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如何与《百科探秘》成为好朋友?
氪
在电流作
用下,氪气会发
出略带紫色的白
光。氪是低能耗
荧光灯中使用的
主要气体。
氙
这种气体能在电流作
用下发出淡紫色的光。氙气
常常被用于很多汽车极亮且
高温的前大灯里。
稀有气体
地球大气中约1%是稀有气体,它们很少和其
他元素结合。常温常压下的稀有气体都是无色无味
的,但是当有机会发光的时候,它们就会变得非常
耀眼!
——照亮我们的生活
城市的灯光
第一批霓虹灯出
现于20世纪初。
它们彻底地改变
了城市的样子。
刺眼的危险
使用氙气的前大
灯能提供非常好
的夜视性,但它
也可能让道路上
的其他司机感到
刺眼。
节能灯
低能耗荧光灯要
比传统白炽灯的
耗电量少5倍。
把金属焊接在一起
氩气极不活泼,因此,它被用
来防止在危险作业(比如金属
焊接)时发生爆炸。
稀有气体的位置
元素周期表示意图
氖
当有电流通过时,
氖气会发光。含氖气的霓
虹灯会发出闪亮的橙红
色,它给城市的夜生活带
来了炫目的色彩。
Ne
10
氖
氡
这 种 稀 有 气 体 具
有放射性。氡气是地壳中
的铀通过放射性衰变产生
的,它会自然地从地下渗
透出来。
Rn
86
氡
氩
不活泼的氩气被用
在传统灯泡里,这种灯泡
是通过加热灯丝——一条
螺旋状的钨丝来发光的。
氩气能防止灯丝被烧断。
Ar
18
氩
Kr
36
氪
Xe
54
氙
6种 的元素。
发光的氦气 发光的氖气 发光的氩气 发光的氪气 发光的氙气
图说天下
氦
这种比空气轻的元
素常被用作使物体上升,比
如用在气球和飞艇中。它比
氢气安全,因为它是不可燃
的。氦气是所有元素中沸点
最低的,因此液态氦常常被
用来冷却核反应堆。
纯紫色的能量
氦气发光的颜色会从
浅橘色变化到紫色,
这取决于气体的纯
度。这幅图中展示的
是一个纯度很高的氦
气样品。
He
2
氦
在我们的银河系
中,氦约占所有
元素总质量的
。
2024.9 总第 431 期
专家委员会(按姓氏笔画排序)
吴 岩 张厚英 葛永良
韩国军 焦国力 潘习哲
出 版 人 马玉秀 主 编 杨丽萍
执行主编 刘长鸿 责任编辑 门艳杰
美术编辑 刘峙岩 责任校对 陈世娇
新蕾出版社期刊中心优秀期刊群
《百科探秘》 《作文通讯》
《小学生作文》 《童话王国》
馆》
12 走近古埃及人的“飞行器”(上)
16 太空科学课(二十七)
——有问就有答
20 蓝天的奥秘
22 共赢未来
4 光的奇妙源自星辰
——氦气传奇
稀有气体
——照亮我们的生活
目 次
48 冲关我最棒
30 张钰哲:现代天文学事业的
重要奠基人(上)
34 月亮观察日记
36 汪望望望远镜指南
38 鹰影影天文摄影指南
40 9 月天象预报
43 开往月球的云轨(上)
41 科学家如何预测地震?
版权声明
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得抄袭、剽窃,切勿一稿多投。
●中国航空学会单位会员
●中国科普作家协会单位会员
●中国科普期刊研究会单位会员
4 光的奇妙源自星辰
——氦气传奇
稀有气体
——照亮我们的生活
光的奇妙源自星辰——氦气传奇
文 / 一片星空 吴西顺 吴雨辰
仰望夜空,繁星点点。星星都是由什么组成的呢?每颗星的颜色不同,是因为其组成元素
不同。那么科学家们怎么知道组成星星的是什么元素呢?嘿,是光!通过观测每颗星的光谱,
科学家们可以判断这颗星
的元素组成;通过分析光
谱,他们可以研究星体的
化学成分、温度、密度、
磁场等性质。一个著名的
例子就是“太阳元素”氦
的发现。今天我们就一起
来了解一下这里面有什么
故事吧。
牛顿研究光谱
1666 年,著名的英国科学家艾萨克 • 牛顿研究了光的色散效应。当时,牛顿在一个小房间
里把遮光的百叶窗关上,在窗叶上开了一个小孔(像墨子做的小孔成像实验一样),阳光透过
小孔投射到房间里。他在光线下放置了玻璃棱镜,由
于不同波长的光线折射角度不同,混合了各种波长
的阳光被分解成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫如彩
虹般的颜色——这就是太阳光谱。光谱中的颜色是连
续渐变的,当时数字 7 被认为具有神奇的功能,于
是牛顿就用了七色来表达光谱。但是在接下来的 100
年间,人们并不知道光谱究竟有什么用处。
◎牛顿的光谱实验
◎电磁波谱·光谱
4
特别策划
直 到 1802 年, 剑 桥 大 学 的 威 廉 • 海 德 • 沃 拉 斯 顿(William Hyde Wollaston,1766—
1828)教授发现光谱中有暗线。沃拉斯顿在家中的 17 个兄弟姐妹中排行第二。他的父亲是一位
牧师,也是一位业余天文爱好者,还编过一本星图。父亲培养了他的科学爱好,因此尽管获得
了剑桥大学医学博士学位,沃拉斯顿后来还是决定专攻科学。作为当时英国最有名的科学家之一,
他担任过英国皇家协会的秘书和代理主席,有许多发现与发明,比如发现了元素钯(bǎ)和铑
(lǎo)。他精通炼金术,特别是炼出了俗称白金的铂(bó),并因此致富。沃拉斯顿仔细观察
太阳光谱,发现光谱中有些暗线并记录了其中比较明显的 7 条。这又是一个神秘的数字“7”!
