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)知識的必要條件。厘清這些概念在一定程度上有助于對本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，有利于對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”“太陽輻射和太陽活動”“日珥、耀斑、太陽風(fēng)”“磁暴”“地球公轉(zhuǎn)軌道和黃道”幾組概念的區(qū)分出發(fā)，以期給教材編寫者改版和一線教師在教學(xué)過程中對相關(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”。可以看出，星云是一種天體類型，而不是天體系統(tǒng)，是星系里一個重要的組成部分。

問題在于湘教版教材中，出現(xiàn)了“圖1-2類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，是一個巨型旋渦星系，也是離銀河系最近的巨大星系。那為什么稱星云呢？這和人類早期觀察仙女座星系有關(guān)。最早的仙女座星系觀測紀(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)記在那個時代也是“小云”。在那個時代，人們觀測星空的手段比較落后，是人類沒有看清楚的原因。但這種稱呼一直傳承下來。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)計教學(xué)，通過與銀河系的比較，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“類似于銀河系的仙女座星系”。

二、太陽輻射和太陽活動

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

太陽輻射是太陽以電磁波的形式向宇宙空間放射的能量。從概念上看，太陽輻射的本質(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，太陽輻射是地球大氣運(yùn)動、水循環(huán)的主要能源。太陽輻射本身以及大氣運(yùn)動、水循環(huán)等，也為人類提供了源源不斷的能源。

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

因此，太陽輻射和太陽活動相比，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更短的電磁波。可以看出，太陽釋放能量有兩部分，一部分是穩(wěn)定的太陽輻射，另一部分是不穩(wěn)定的太陽輻射，是太陽急劇釋放能量，這一部分能量，由于是急劇的釋放，因此給地球帶來更多的不利影響。

三、日珥、耀斑和太陽風(fēng)

1.日珥與耀斑

日珥和耀斑都是發(fā)生在色球上的太陽活動。湘教版教材沒有對這兩個名詞進(jìn)行解釋。人教版教材中指出：色球的某些區(qū)域有時會突然出現(xiàn)大而亮的斑塊，人們稱為耀斑，又叫做色球爆發(fā)。人教版的教材中沒有出現(xiàn)日珥這個概念。湘教版的教材里雖然沒有文字說明，但卻配以“圖1—9太陽外部結(jié)構(gòu)示意圖”，對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)颖砻嫣鴦又r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柲芰康耐蝗槐l(fā)。

那么兩者有什么區(qū)別呢？從概念上看，耀斑是太陽色球上的斑塊，而日珥是舌狀物體，從側(cè)視的角度可以看到形如耳朵，故稱日珥。倘若我們從正面看日珥和耀斑，那兩者都會表現(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熾熱的氣體爆發(fā)，規(guī)模有一個行星般大。從太陽急劇釋放能量的空間上看，日珥中的太陽氣體最終回歸太陽，而耀斑卻脫離色球?qū)樱w往宇宙空間?？梢钥闯?，耀斑是脫離太陽的日珥。

由于太陽活動的主要標(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，顯示在編寫的過程中略顯粗糙。建議編寫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而形成太陽風(fēng)。而人教版教材里以案例的形式介紹了太陽風(fēng)暴?！疤柋砻嫘滦纬傻木薮蠛谧尤汉痛笠?，噴射出的大量氣體、電磁波和帶電粒子流，會以每小時300千米以上的速度向宇宙空間噴射，形成太陽風(fēng)暴”。湘教版又說，“在太陽活動高峰年，太陽風(fēng)的強(qiáng)度相應(yīng)增大，特別是在耀斑爆發(fā)時，太陽風(fēng)格外強(qiáng)烈”。

從兩種版本教材文本看，湘教版認(rèn)為太陽風(fēng)發(fā)生在日冕層里，人教版認(rèn)為太陽風(fēng)暴則是由大耀斑形成的，而大耀斑則產(chǎn)生于色球?qū)又??？梢娞栵L(fēng)和太陽風(fēng)暴是兩個概念。正好像地球表面，“風(fēng)”與“風(fēng)暴”一樣。筆者認(rèn)為，太陽風(fēng)誕生于日冕層里，而當(dāng)光球?qū)由系暮谧釉龆鄷r，其正對應(yīng)的色球上空，耀斑也會突然增多，這樣太陽拋出的高能帶電粒子流也會同時增加，形成太陽風(fēng)暴。也即太陽風(fēng)是常有的，而太陽風(fēng)暴則不常有?？梢妰煞N版本的教材對太陽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)生對知識的理解帶來了很大的難度。

