人类生存的外空环境

李启滅

(WDC -D天文学科中心）

人类生存的环境，一般指空气、土壤、雨雪风霜、森林草原、沙漠山脉、江河湖海、虫鱼鸟兽、花草树木等等，即地圈、气圈、水圈、生物圈。但人类赖以生存的地球，不过是一个太空中的一个星球，它在宇宙空间中运动，其外空环境必定同它相互作用。然而，地球外空环境往往被忽视，太阳似乎永恒不变地照耀着大地，地球周围的星体似乎都相安无事地在各自轨道上运行着，地球整体也永恒不变地转动着，与人类的生存似乎没有什么关系。实际上，地球的外空环境一点也不平静。太阳上经常发生比千亿颗原子弹还猛烈的爆炸，大量的高能粒子侵入地球，在地球周围有无数的小天体，不时撞入地球，较大的天体一旦撞入地球，将造成大规模的灾害。地球作为一个天体，在太空旋转，它的旋转速度在不断变化，整体的微小变化都将对地球局部起着重大影响。这些影响有的直接作用于人类，有的通过影响地球环境作用于人类。有的是长期渐近的，有的则概率较小，虽然不容易看得见，不那么直接，不那么频繁，容易被忽略。但是，人无远虑，必有近忧。人类如果对太空环境的影响缺乏认识，对长期渐近的影响受其害而不知，不早作准备，一旦积累下来，便不可逆转，则悔之晚矣。对概率小的事件缺乏准备，一旦发生则措手不及。

与其说悔之晚矣和措手不及，还是有备无患。如果说人类对于环境和生态的认识已经晚了一步，致使环境污染和生态平衡破坏，造成了难以估量的损失，成为世界性的重大问题，我们就不要在对待太空这个大环境的影响上再晚一步了。

下面分别就太阳、地球周围的小天体和地球整体运动变化来介绍太空环境及其影响。

1 太阳活动性

太阳，作为一个恒星，它在不断演化，不过目前处在主序星阶段，即相对稳定的状态。太阳总亮度变化是非常慢的，要到上万年时间才会有明显可察觉的变化。但是在这种长期变化的背景上是否有较短时间的起伏，一直是天文学所关心的问题。天文学中用地球大气外每平方厘米接受太阳总辐射能量来衡量太阳的光度，这个量叫太阳常数。这个常数可能并不“常'过去的测量是在地面上测量的，要加上被大气吸收的部分，归算到地球大气外，其结果依赖于大气模型并受大气变化的影响，这种测量不是直接的。有了空间探测器以后，可以直接测量太阳常数，但历时还很短。目前已得到一些太阳常数 变化的结果，数据可靠性还有待证实。太阳常数微小的变化，也会对地球环境有强烈影响。

尽管太阳总辐射变化甚微，太阳的局部活动却是十分强烈的。太阳黑子活动十一年周期已经发现一百多年了。近几十年来，人们发现与太阳黑子相联系的太阳耀斑才是太阳上最剧烈的活动。从现象上说，它是通过Ha单色观测到的一种局部增亮的现象，耀斑是一种强烈的爆发，一个大耀斑相当于千亿颗广岛级原子弹的能量。

太阳耀斑爆发抛射出大批的高能带电粒子。这些粒子到达地球后对地球发生一系列影响。首先影响的是地球磁层，然后影响电离层。由于电离层和大气层的保护，到达地表面的粒子很少，但太阳活动能通过对地球磁场的作用而影响到地球深层。带电粒子到达地球周围空间便影响到航天飞行的人员安全和仪器的正常运行。因此太阳活动预报成为航天发射必要的保证。带电粒子引起的电离层密度和结构的变化，直接影响到依赖电离层的短波通讯。气象和水文学者已揭示出许多局部气候和水文变化与太阳活动的关系。因为大气和水文都是复杂系统，受多种因素制约，因此，局部区域气候和水文的变化有肯定的结果，还难以确定整个系统与太阳活动的关系，难以说明各地气候、水文变化与太阳活动联系的不同方式。太阳活动对地球磁场的影响十分强烈，往往引起很猛烈的磁暴。最直接的影响是对供电网络的影响。医学家揭示出某些疾病的发病高潮期同太阳活动的联系，可能是通过地磁场的变化和粒子辐射起作用，机制还不清楚。由于太阳活动对航天、通讯、电力、水文、气象各个方面都有影响，太阳活动数据便成为人们最为关心的外空环境数据。

