空间

赵丰老师:卫星看地球

一个会讲故事的老师,用Right 和Why 带领我们的好奇心走上太空,观察地球。–写给赵丰。

赵丰老师在NASA工作多年,现在国立中央大学担任地空学院院长。每年他都被邀请到中科院研究生院开一门叫《卫星看地球》的课程,报的人很多,而且他每年都被评为最受欢迎的老师。我有幸去听过,他知识渊博,善于思考,善于启发,幽默风趣,敬业非常(有一次喉咙痛得讲不出话就打字和我们交流),他是我见过的最好的老师。此时此刻,嫦娥一号正奔向月球,看直播激动ing,我把他上课提到的一些非常有意思的问题贴上来,来纪念这个伟大的时刻。问题看不懂没关系,重要的是我们要学会思考,学会提问。

1 你看照片,是真是假?

2 为什么是假的? 太圆了;颜色不对;背景不像;

3 地球为什么是圆的? 高处总会被吸下去。

4 地球的扁率为什么是1/300? 离心力/重力

5 为什么重力9.8m/s2? 万有引力公式计算的。 GMm/r2=mg

6 r怎么求? 现代人用卫星。古人怎么求? 利用相似原理,测量竹竿在地面的投影和两点的距离来估计地球半径,精度有90%多。

7 G怎么求? 卡文迪许实验。

8 M怎么求? 利用g G r求。

9 g怎么求? 伽利略自由落体运动;斜面运动;摆。

10 如果离心力=万有引力,是不是可以绕地球旋转了?Right? yes.

11 旋转的时间,速度? t=90-100s,v=7-8km/s(20倍音速),一天绕地球10多圈。

12 多大的速度离开地球? 约11km/s

13 不同的发射速度,不同的运动,抛物线 双曲线 椭圆, Right? yes,椭圆说明能量不足以摆脱引力,双曲线有一条渐近线,说明力量太大,跑掉了(至今有3个卫星跑掉了);抛物线说明被吸引回来了。

14 为什么在1958年成立NASA? 苏联1957年发射成功

15 火箭的原理是什么? 动量守恒。

16 为什么在赤道发射? 省力。

17 为什么在海边发射? 安全

18 绕地球一圈的速度? 大约4万km,8万里。(坐地日行八万里)

19 LEO MEO GEO到底是什么?低轨,高轨和同步卫星

20 为什么要同步? 观察一个地方,通讯传输。

21 同步卫星的高度? 6个地球半径。同步卫星的纬度? 于赤道平行,零度倾斜角。

22 发射同步卫星的难度很大? 难度超过发射卫星到月球,月球距离地球60个半径,只要能量足够,就可以。但是从高纬度地区发射到赤道面,需要在空间作很大的方向调整和动力推动。

23 LEO的高度? 1个地球半径。周期90m,一个半小时。

24 MEO的高度? 4个地球半径 周期12hour

25 GPS算什么? MEO,大概2,2000km

26 极地卫星有什么用? 每个地方都能看到,有周期重复。可以对某一些地区观察变化。

27 非极地卫星有些地方看不到,Right? yes。称为polar holes.

28 气象卫星通常是什么类型? GEO or polar LEO. 太高分辨率低,LEO更清晰。

29 那为什么不能太低? 怕掉下来成为流星

30 多高才行? 高于400km

31 卫星bus,Do you know? 需要动力、温度控制、主板电脑、通讯和数据传输;

32 卫星为什么不像电影那样可以随意对一个地方观测? 因为轨道固定,只能微调,微调也需要燃料;卫星的死亡通常是因为缺少燃料。燃料通常有核能,太阳能。火星之外的行星看太阳就像地球看星星,光芒很微弱,无法用太阳能。

33 用核能危险吗? 危险肯定存在,但是危害却不大。不能只定性分析,还要定量分析。

34 太阳系的控制范围有多大? 如果太阳系的宇宙射线(太阳风)强度=宇宙射线强度,就可以不用考虑太阳的影响了,也就是太阳系以外的范围。

35 距离地球的很近的水星和火星,卫星能登陆吗?水星距离太阳太近了,在水星上看太阳,太阳比我们看到的不知道大几倍,温度很高。曾经有卫星登陆水星,但几个小时后就蒸发了,猜测是被太阳烤坏了。水星距离地球150Mkm,如果飞行器速度10km/s,大概需要170多天,几乎半年。