几乎同时,德国科学家约瑟夫 • 冯 • 弗劳恩霍夫(Joseph von Fraunhofer,1787—1825)
也观测到了光谱中的暗线。弗劳恩霍夫是一位镜片磨制高手,他出生于贫穷的玻璃匠家庭,姓
名里的这个“冯(von)”字在德语中是
贵族头衔,是他成名后才加上去的。弗劳
恩霍夫 11 岁时父母双亡,只好去一家玻
璃店当学徒。1801 年,玻璃店失火。当地
的公爵带人去救火,把他从废墟里救了出
来,还出资送他去技校上学,彻底改变了
他的人生。毕业后,他进入慕尼黑一家科
学仪器公司工作,开发了许多先进的工艺
和设备。他为俄国科学院制造的天文望远
镜为后来发现海王星奠定了基础。当时高
倍望远镜会出现“色差”,原因是镜片边
缘的折射会产生彩色光晕。于是在 1812
光谱仪是谁发明的
◎光谱中的暗线
◎不同物质燃烧时,本生灯会发出不同颜色的光
5
至 1814 年间,弗劳恩霍夫致力于研究色差,这期间,他注意到太阳光谱暗线的存在,一下子精
确测量出了 324 条,并用拉丁字母标记了较突出的谱线——后人称其为“弗劳恩霍夫线”。今天,
人们已经发现了光谱中的 3000 多条暗线。
但这些暗线是怎么来的呢?这要从德国化学家罗伯特 • 威廉 • 本生(Robert Wilhelm
Bunsen,1811—1899)讲起。1857 年,本生发明出能产生高温火焰的本生灯,并发现不同物质在
燃烧时会发出不同颜色的光。他注意到光谱中的 D 线和火焰光谱中的一条暗线重合,后来证明
是钠元素的吸收光谱。后来,他与好友科学家古斯塔夫 • 罗伯特 • 基尔霍夫(Gustav Robert
Kirchhoff,1824—1887)共同制成了世界上第一个分光光谱仪。这个光谱仪用本生灯(D)加热
待 测 量 的 物 质, 火
焰经过望远镜(B)
传到黑箱(A)中。
黑 箱 内 放 置 一 个 三
棱 镜(F), 三 棱 镜
可以通过调节棒(H)
调 节 位 置。 黑 箱 的
另 一 侧 是 观 察 望 远
镜(C)。
后来,德国的基尔霍夫和本生利用光谱仪发现了铯(Cesium)和铷(Rubidium)两种新元素。
其中发现铯的故事有点儿像居里夫人发现镭。本生发现有种矿泉水与纯水的光谱不同,带一条
暗线——这意味着水里存在另一种元素。于是本生处理了 40 多吨矿泉水,提取出了约 7 克铯盐。
铯在 28.5℃以上时是一种金色液态金属。后来,科学家们利用光谱仪陆续发现了多种元素。
基尔霍夫还突破性地发现太阳光谱中的暗线是由于太阳大气中较冷的气体吸收了特定波长
的光而产生的。因此,这些暗线有了新名字——吸收光谱。与之对应的是谱线亮丽的发射光谱——
这是相应元素的原子发射出的各种颜色、波长频率不同的谱线。
发现新元素
◎ 本生(右)、基尔霍夫(左)和光谱仪
6
氦素现身
1868 年 8 月 18 日,法国天文学家皮埃尔•让森
(Pierre Janssen)到印度去观察日全食,利用分光镜
观察日珥,结果在光谱中发现一条黄色谱线,接近钠
黄光的 D1(589.6 纳米)和 D2(589.0 纳米)线。在
日食后,他又在太阳光谱中同样观察到了这条黄线,
于是把它称为 D3 线,谱线位置位于 587.49 纳米。
两个月后的 1868 年 10 月 20 日,英国天文学家
诺曼 • 洛克耶(Norman Lockyer)经过进一步研究,
发现这条谱线是一条不属于任何已知元素的新线。
洛克耶和英国化学家弗兰克兰(E. F. Frankland)认
为这种物质在地球上还没有被发现,于是把这个新