四、什么是磁暴？

人教版和湘教版兩個版本的教材對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——磁暴。

人教版的教材中卻是這樣表述的：太陽大氣拋出的高能帶電粒子流會擾亂地球磁場，使地球磁場突然出現(xiàn)“磁暴”現(xiàn)象，導(dǎo)致羅盤針劇烈顫動，不能正確指示方向。同時，人教版教材中，將“當(dāng)太陽黑子和耀斑增多時，其發(fā)射的電磁波進(jìn)入地球大氣層，會引起大氣層擾動，使地球上無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，擾亂了地球磁場，引起磁針劇烈顫動，就像地球磁場突然卷起一場風(fēng)暴，稱為磁暴”[1]。

維基百科是這樣解釋的：耀斑爆發(fā)時會輻射出X射線、紫外線、可見光及高能量的質(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，引起電離層的變化，同時引起地球磁場的強(qiáng)度和方向發(fā)生急劇不規(guī)則變化，稱為磁暴。

中國科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)化科學(xué)傳播平臺中的中國天文科普網(wǎng)里，報道了一則消息：最新太陽活動或引發(fā)地球磁暴。美國航天局2013年1月31日發(fā)表聲明稱，該局的觀測表明，美國東部時間當(dāng)天2時9分（北京時間15時9分），太陽爆發(fā)了一次面向地球的日冕物質(zhì)拋射。日冕物質(zhì)拋射是太陽爆發(fā)的一種，這種現(xiàn)象發(fā)生時，太陽大氣層中會有數(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。這種劇烈的太陽活動還會損壞地球同步衛(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”稱為磁暴，筆者認(rèn)為教材編寫專家一定有科學(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)一稱為“磁暴”。在教材沒有修訂之前，一線教師應(yīng)該補(bǔ)充人教版教材中對磁暴理解的相關(guān)知識，讓學(xué)生對磁暴現(xiàn)象有一個系統(tǒng)的認(rèn)識。

五、地球公轉(zhuǎn)軌道與黃道

湘教版教材中，對地球公轉(zhuǎn)軌道是這樣表述的：地球繞太陽運(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，地球繞太陽的運(yùn)動，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)軌道平面稱為黃道平面。赤道平面與黃道平面之間存在一個交角，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″”。

可見兩種版本的教材對地球公轉(zhuǎn)軌道的敘述，大同小異。兩種教材中也沒有介紹什么是黃道，只說“地球公轉(zhuǎn)的軌道平面稱為黃道平面”，為什么稱為黃道平面，教材也沒有作明確的介紹。什么是黃道呢？金祖孟先生認(rèn)為“地球在自轉(zhuǎn)的同時，還繞太陽公轉(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)動同樣是不能被感覺到的。在地球上的觀測者看來，倒是像太陽在繞地球運(yùn)動……地球公轉(zhuǎn)一周，太陽則以相同的方向（向東）和周期（1年）在眾星間巡天一周。這叫太陽周年視運(yùn)動，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周年視運(yùn)動軌跡。但兩者都在同一個平面上?！包S道面”在教材中既然出現(xiàn)，卻沒有有關(guān)黃道的解釋，顯得相當(dāng)突兀。教材中如果沒有明確的解釋，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，會出現(xiàn)概念的混淆，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容時出現(xiàn)難上加難的現(xiàn)象。也許是出于版面，兩種教材都沒有對黃道作出詮釋，筆者認(rèn)為不妥。只有清楚了黃道，才有黃道面，才會有后面的黃赤交角。因此，筆者認(rèn)為，有關(guān)黃道的概念必須在教材里出現(xiàn)。在教材沒有作出修訂之前，教師也要根據(jù)實(shí)際情況，補(bǔ)充一個概念。

對于黃赤交角的大小。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，其說法是合理的。而湘教版的說法，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，并且沒有用任何詞語表示其大小是變化的，不是一個固定值。在此，建議湘教版教材編寫者，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.