36 如果要飞往距离更远的行星,该怎么办?利用重力来加速飞行。gravity assist

37 加速之后怎么让他减速,减速也需要很多能量? right,利用大气层作减速运动,先作椭圆运动,然后每次靠近行星的时候利用喷气,让他进入大气层一点,使椭圆越来越小,最后就能围绕行星运动了。这叫aerobraking 利用空气刹车。

38 SOFAR是什么意思? 在水下几百米,因为压力和温度的综合影响,声波在那一层的速度最快,传播的最远,甚至可以传到几千公里外的地方,人们很难相信它能穿这么远,于是就给他取了个名字叫做SOFAR,英文就是这么远的意思

39 微波为什么能煮鸡蛋? 微波煮的其实是水分,因为当微波的频率和水-水之间的氢键相同时,他们产生共振现象,振动的越来越快,动的越快就越热,因此微波能用来加热含水物质,而没有水的物质在微波照射下是没有作用的。

40 光波的波长大约多少? 380-760nm,和细胞核的大小差不多。

41 为什么可见光这么丰富? 因为太阳表面温度6000k,这个温度适合产生可见光波段,因此太阳光的能量大多数集中在可见光波段,如果温度再高一点,辐射的波长就更短。2是大气不吸收可见光。

42 任何东西都在发光吗? 只要不是绝对零度的物体,都在辐射。温度越高,辐射的能量越多(和温度的4次成正比),辐射的波长越短。

43 大气不吸收那些波段? 1 可见光不吸收 2无线电也不吸收。因此,紫外线、粒子流、红外线等都被大气挡在地球的外面。因为我们有光学望远镜和无线电望远镜。

44 如果我们眼睛对微波感光会出现什么情况?那我们的眼睛必须很大很大,和雷达一样大才能接收微波。我们想在的眼睛这么小,是进化的结果,使我们能够接收波长比眼睛小得多的可见光的波。眼睛的瞳孔可以放大可见光波长尺寸的1万倍,可见光波长0.4um-0.7um,它的1万倍为4-7cm,和眼睛的尺寸相差不大。如果太阳光的波长很短很短,像X射线、Gammar射线一样短,这种波通常具有很强的粒子性,它带有很高的能量,我们眼睛根本无法承受这种高能粒子的冲击,一会儿就没用了。

45 大地水准面是怎么回事? 地球的海平面是高低不平的,重的地方吸引力大,就会把更多的水吸过来,水平面就高,反之就小。

46 潮汐是怎么产生的呢?潮汐有很多种,太阳和月球都对地球的引力都会产生潮汐。为什么有潮汐,因为地球是一个半弹性体(大概0.3的作用),表面有自由流动的海水。如果地球是个刚体,那地球就不会有半点影响;如果地球是个完全弹性体,那么地球就不会像现在这么圆,而应该是扁扁的。

47 潮汐的时间规律怎么样?日潮就是太阳引力产生的潮水(S2:表示太阳引潮,每日2次高潮);月潮同样可以理解(M2:表示月球引潮,每日2次高潮)。不同的是月亮虽然比太阳块头小很多,但是却比太阳更靠近地球,它对地球的引潮力是太阳的2倍。因为月亮每天绕地球在转,因此月潮的周期不是12小时,而是12小时25分。

48 为什么有台风? 因为大气温度差异,使得某个地方温度高,气压低,气压高的地方就向气压低的流动。

49 为什么气压流动不是直线流动,而要旋转成为气旋? 因为地球自转偏向力 coriolis force引起的。使得气流有一个逆时针运动。

50 人们是怎么发现洋流的?人们发现太平洋西部,也就是亚洲东部的水温比较高,而欧洲虽然地处高纬地带,但是气候湿润,温度适宜,而不像西伯利亚一般寒冷,探究原因,原来是大洋中存在环流现象,赤道接受的太阳光充足,海水温度高,被洋流带到了亚洲东部的海洋;同样,墨西哥湾的洋流将赤道温水带到欧洲,使得欧洲成为典型的海洋性气候。

51 洋流运动形式如何?洋流是表面的水流,表面水流运动过程可以通过卫星系统很容易得到。在北半球,洋流呈现顺时针方向,在南半球是逆时针方向,赤道的洋流则是水平的。洋底的洋流,科学家现在还没有充足的证据,但我们已经猜测它的运动轨迹。为什么呢有顺时针和逆时针方向性?因为有地球自转偏向力克里奥利力存在,使得北半球的向右偏,南半球像座篇。(可以这么想,将地球自转看成河流,自西向东流,赤道向北走的路线是右偏,向南走到的路线向左偏。)