元素命名为 Helium(氦),源自希腊语 helios(太阳,
ήλιος),元素符号定为 He,意思就是“太阳的元
◎氦原子光谱在
可见光区域的分
布(nm=纳米)
◎氦元素的主要发现者法国天文学家让
森(左)和英国天文学家洛克耶(右)
◎氦原子结构示
意图,原子核包
含两个质子和一
个中子(3He)
或 两 个 中 子
(4He),核外
包括两个电子
素”。但是,1869 年,
俄 国 著 名 科 学 家 门
捷 列 夫 发 表 元 素 周
期表时,氦并没有上
榜,可能是因为当时
信息交流并不便利。
◎太阳谱线
7
氦是宇宙中第二轻且含量第二多的元素,大约占宇宙
元素质量的 24%。但是在地球上,氦元素非常稀有!氦在
地球大气中的体积占比仅有百万分之五左右。不巧的是,
氦气对于现代社会恰恰又非常重要。它被广泛应用于航空、
航天、半导体等尖端科研领域,是国防军工和高科技发展
所必需的战略性物资。
氦气是一种重要的战略资源,但是全球供应又非常集
中。世界氦气总资源量截至 2022 年年底约为 484 亿立方米,
其中美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯拥有的资源量分
别为 171、101、82、68 亿立方米。氦气的世界总探明储量约为 120.85 亿立方米,其中美国的储
量占世界总储量的 71%(美国地质勘探局 2022 年数据)。
中国的氦资源更是非常紧缺,每年的氦气需求高达 4000 吨,95% 以上都需要进口。在 2019
年的中美贸易战中,氦气的关税从 5.5% 提高到 10.5%,中国只能加大卡塔尔的氦气采购量,但
地球缺氦
◎门捷列夫的元素周期表原始手稿
◎RD-180火箭发动机管路图。蓝色是燃料注入线路,绿色是液氧注入线路,红色则为高温气
流,白色小方块是各种阀门。我们能看到里面很多地方需要填充氦气(He)
8
卡塔尔没有自主技术,严重依赖美国。不过,中国科学家们经过地质勘探,已经在国内发现了
丰富的氦资源,目前正在从煤层气等资源中开采和提炼氦气。
宇宙形成之初,氦可能被封印在地球内部。虽然后来地球上铀
和钍衰变产生的氦 -4(4He)同位素稀释了原始地球的氦 -3
(3He),但地球上绝大部分氦 -3 依然来源于太阳星云。
有研究表明,地球之初表面还是一片炽热的岩浆海,溶解
了高压大气中的氦。一部分氦可能就此储存在了地幔,
还有一小部分能够进入地核,但是,45 亿年前的忒伊亚
大撞击释放了地幔中的氦 -3,撞击抛出了一部分形成了
月球的雏形。当时由于地壳的广泛熔化,撞击使地幔中
的大部分氦气逃逸到了太空。
人们憧憬星际旅行,未来进入太空就少不了氦气的保驾护航。月球是距离地球最近的天体,
是人类走向宇宙深远空间的前哨站和试验场。幸运的是,离人类最近的天体——月球上富含氦
元素。月球作为太阳风的粒子收集器,长期接受太阳的照射,月球风化层中注入了大量的挥发
性元素和同位素,如有用气体元素氢、氦 -3、碳和氮。由于月球本身没有磁场,所以氦 -3 能
在月球稳定存在,而地球因磁场作用使氦 -3 沿着地球磁力线慢慢扩散,最终在大气中消失。月
球上丰富的氦 -3 资源存于月壤矿物和玻璃中,例如钛铁矿是一种紧密排列的六边形晶体结构,
其孔洞尺寸与氦 -3 原子尺寸基本相
同,所以氦 -3 资源集中存于富钛铁
矿的月壤中。
随着人类对月球探索的不断深
入,开发利用月球矿产资源并将其用
于月球基地建设和后续太空探索已成
为我们新的研究课题。建成月球基地,
然后,我们一起向太空进发!
