“宇宙中的地球”值得注意的几个概念

金子兴

（浙江省衢州第二中学, 浙江 衢州 324000）

“宇宙中的地球”值得注意的几个概念

金子兴

（浙江省衢州第二中学, 浙江 衢州 324000）

湘教版高中地理必修Ⅰ“宇宙中的地球”一章是高中地理教学的难点之一。该章不仅需要学生有较强的抽象思维能力和空间想象能力，而且还需要学生有一定的逻辑推理能力。本章出现有许多的概念，而概念是构建学科逻辑体系的起点，是清晰有序呈现知识的必要条件。厘清这些概念在一定程度上有助于对本节内容的学习，有利于对教材中地理原理和规律的理解。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现象，给教师和学生的学习与理解造成了一定困难。笔者从“星云和星系”“太阳辐射和太阳活动”“日珥、耀斑、太阳风”“磁暴”“地球公转轨道和黄道”几组概念的区分出发，以期给教材编写者改版和一线教师在教学过程中对相关内容的教学处理以借鉴。

一、星云和星系

湘教版教材中指出：银河系及河外星系主要是由恒星等比较大的天体组成的……银河系和河外星系都是星系，所有的星系合在一起，构成了最大的天体系统，称为总星系。可以看出星系主要是由恒星组成的天体系统。而星云呢？湘教版教材中不仅指出“宇宙间的星云、恒星、行星、卫星等各种物质通称为天体”，还认为“星云是很多由尘埃和气体等组成的云雾状天体”。人教版教材中也认为“星云是由气体和尘埃组成的呈云雾状外表的天体，主要物质是氢”。可以看出，星云是一种天体类型，而不是天体系统，是星系里一个重要的组成部分。

问题在于湘教版教材中，出现了“图1-2类似于银河系的仙女座大星云”并配以照片。从照片上看，好象是一个星系，但从图名上看，却是大星云。仙女座大星云是星系还是星云呢？其实，仙女座星系，是一个巨型旋涡星系，也是离银河系最近的巨大星系。那为什么称星云呢？这和人类早期观察仙女座星系有关。最早的仙女座星系观测纪录可能出自波斯的天文学家阿尔苏飞，他描述它是“小云”，星图上的标记在那个时代也是“小云”。在那个时代，人们观测星空的手段比较落后，是人类没有看清楚的原因。但这种称呼一直传承下来。因此，笔者认为，为了消除学生困惑，一是教师在教学中要精心设计教学，通过与银河系的比较，让学生去判断仙女座是星云还是星系，二是在新版的教材中，建议将图1—2的图名正名为“类似于银河系的仙女座星系”。

二、太阳辐射和太阳活动

这两个概念是学生最容易混淆的。那么这两个概念有哪些区别与联系呢？

太阳辐射是太阳以电磁波的形式向宇宙空间放射的能量。从概念上看，太阳辐射的本质是放射能量，能量释放的形式为电磁波。从产生的影响上看，太阳辐射是地球大气运动、水循环的主要能源。太阳辐射本身以及大气运动、水循环等，也为人类提供了源源不断的能源。

太阳活动，是指太阳释放能量的不稳定性所导致的一些明显现象。从概念上看，太阳活动的本质是太阳不稳定释放能量引起的一种现象。从成因上看，是太阳不稳定释放能量所致。从影响上看，不同的太阳活动对地球产生的影响是不同的。

因此，太阳辐射和太阳活动相比，前者是稳定的释放能量，后者是不稳定释放能量产生的现象。前者的能量主要集中在0.15—4微米之间，分为可见光、红外线和紫外线三部分；而不稳定释放能量主要集中在紫外线及波长更短的电磁波。可以看出，太阳释放能量有两部分，一部分是稳定的太阳辐射，另一部分是不稳定的太阳辐射，是太阳急剧释放能量，这一部分能量，由于是急剧的释放，因此给地球带来更多的不利影响。