52 为什么人们关注温室效应?温室效应最主要的影响是对整个地球系统的影响很大。温室效应会引起海平面上升,因为1大陆更多的冰川、积雪融化后汇入海洋(注意海洋冰川的融化对全球海平面上升没有影响,因为海冰密度为0.9,它的10%浮在海面,根据阿基米德定律,浮在水面上的物体的质量就是被排开的水的质量);2海水受热膨胀,后果就是海平面升高。此外,温室效应可能会影响海底洋流,现在科学家还不敢确定,但是如果这是真的,那整个欧洲的气候将不再温暖湿润,而是像俄罗斯一样天寒地冻,欧洲文明有可能被毁灭。

53 谁第一个发现C02引起的green house effect的?这是个很奇怪的事情,我们往往不认识那些真正起到影响人类社会的人物,而对一些无关痛痒的明星如数家珍,比如昨晚点杀葡萄牙的齐达内,几乎全世界都知道这个名字。如果说不关心CO2的原因是因为这个话题太大了,那关心齐达内是不是太空了?齐达内的输赢不关我们任何事情,而气候的变化至少会影响你的日常生活,中国气象局局长秦大河在今年的世界地球日(3月23日)说”中国每年受气象灾害影响人口达4亿(全国1/3)经济损失达2000多亿人民币,占GDP的1-3%”。地球是我们的家园,我们是不是更应该对地球多一些了解呢?第一个发现CO2引起温室效应的人叫 Roger Revelle。

54 有哪些现象是温室效应引起的?厄尔尼诺和拉尼娜,这两个词分别是男孩和女孩的意思。1997年11月科学家通过卫星(Topex/Poseidon)观测到位于赤道的太平洋两端海水高差很大,这引起了人类极大的注意;是什么原因可以引起海水的高差呢?温度,温度高的海水体积大,因此海面高,温度低的海面就低。这说明海水的温度正在发生急剧的变化。 55 海水升高1mm,大概需要多少体积的冰? 400km3的冰,大约长宽高8km。

56 如何防止太阳风呢? 在太阳和地球之间发射一颗卫星,利用太阳风的传播速度500km/s和电磁波的传播速度的时间差作预报。这和利用地震和海啸波之间的速度来预报海啸有异曲同工之妙。

57 地球会越转越慢,日子越来越难过吗? 是的。因为由于地球和受月球影响的潮水之间的摩擦力,地球的自转速度越来越慢,根据古老的珊瑚礁的记录(像年轮一样,每日都有一轮生长),人们发现地球一年竟然有400多天。

58 根据角动量守恒定理,地球的自转速度哪里去了? 地球的角动量mv跑到月球上去了,月球距离地球越来越远,每年约3cm。这个现象叫做tidal breaking。

59 每年月球距离地球3cm是个现象,能说明什么?每年距离3cm,那么40亿年前,距离地球20个地球半径,实际上月地距离是地球半径60倍。有人猜测月球原来是地球的一部分,是地球甩出去的,甩出去的部分就是地球的海洋。这些内容在力学上不成立,唯一可以解释的是地球可能和行星相撞,甩出去很多碎片,经过后期的吸引凝聚成现在的月球。

58 极光是怎么回事?两极地区受到磁力线的保护最弱,因此太阳粒子容易进入两极,将分子游离化,因为不同的原子具有不同的光谱,放出不同颜色的光。极光不是固定而是不断在变化的,一变就持续好几个小时,是名副其实的一场show。古人不知道极光是什么,山海经提到的烛龙在人类认识极光前被视为胡说八道。这说明古籍中还有很多有趣的内容值得发掘,一些罕见的现象偶然发生,虽被记载后还需要通过人类认识的提高来理解这些天书。

59 米兰科维奇曲线是怎么回事?为什么这么有规律? 米氏理论是指地球气候变化有2 ~10 万年为周期的一系列冰期-间冰期旋回变化特征,其周期与地球轨道偏心率(周期为10 万年)、黄赤交角(周期为4.1 万年)以及岁差(周期为1.9 ~2.3 万年)的周期相关。

60 Apollo和郑和下西洋的联系? 举全国之力办成大事,都是为了显佩,成功后不干了。Apollo登月7次,郑和下西洋7次。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注