向太空进发
◎ 月球表面风化层的氦-3含量,(a)为月球正面,(b)为月球背面
太阳星云是太阳
和太阳系形成前在宇宙中
由气体和弥散的固体颗粒组成
的星云。这个星云在自身引力的作
用下逐渐塌缩,形成了太阳和太阳
系中的其他天体。太阳星云的
概念是研究太阳系形成和
演化的基础。
9
北京一片星空天文科普促进中心创立于 2013 年,专门从
事青少年科普教育,自主研发天文、航空、航天课程,开展各
类科普活动。旗下公益品牌项目“萤火虫计划 - 乡村科普百校
行”2019 年立项,科普志愿者们走进曾经的国家级贫困县,
特别是少数民族地区、边疆地区、欠发达地区,累计服务超过
10 万余名乡村中小学师生,相关事迹被人民日报、学习强国、
中国新闻网、中国青年报等媒体多次报道。如果你也想加入组
织当一名科普志愿者,欢迎联系编辑部咨询。
很多孩子通过“一片星空”的科普教
育,认识了太阳系,了解了中国航天工程。
在他们眼中,宇宙长什么样?航天是什
么?我们一起来看看吧。
河南省汝阳县瑞云小学 黄
易宁
新疆和田县巴克墩村小学 麦孜娅·斯迪库拉
新疆和田县巴克墩村小学 谢依帕·奥布力喀斯木
10
新疆和田县巴克墩村小学
吾麦尔江·阿卜杜米吉提
新疆和田县巴克墩村小学 美尔哈巴·海比尔
河南省汝阳县瑞云小学 刘畅
河南省汝阳县瑞云小学 赵轩
11
走近古埃及人的
“飞行器”(上)
一说到埃及,你的脑海里会联想到什么呢?是高大的金字塔、宏伟的狮身人面像,
还是神秘的木乃伊?作为四大文明古国之一,古埃及为人类文明的发展做出了巨大
的贡献,为后人留下了很多绚丽且宝贵的文化遗产。
著名导演罗兰·艾默里奇拍摄的电影《星际之门》讲述了这样一个故事:
美国军方在地球的某处发现了一个奇怪的圆环,圆环的制造技术完全不
同于地球,圆环上还刻有很多奇怪的符号,对古埃及历史及象形文
字颇有研究的考古学家和军方小队一起穿越星际之门,踏上了
探知圆环另一端到底有什么的探险之旅。《星际之门》本
是一部科幻片,飞行器在古代和未来时空穿越并不稀
奇,但值得讲一讲的是,本片塑造的古埃及飞行
器并非毫无根据、空穴来风。
事实上,近些年来在古埃及的遗址
中,考古学家们发现了不少疑似飞
行器的图案或文物,这给神秘
的古埃及又布上了一层厚重
的迷雾,也给文艺创作
者留下了广阔的遐
想空间。今天,我们一起去古埃及
看一看各种神奇的“飞行器”吧。
◎《星际之门》电影海报
文 / 沈海军
12
航空博物馆
法老的UFO
塞提一世的“直升机”
在今天的开罗博物馆内,陈列着一张具有 3000 年历史的莎草纸古画。据说,它是某位古埃
及法老的陪葬品。画中,一位女子趴在地上,一位男子在其下方,高举双手托举着她的身躯。
这是古埃及神话中典型的画面,女子为天空之神——努特,男子为空气之神——舒,表示两位天
神为世人提供了庇护之所。在已发掘的古埃及法老陵墓中,不少文物上都有类似的图案,可见
法老们死后仍希望能够得到伟大的努特神的庇佑。
值得注意的是,在努特膝盖下方、狮身
人面兽的背上,居然有一个闪闪发光的东西。
古埃及狮身人面兽的结构设计缜密,几何尺
寸精确,内部构造复杂,密道纵横通达。关
于狮身人面兽,史学界普遍认为是古埃及法
老胡夫当初为自己守灵而建造的守卫,类似
于中国古代守卫门廊的石狮子。由于建造这
些大型建筑需要超前的工艺甚至大型设备,有些人认为,以当时的生产力水平,古埃及人是没
有能力完成这等庞大的工程的。故他们常将这些工程与外星人的介入联系起来,莎草纸古画上
的这个东西就被这些人当作 UFO。他们把这个当证据,很自信地认为古埃及时期外星人曾驾驶
着飞行器降临地球,而狮身人面兽的背部便是外星飞行器的着陆场。
塞提一世是古埃及第十九王朝的法老,在位时间为公元前 1318 至公元前 1304 年。他是古埃
及非常有名的伟大法老拉美西斯二世的父亲。他曾重振古埃及军队,夺取了叙利亚和巴勒斯坦
等地的大片领土,还大兴土木,修建了许多宏伟建筑,为其后代留下了丰厚的基业。
阿比杜斯是古埃及南部的一座古城,相传是供奉农神俄赛里斯的地方 , 也是古埃及法老的埋
葬地。塞提一世死后,其后人为了纪念他的丰功伟绩,在此建立了一座庙宇——塞提神庙。
2005 年,俄罗斯《真理报》报道说,考古学家在塞提神庙的横梁上发现了奇怪的石雕画,
这幅 3000 多年前的石雕画中出现了疑似直升机和固定翼飞机的图形。