三、日珥、耀斑和太阳风

1.日珥与耀斑

日珥和耀斑都是发生在色球上的太阳活动。湘教版教材没有对这两个名词进行解释。人教版教材中指出：色球的某些区域有时会突然出现大而亮的斑块，人们称为耀斑，又叫做色球爆发。人教版的教材中没有出现日珥这个概念。湘教版的教材里虽然没有文字说明，但却配以“图1—9太阳外部结构示意图”，对日珥和耀斑这两种现象进行了标注。

什么是日珥？色球层表面跳动着鲜红的火舌，这种火舌状物体就叫做日珥。可以看出，两者都是色球层上太阳能量的突然爆发。

那么两者有什么区别呢？从概念上看，耀斑是太阳色球上的斑块，而日珥是舌状物体，从侧视的角度可以看到形如耳朵，故称日珥。倘若我们从正面看日珥和耀斑，那两者都会表现为大而亮的斑点，因而很难区别是日珥或耀斑。湘教版图1—9侧视的日珥和正视的耀斑十分醒目，而人教版教材里的图1.12太阳耀斑，以正视的形式出现，也是相当明亮。

两者又有什么联系呢？耀斑和日珥都是太阳炽热的气体爆发，规模有一个行星般大。从太阳急剧释放能量的空间上看，日珥中的太阳气体最终回归太阳，而耀斑却脱离色球层，飞往宇宙空间。可以看出，耀斑是脱离太阳的日珥。

由于太阳活动的主要标志是黑子和耀斑，因而人教版的教材侧重介绍这两者，忽略日珥。笔者认为人教版教材的做法是合理的。而湘教版教材中，只出现名词，虽有图示的形式出现两者的区别，但少了连续性文本的解读，显示在编写的过程中略显粗糙。建议编写者在新版本的教材中要么忽略日珥，要么添加概念为盼。

2.耀斑与太阳风

湘教版教材里，侧重介绍了日冕层里高速的带电粒子流脱离太阳而形成太阳风。而人教版教材里以案例的形式介绍了太阳风暴。“太阳表面新形成的巨大黑子群和大耀斑，喷射出的大量气体、电磁波和带电粒子流，会以每小时300千米以上的速度向宇宙空间喷射，形成太阳风暴”。湘教版又说，“在太阳活动高峰年，太阳风的强度相应增大，特别是在耀斑爆发时，太阳风格外强烈”。

从两种版本教材文本看，湘教版认为太阳风发生在日冕层里，人教版认为太阳风暴则是由大耀斑形成的，而大耀斑则产生于色球层中。可见太阳风和太阳风暴是两个概念。正好像地球表面，“风”与“风暴”一样。笔者认为，太阳风诞生于日冕层里，而当光球层上的黑子增多时，其正对应的色球上空，耀斑也会突然增多，这样太阳抛出的高能带电粒子流也会同时增加，形成太阳风暴。也即太阳风是常有的，而太阳风暴则不常有。可见两种版本的教材对太阳抛出的高能带电粒子流的描述，各有侧重，这给一线教师的教学带来了困难。因此在很多教师不理解的情况下，在教学中产生了照本宣科的现象，给学生对知识的理解带来了很大的难度。

四、什么是磁暴？

人教版和湘教版两个版本的教材对磁暴的表述完全不同。

湘教版的教材中是这样表述的：耀斑……以射电爆发和高能粒子喷发等方式放出辐射能，这些辐射能到达地球，引起大气电离层中强烈的电磁扰动——磁暴。

人教版的教材中却是这样表述的：太阳大气抛出的高能带电粒子流会扰乱地球磁场，使地球磁场突然出现“磁暴”现象，导致罗盘针剧烈颤动，不能正确指示方向。同时，人教版教材中，将“当太阳黑子和耀斑增多时，其发射的电磁波进入地球大气层，会引起大气层扰动，使地球上无线短波通信受到影响，甚至出现短暂的中断”与“磁暴”并列。从人教版教材的编写文本上看，两者是并列关系。

