磁場，給航天、通信、電網帶來危害，還會使氣溫、氣壓和大氣環流發生變化，形成惡劣的天氣，而且會影響人體的生物電，對人的身體健康和情緒造成一定傷害。
日珥（圖7）
日珥是發生在太陽色球層的一種太陽活動現象，一般突出在日麵邊緣的外麵。當日珥出現時，太陽大氣層的色球猶如燃燒著的草原，舌狀氣體呈玫瑰紅色，如烈火升騰，千姿百態，有的似拱橋，有的如浮雲，有的像噴泉，而整體看起來又恰似貼附在太陽邊緣的耳環，“日珥”的名稱也是因此而來的。
日珥的亮度要比太陽光球層暗很多，因此隻有在日全食時才能直接看到。日珥的溫度非常高，可達5000至8000開爾文。大部分日珥物質升到一定高度後，會慢慢降落到日麵上，但也有一些漂浮在日冕的低層，既不瓦解，也不降落。雖然日珥物質的密度比日冕高1000至1000倍，但兩者卻能共存幾個月。
太陽耀斑的爆發（圖8）
太陽耀斑是一種最劇烈的太陽活動。周期約為11年。一般認為發生在色球層中，所以也叫“色球爆發”。其主要觀測特征是，日麵上（常在黑子群上空）突然出現迅速發展的亮斑閃耀，其壽命僅在幾分鍾到幾十分鍾之間，亮度上升迅速，下降較慢。特別是在耀斑出現頻繁且強度變強的時候。
太陽耀斑是在太陽的色球－日冕過渡層中發生的一種局部輻射突然增加的太陽活動。太陽上的等離子被加熱至一千萬度，電子、質子及一些重離子被加速到接近光速。這些離子發出的電磁波波段由電磁波譜上的長波微波至最短波長的γ射線。大部份耀斑都出現在太陽活躍的區域如黑子附近，即是太陽表麵磁場線露出日冕的部份。
掃把星——彗星（圖9）
彗星，中文俗稱“掃把星”，是太陽係中小天體之一類。由冰凍物質和塵埃組成。當它靠近太陽時即為可見。太陽的熱使彗星物質蒸發，在冰核周圍形成朦朧的彗發和一條稀薄物質流構成的彗尾。由於太陽風的壓力，彗尾總是指向背離太陽的方向。
彗星沒有固定的體積，它在遠離太陽時，體積很小；接近太陽時，彗發變得越來越大，彗尾變長，體積變得十分巨大。彗尾最長竟可達2億多千米。彗星的質量非常小，
絕大部分集中在彗核部分。彗核的平均密度為每立方厘米1克。彗發和彗尾的物質極為稀薄，其質量隻占總質量的1%－5%，甚至更小。彗星物質主要由水、氨、甲烷、氰、氮、二氧化碳等組成，而彗核則由凝結成冰的水、二氧化碳(幹冰)、氨和塵埃微粒混雜組成，是個“髒雪球”！
哈雷彗星
曆史上第一個被觀測到相繼出現的同一天體是哈雷彗星，牛頓的朋友和捐助人哈雷（1656一1742年）在1705年認識到它是周期性的。它的周期是76年。曆史記錄表明自從公元前240年也可能自公元前466年來，它每次通過太陽時都被觀測到了。它最近一次是在1986年通過的。離太陽很遠時彗星的亮度很低，而且它的光譜單純是反射陽光的光譜。
哈雷彗星的公轉軌道是逆向的，與黃道麵呈18度傾斜。另外，像其他彗星一樣，偏心率較大。
哈雷彗星的彗核大約為16x8x7.5 千米。與先前預計的相反，哈雷彗星的彗核非常暗：它的反射率僅為0.03，使它比煤還暗，成為太陽係中最暗物體之一。
日食和月食（圖10 、圖11）
日食和月食是怎樣發生的呢?我們知道，月球是地球的衛星，圍繞著地球旋轉；同時，地球又帶著月球圍繞太陽旋轉。日食和月食就是這兩種運動產生的結果。由於地球和月球是不發光的天體，所以在太陽的照射下，它們的背後都拖著一條長長的黑影。
當月球、地球和太陽處在一條直線或近於一條直線的情況下，地球或月球被黑影遮住，就發生了日食或月食。如果是月球轉到地球與太陽中間，這三個天體正好接近於排成一條直線時，那麼從地球上看去，月球遮住了太陽，就發生了日食。月球把太陽全部遮住叫日全食；隻遮住一部分叫日偏食，遮住中間而四周還露出一圈日光時叫日環食。日全食和日環食前後也能看到日偏食。如果地球轉到月球與太陽中間，這三個天體恰好或接近處於一條直線時，那麼月球就走進了地球的黑影裏，太陽光照不到月球上，就發生了月食。月球全部進入地球的黑影，叫月全食，隻有一部分進入地球黑影，叫月偏食。