塞提神庙横梁上的图案到底是什么?现在众说纷纭。一种观点认为,塞提一世的别名叫蜜蜂,
画中只不过是一些类似蜜蜂等昆虫的图形。但另一些人并不认可,比如埃及考古学家阿兰 • 艾
尔福德认为,古埃及人描绘的是一个真实的直升机模型,就像他们经常用图画描述日常生活一样。
◎法老的陪葬莎草纸画(局部)
13
在古埃及第十八王朝法老图坦卡蒙统治时期,富饶的努比亚地区由一位名为休伊的贵族掌
管。20 世纪 90 年代,阿塞拜疆的历史学家西琴偶然间在休伊墓内发现了一幅神奇的壁画。这
位历史学家因其著作《地球编年史》,在业界享有极高的声望。西琴认为,该壁画反映的是古
埃及人采用地下发射方式,借助火箭飞船发射休伊遗体至天国的景象。
西琴解释道,该壁画的下半部分是一座发射井,井壁由方砖砌成,井壁上悬挂着豹子皮,
以显示活动的庄重;发射井正中央是火箭的动力级,其内部有两个人在做发射前的检查工作。
火箭飞船的地面部分由两部分组成:最上面的锥形部分为载人舱,用来放置休伊的遗体,下半
部分为一个半球形的燃料箱,用于储存燃料。载人舱和燃料箱结合部分的周边安装有若干天线,
以方便火箭发射中和地面进行无线电联络。火箭飞船发射活动的仪式非常隆重,几个人趴在地上,
祭司们则站立或半跪着合手祈祷。该飞船发射选址也极为考究,发射井周边植被繁茂,长颈鹿
安详地吃着树叶,一片人与自然和谐的画面……
西琴眼里的古埃及飞船
◎塞提神庙石雕画中的“直升机”
◎沈海军研究团队复原的休伊墓壁画 ◎休伊火箭动力部分与喷气式发动机结构对比
14
西琴之所以坚持自己的观点,主要的论据有二:
第一,古埃及神庙里供奉的圣物——本本石(Ben-Ben)。
在古埃及,普遍存在一种被称为 Ben-Ben 的庙宇,庙宇里常供
奉着一种四棱锥形的圣物——本本石。本本石上常刻有人物的
形象。据说受到供奉,本本石上的人的灵魂会得到超度。在两
河流域的象形文字中,本本石的写法和休伊墓壁画上的火箭飞
船外形极为神似。
第二,休伊曾宣称自己成功破解了两河流域苏美尔人的楔
形文字。在这些文字中,有两个字符经常连在一起出现,分别
发音为 DIN 和 GIR。西琴认为,如果将这两个字符穿在一起竖
起来,完全就是休伊墓壁画中呈现的火箭发射场景。
以上解释有些牵强,但也并非一无是处。为了进一步探究
西琴解释休伊火箭飞船的合理性,我们对休伊墓壁画进行了剖
析,专门制作了休伊火箭飞船版画和 3D 打印模型,
并将休伊火箭的动力部分和现代涡轮喷气发动机结
构进行了对比。令人震惊的是,现代涡轮喷气发动
机有的压气机、燃烧室、动力涡轮、尾喷口等,
休伊火箭上应有尽有,两者结构非常接近。
◎休伊墓壁画中的“火箭”
DIN GIR
◎沈海军研究团队制作的休伊火箭发射3D打印模型
◎本本石的象形写法
15
——有问就有答
太空科学课(二十七)
第二名提问的同学来自浙江课堂,她提出了一个很有趣的问题:在空间站看
到的太阳和地球,与我们在地球上看到的有什么不同吗?朱杨柱回答了这个问
题。先说地球,我们在乘坐飞机时,确实可以俯瞰地球,但是我们依然无法看出
地球是个球体。这是因为我们乘坐的民航飞机飞行高度一般不会超过 10 千米;
即使是一些专业用途的飞机,飞行高度通常也不会超过 30 千米,这个高度对于
文 / 太空熊猫君
首先提问的是来自内蒙古课堂的同学,她提出了两个问题:航天员在太空中是
否会看到太空垃圾?如果遇到太空垃圾,空间站有什么防护措施?
太空垃圾,也叫作太空碎片或者空间碎片,指的是太空中人类不需要的人造物
体。这些物体往往来自废弃的人造卫星、火箭或其他设备的残骸。由于它们的体积
很小、运行速度极快,难以检测和清理,所以太空垃圾对于航天器的正常运行以及
航天员的生命安全都构成了非常大的威胁。
航天工程师利用科技手段时刻关注着太空垃圾的动向,目前还没在中国空间站
附近发现太空垃圾的踪影。即使真的发现了太空垃圾,同学们也别担心,我们的空
间站有完善的预案来应对:首先可以进行轨道机动来规避,空间站在多个方向都有
姿态调节发动机,只要让空间站稍稍改变一下原来的飞行轨道,就可以躲开垃圾碎
片;其次,我们的空间站外壳非常坚固,一般的太空垃圾不会对其造成伤害。
在空间站看到的太阳和地球有何特别?
一转眼,天宫课堂第四课也接近尾声了,最后的天地互动环节又出现了哪些有
趣的问题?我们一起去看看吧。
遇到太空垃圾怎么办?