2 地球周围的小天体

地球在围绕太阳运行的轨道上或轨道附近，可能有三种小天体，即流星、彗星、小行星。太阳系内散右着无数的小流星体，有的流星群的轨道与地球轨道交叉。当地球同它们接近，这些小天体便被地球引力所制约，掉到地球上来，受大气阻力与大气摩擦而燃烧，便成为流星，未烧尽而落到地表面上便成为陨星，每年大约20万吨流星落到地球上，大多数在大气中燃烧光了，少数成为陨星。巨大的流星、陨星可能夹自于彗星和小行星，有的彗星轨道与地球相交，彗星散布在轨道上的零星物质往往成为流星进入地球。彗星核与地球遭遇的可能性也是存在的。近年来，天文学家发现有一群小行星与地球轨道相近轨道上运行，有机会接近地球。这群小行星叫做阿波罗群小行星。由于复杂的行星际引力场的干扰，可能偏离它的正常轨道而与地球相撞。当然这种可能性很小，一亿年才会遇到一次十公里大小的小行星。但是，无论如何，可能性是存在的，一旦与地球相撞，可能会带来很大的灾难。一颗直径十公里的小行星，撞上地球，其破坏力相当于百万亿吨梯恩梯炸药的威力，并使大粉尘弥漫在地球高空达数年之久，吸收阳光，引起气候剧烈变化，可能毁灭许多物种。1908年通古斯陨星就可能是彗星或小行星撞击地球造成的。但这种灾难不是不可避免的，只要我们准确了解这种小行星的行迹，一旦发现其有地球撞击的可能性，即可在远未撞到地球之前发射宇宙飞船到达这种小行星，通过核力使之爆炸，分成若干小块，或用核动力推动使之改变轨道。但前提是要知道它们的存在，并准确掌握它们的运行轨道和轨道变化。因此，小行星和彗星轨道数据乃是地球系统环境中不可缺少的数据。

较巨大的小行星则不可能撞击地球，因为质量大，轨道一般比较稳定。

除自然的小天体外，外空还存在一批人造小天体，那就是1957年以来发射的各种人造卫星及其火箭碎片。人类在开发太空的同时，也给太空造成污染。停止了工作的卫星、各种发射火箭的碎片等一批太空垃圾正在污染太空环境。目前这些垃圾碎片已经多达7000多片，正在威胁到各种航天飞行的安全，进一步发展下去影响的就不是航天本身。因此，登记、监测这些太空垃圾碎片的运行，成为维护太空环境的一项重要工作。

3 地球的整体运动

地球在太空运动着，既有公转又有自转。公转是比较稳定的，而地球的自转则经历着复杂的变化。地球自转的变化是地球的整体运动的变化，它和组成地球系统内部的各部分有着密切的关系。因为它不属于地球系统内部任何一个组成部分，而且人们考虑地球的整体运动往往是把地球看作一个天体而言的运动，我们在这里把它做为系统各部分的共同背景而放到人类太空环境中一起论述。

地球自转，可用自转速度来作为它的指标，这个速度是一个三维向量，实际上它包括角速度和自转轴方向。它的变化，通常称做地球自转速率变化和地极移动。地球自转速率有一种长期减慢的趋势，在3.7亿年前泥盆纪地球转速比现在快得多，一年有400天，自转周期大约每百年地球减慢1一2s。除长期减慢外，还有一种不规则变化。变化的时间尺度为几十年，几年，几个星期。

地球自转另一种变化是地球自转轴相对于地球表面的移动，即地极移动，地极移动也包含长期移动和短期变化。短期变化有两种是比较规则的，一种是周期大约14个月的张德勒摆动。另一种是周年周期性移动。此外还有一种不规则移动。地极移动的短期变化幅度大约12m。即在一个篮球场大小的范围内移动。

地球自转变化的量很小，但地球整体质量很大，微小变化所相对的能量很大，例如自转不规则变化的幅度约10^-8,这一变化相应的动能的变化，比一次八级地震的能量大十万倍。这样大的能量的变化，哪怕只一小部分转移给地球某一局部，就会引起剧烈的变化。

地球自转的原因很复杂，有外部的原因，如日月起潮力引起的潮汐摩擦，有太阳风与地磁场的耦合，也有内部的原因，如地球半径的胀缩，如大气环流，地壳运动，洋流等引起地球转动惯量变化所导致的自转速度变化。无论外因还是内因，自转变化都同地球内部局部的相对运动相联系。从外因上看，通过自转变化，把外部作用转移到内部运动，从内因上看，一部分的运动，会引起整体自转的变化，而整体转动的变化起着传递动能的作用，反过来导致另一些部分的运动。就像汽车运行中，无论是由于上坡下坡、路面不平等外因，还是由于司机踩刹车等内因引起的汽车整体加快、减慢或颠簸。都会引起乘客前俯后仰，行李架上东西掉下来等车内各部分的相对运动。

地球自转长期的变化影响地壳构造、海进和海退。已有很多学者揭示出地球自转速率和地球移动较短期的变化对气候、海洋、地震等多方面的影响。积累地球自转速率和地极移动数据。是我们进一步揭示它们对地球环境的影响不可缺少的一环。