16
航天播报站
直径超过 1.2 万千米的地
球来说,就显得很低了。
所以在飞机上,我们看到
的地平线依然是一条水平
的直线。而空间站的飞行
高度比飞机的高很多,大
约是 400 千米,在这个距
离上,虽说还没有远到可以让人一眼望到整个地球,但是看出地平线的弧度还是很容易的。
朱杨柱还提到了他的一个发现,在空间站里看到的云朵,都是雪白的。而我们在地面上可
以看到白云、乌云、火烧云甚至是彩色的云彩。这又是为什么呢?答案与光的传播规律有关。
我们知道,云朵主要是由飘浮在大气中的小水滴或者小冰晶构成的,这些水滴和冰晶非常小,
阳光遇到这些小颗粒的时候,就会发生散射,由于这种散射是非常均匀的,所以我们看到的云
呈现为白色。但是如果云层比较厚,光线在多次散射后被吸收和遮挡,亮度就会变弱,云朵暗
了下来,就成了乌云。还有一种情况是阳光穿过厚厚的大气层之后,蓝光和绿光被散射掉,只
有偏红色的光照在低空的云层上,这就形成了美丽夺目的火烧云。
在空间站上观看云朵,则完全是另一番景色。空间站的高度远在云层之上,航天员看到的
云朵实际上是云朵反射回来的太阳光,因为云朵顶部的光照很足,阳光也几乎没有经过大气散射,
所以看上去只会又白又亮,没有其他色彩。
至于在太空中看太阳,这可
不是一件有趣的事情。如果遇到
艳阳高照的日子,我们在地面上
也不敢抬头直视太阳,更何况是在
失去了大气层保护的太空中呢!在
太空站里,由于缺乏大气和云层的
散射,太阳光只会直接照向航天员,
看太阳可是非常危险的!我们的航
天员在阳照区,也就是太阳光直射空
间站的阶段出舱作业时,是要戴上专
门的遮光设备保护眼睛的。
17
下一个提问的是来自陕西课堂的同
学,他想知道航天员在太空中采取了哪些
办法来应对失重对人体带来的不利影响。
正如这名同学所说,微重力环境确实会给
人体带来血液重新分布、肌肉萎缩、骨丢
失等问题。为了消减这些不利因素对人体
的影响,科研人员也为航天员精心设计了
如何对抗失重对人体的不利影响?
高精度时频实验柜有什么作用?
下一个提问机会给到安徽课堂,一名高中生提出了一个很专业的问题:空间站里
的高精度时频实验柜能达到多高的精度?它具体有哪些用途呢?高精度时频实验柜
拥有一套由多个原子钟组成的空间高精度时频系统,目前,地面上的原子钟可以做到
千万年误差不超过一秒,而中国空间站上的冷原子微波钟可以做到一亿年误差不超过
一秒。我们为什么要追求如此高的精度呢?显然不仅仅是为了我们日常的计时工作。
首先,空间站上的微重力、高真空的环境可以提高原子钟的稳定性和精度,在太
空里放置原子钟可以更好地实现原子钟之间的远程同步,不仅可以提高原子钟的可靠
性,也能增加我们的技术优势。在基础科学研究领域,很多物理课题,例如支撑相对
论相关理论的高精度检验,也离不开精密的原子钟。应用层面更是不消多说,金融、
电信、导航等领域都对时间的精度有着非常高的要求,空间站的原子钟越精确,我们
的卫星定位精度和北斗导航系统也会越准确。
18
最后是北京课堂的同学提问。这是一名来自北京航空航天大学宇航学院的大学生,他提出
的问题是太空中没有明显的参照物,航天员怎样判断空间站的姿态和轨道是否发生了变化。本
次航天任务的载荷专家、北京航空航天大学宇航学院的桂海潮教授对这个专业度很高的提问做
出了解答。原来,空间站上配备了地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器等设备,这些敏感器本
质上都是传感器,可以通过利用太空站可见的地球、太阳和恒星的位置来确定空间站当前的姿态、
位置和运行方向。而且,我们的空间站里也装备了北斗定位设备,可以通过北斗导航卫星实现
太空中的定位与导航。再者,利用轨道力学的方法,也可以确定空间站当前的位置以及飞行方向,
航天员只需要打开仪表,所需信息一目了然。
到这里,天宫课堂第四课也正式落下了帷幕。在天宫课堂中,我们看到了从天宫一号到中
国空间站建造的每一步发展,参观了中国空间站的内部构造和科研设备,更在航天员的亲身演示、
悉心讲解下观赏了太空实验的神奇现象,学习了丰富有趣的科学知识。中国航天技术发展的每
一步都凝聚着无数科研人员的辛勤努力和高超智慧。目前,中国空间站已经全面建成,进入应
用与发展阶段,这是中国航天事业快速发展的缩影,更是中国载人航天事业的里程碑。
天宫课堂活动不仅展示了中国航天技术的创新与进步,也激发着同学们对科学探索的兴趣
和好奇心,为未来的航天事业培养了潜在的人才。在这个充满无限可能的时代,希望同学们都
能够像航天员一样,勇敢地追逐自己的梦想,不断超越自我,为实现中华民族的伟大复兴贡献
自己的力量。
怎样判断空间站的姿态和轨道变化?
有效的防护措施和方法,比
方说航天员穿着的企鹅服、
套袋和梯度加压裤,空间站
内配置的太空自行车、抗阻
锻炼设备、太空跑台、拉力器、
握力器等锻炼设备等。它们
不仅保障了航天员的身心健
康,也为航天员的高效工作
提供了可靠的支持。
19
科学实验室
蓝天的奥秘
文 / 卞玲玲 邵明辉
在天宫课堂第四课的天地互动环节中,一位同学提出了有趣的问题:在空间站里看到的太
阳和地球,与在地球上看到的有什么不同吗?航天员朱杨柱为她做出了专业的解答。此外,朱
杨柱还提到了一个发现:在空间站里看到的云朵颜色和在地面上看到的有时不一样。原来这与
光的散射有关。生活中还有许多现象与光的散射相关,比如同学们有没有思考过:天空为什么
是蓝色的呢?接下来我们做一个小实验,去探索天空的奥秘。
1
3 4
2
在鱼缸里倒入约三分之二的水,
并加入几滴牛奶,用筷子搅拌均匀,
形成含有微量牛奶颗粒的溶液。
保持室内光线昏暗,打开手电筒,
从鱼缸顶部观察,我们可以看到淡淡
的蓝色。
保持光源位置不变,从光源的另一
侧观察,我们可以看到光线经过较长路
程的传播,呈现出明显的橙红色。
在鱼缸较长一侧放置手电筒,并在
另一侧放一张白纸。
鱼缸(透明玻璃缸)、纯牛奶、筷子、
手电筒、白纸
想要揭开光线进入大气层后传播的秘密,
我们需要先来了解以下几个概念。20
蓝天的奥秘
散射
光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。太阳光通过同种均匀介质
时沿直线传播,反之传播方向就会发生改变。因此,太阳光进入成分复杂且不均匀的大气层后,会
跟空气分子、尘埃等介质相撞,从而产生散射。
瑞利散射
瑞利散射是光的散射的一种,通常是指微粒尺度远小于入射光波长时发生的散射。瑞利散射的
散射强度与波长的 4 次方成反比,也就是说,波长越短,散射越强。
知道了瑞利散射,我们就可用它来解释天空的颜色了。天空本来是没有颜色的,在大气中,氮
气和氧气分子的尺寸远小于光的波长,当太阳光穿过大
气层时,蓝光的波长短,所以蓝光更容易受到气体分子
的散射,这使得我们在望向天空时看到蓝色。紫色的波
长也较短,那天空为什么不是紫色的呢?这是因为紫光
的波长更小,穿透性弱,被大气层吸收了,且人眼对紫
光并不敏感。
千古名句“落霞与孤鹜齐飞,秋水共长天一色”中描述的天空是什么颜色呢?同理,瑞利散射
也可以解释为什么朝霞与晚霞呈现橙红色。早晨和黄昏时,阳光穿越大气层的距离变长,蓝光多被
散射掉,剩下长波、穿透力强的红光能穿过大气,所以天空看上去呈现橙红色。
概念
一点通
原理
揭秘
回顾上面的实
验我们发现,
从顶部俯视,
靠近光源处
的光线由于发
生瑞利散射呈
现出淡蓝色,
离光源较远处
呈
现橙黄色,这
就能解释光进
入大气层后我
们看到了不同
颜
色。由瑞利散
射可知,蓝光
的波长比红光
的短,所以蓝
光
的散射强度更
强,它多被散
射掉,因此远
离光源的区域
看
不见蓝色的光,
这个原理在生活
中还有什么应用
呢?
在雾霾天气,
光会和我们“
玩捉迷藏”,
这是由于大
气中颗粒物质
(如灰尘、汽
车尾气等)增
多,导致光线
发
生散射,使太
阳光变得暗淡
,能见度降低
。我们知道红
光
的波长较长,
不容易被散射
,也就是说在
雾天里红光更
容
易被观察到,
因此在雾霾天
气,打开红色
的汽车尾灯有
利
于避免发生事故
。此外,雾霾天
气不仅可能会造
成交通事故,
对人体的伤害也
很大,因此我们
要低碳生活,减
少空气污染。
轻松
答题
阅读完以上内容,请判断下列
哪些说法是正确的。( )
A. 天空原本是没有颜色的,由
于吸收蓝光而呈现蓝色。
B. 晚霞、朝霞的美丽景象可以
用光的散射原理解释。
C.红光比紫光更容易发生散射。
D. 瑞利散射,波长越短,散射
强度越强。
21
共赢未来
文 / 曾翔龙
图 / 淘 仔
最近听博闻爷爷讲述了很多航天合
作故事,故事里很多专家很是厉害,
我们跟“一带一路”共建国家在人才
培养方面是不是也有合作啊?
有啊,“授
人以鱼,不如
授人以渔”,
我们一直在帮
助很多国家培
养航天人才。
我们一起
飞往美丽的
非洲大陆去
看看吧!
我们都知道
非洲不少国家
发展相对滞后,
而缺乏人才和
基础设施是长
期制约它们发
展的瓶颈。
人呢?
22
近些年来,我们
为非洲国家的科研
人员在卫星设计、
制造、发射、控制
等方面提供了很多
高质量培训呢。
“一带一路”
是 一 条 发 展、
共 赢 之 路, 得
到我们帮助的
朋 友, 也 会 将
他们的珍贵资
源回馈给我们。
我知道! 2014 年
以来,我国先后在
遥感与地理信息系
统、卫星通信与卫
星导航、小卫星技
术等方向,利用全
额中国政府奖学金,
资助了 8 位非洲国
家的研究生。
他们来自阿尔
及利亚、埃及、
埃塞俄比亚、多
哥、喀麦隆、莫
桑比克、尼日利
亚、苏丹。
我懂了,
赠人玫瑰,
手有余香。
不行不行,我们国家的航天
技术怎么能透漏给别人?!
23
因为在埃塞俄比
亚发现的南方古猿
是目前人类发现的
最早直立行走的人
类祖先啊。虽然是
人科动物的一个已
灭绝的属,但它被
认为是从猿到人转
变的第一阶段。
咱不是说航
天吗,博闻爷
爷咋讲起人类
简史了?
埃塞俄比亚又
不属于四大文明
古国,为啥说那
里是人类起源之
地啊?
这里面有啥值得
讲讲的故事吗? 还真有,我们
一起去人类起源
之地——埃塞俄
比亚看看。
这是埃塞俄比亚首
颗人造卫星 ETRSS。
该卫星由中国捐助,
于 2019 年 12 月 在 中
国太原发射升空,主
要用于农业、林业、
水资源和灾害监测等。
这不是让
你们多了解
下这个国家
嘛。喏,我
们到恩托托
空间天文台
地面站了。
亚的斯亚贝巴
24
我是地面站
的工程师,主
要工作内容是
接收、解调和
记录 ETRSS 传
回的数据。
位于北京的航天恒星科技有限公
司你们听说过吗?我在那里学习卫
星技术、地面应用、卫星操控等。
感谢中方团队,他们还协助我们
运营卫星系统,帮助我们完成地面
集成测试、人员培训等任务。
你去过中国哪里呀?
2020 年 12 月,
我国第二颗卫星
ET—SMART—
RSS 在中国文昌
成功发射,那时
有很多中国科研
人员过来为我们
培训,太感谢他
们啦!
我看一下啊,
测控站位于纳米
比亚西部,在大
西洋沿岸的斯瓦
科普蒙德市。咱
们出发!
欢迎你们!看到来
自中国的朋友,我感
到很亲切。因为我在
中国接受过培训。回
国后,中国专家还继
续耐心指导我们开展
工作呢。
你们下一站是不是
去纳米比亚共和国?
我知道那里有你们中
国在海外的测控站。
25
您好!我知道中国航
天员刘洋和陈冬也访问
过这里。好开心站在他
们踩过的土地上!这儿
不仅能完成各类航天器
的跟踪、测量工作,也
是纳米比亚的航天人才
培养基地。
你们知道吗?我
们国家的通信局局
长利库宇曾经是纳
米比亚中国航天测
控站首任技术组组
长。他从 2004 年起
接受中方培训,已
经考取了相关专业
的研究生。
欢 迎 中 国 朋
友!这位同学真
厉害,说得一点
儿没错。纳中开
展航天合作已经
有 20 多 年 了,
感谢中方团队的
培训,让越来越
多的工程师成为
我国航天领域的
骨干。
真厉害!我知道
这里是纳米比亚最
好 的 航 天 科 普 基
地,很多青少年会
来参观学习。
对。中方为我
国 培 养 了 一 批
本土航天人才,
我 们 自 然 也 要
努力薪火相传。
大 家 好, 我
是这里的工作
人员肯特。
26
走,去东南亚!
具体都
讲啥呀?
啊?!是真的吗?
2022 年,东
盟国家的数百
名孩子通过网
络视频与神舟
十四号航天员
乘组进行了一
场“天宫对话”。
这场天宫对话
在北京设立主会
场,菲律宾、马
来西亚、泰国等
东盟国家设立了
分会场。
学生们提的问题可五花
八门了,三名航天员一一
耐心解答,还分享了他们
在空间站里的工作生活情
况。比如航天员在太空中
如何感知时间,怎样减轻
失重带来的不利影响,怎
样喝到热水和吃上新鲜的
食物等。
爷爷,我听
说我们跟发达
国家在航天人
才培养方面也
有合作。
东盟国家
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我先来吧。2000 多年前,
悠远的驼铃声从长安响起。
商人穿越过天山南北,将中
国的货物销往世界各地,也
将四面八方的精美物品与异
域信息带回中国。
“一带一路”的航
天合作探索之旅就要
告一段落了,我们去
海 上 丝 绸 之 路 的 起
点——泉州做结营总
结吧!每人最后讲两
句好不好?
是的。2017 年,
欧洲航天局的航
天员们就曾来我
国烟台的航天培
训中心,与中国
航天员进行联合
培训。
2016 年,
叶光富去参
加过欧洲航
天局定期举
办的洞穴探
险活动。
他们去洞穴探
险肯定是因为那
里的极端环境与
太空类似,那里
是锻炼心理素质
和生理机能的理
想场所。
在为期两周
的时间里,他
们与中国的航
天员一起生活
和工作,还学
了中文呢。
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