那么什么是磁暴呢？

金祖孟先生认为“高能粒子流（速度可达每秒数百或近千km）到达地球附近时，扰乱了地球磁场，引起磁针剧烈颤动，就像地球磁场突然卷起一场风暴，称为磁暴”[1]。

维基百科是这样解释的：耀斑爆发时会辐射出X射线、紫外线、可见光及高能量的质子和电子束，其中的带电粒子（质子、电子）形成的电流冲击地球磁场，引起电离层的变化，同时引起地球磁场的强度和方向发生急剧不规则变化，称为磁暴。

中国科学院网络化科学传播平台中的中国天文科普网里，报道了一则消息：最新太阳活动或引发地球磁暴。美国航天局2013年1月31日发表声明称，该局的观测表明，美国东部时间当天2时9分（北京时间15时9分），太阳爆发了一次面向地球的日冕物质抛射。日冕物质抛射是太阳爆发的一种，这种现象发生时，太阳大气层中会有数十亿吨的物质被高速抛射到太空中，如果抛射方向正好朝向地球，一般会在地球大气层中引发强烈磁暴，从而破坏电力系统、通信设施等。这种剧烈的太阳活动还会损坏地球同步卫星，使得太空中的宇航员暴露在强烈的辐射之下。

从报道中可以看出，中科院的观点和维基百科基本相似。人教版教材中的观点和金老先生的观点一致。湘教版教材把“大气电离层中强烈的电磁扰动”称为磁暴，笔者认为教材编写专家一定有科学的依据。但是人教版教材观点和金祖孟先生的观点一致，也应得到尊重。至少在在新版的湘教版教材里应吸收人教版的观点，将两种现象统一称为“磁暴”。在教材没有修订之前，一线教师应该补充人教版教材中对磁暴理解的相关知识，让学生对磁暴现象有一个系统的认识。

五、地球公转轨道与黄道

湘教版教材中，对地球公转轨道是这样表述的：地球绕太阳运行叫公转，其路径叫公转轨道。地球公转轨道面叫黄道面。并认为地球的赤道面与黄道面之间的夹角，叫黄赤交角，约为23.5°的夹角。

而人教版则认为，地球绕太阳的运动，叫做地球公转，公转的轨迹叫做公转轨道。地球公转轨道平面称为黄道平面。赤道平面与黄道平面之间存在一个交角，叫做黄赤交角。目前的黄赤交角是23°26′。教材中并以注记的形式进行了标注，其注解为“黄赤交角并不是固定的。从1984年起，天文学上用的黄赤交角的数值是23°26′21″”。

可见两种版本的教材对地球公转轨道的叙述，大同小异。两种教材中也没有介绍什么是黄道，只说“地球公转的轨道平面称为黄道平面”，为什么称为黄道平面，教材也没有作明确的介绍。什么是黄道呢？金祖孟先生认为“地球在自转的同时，还绕太阳公转。地球公转的方向与其自转方向相同，都是向东。这种运动同样是不能被感觉到的。在地球上的观测者看来，倒是像太阳在绕地球运动……地球公转一周，太阳则以相同的方向（向东）和周期（1年）在众星间巡天一周。这叫太阳周年视运动，其视行路线被叫做黄道”[2]。

黄道与地球公转轨道不是同一概念。后者是地球在宇宙空间绕日的轨迹，而前者是地球上的观察者看到的太阳周年视运动轨迹。但两者都在同一个平面上。“黄道面”在教材中既然出现，却没有有关黄道的解释，显得相当突兀。教材中如果没有明确的解释，学生在学习的过程中，会出现概念的混淆，导致学生在学习这一部分内容时出现难上加难的现象。也许是出于版面，两种教材都没有对黄道作出诠释，笔者认为不妥。只有清楚了黄道，才有黄道面，才会有后面的黄赤交角。因此，笔者认为，有关黄道的概念必须在教材里出现。在教材没有作出修订之前，教师也要根据实际情况，补充一个概念。

对于黄赤交角的大小。由于黄道面位置的改变，使黄赤交角有长期的变化。当前，由于黄极正在向天极靠近，黄赤交角每世纪减少47″，但这种变化是周期性，约为40000年。因此笔者认为人教版的表述符合黄赤交角的本质特征，用词准确，其说法是合理的。而湘教版的说法，值得一线教师警惕。本教材中约为23.5°的表述，不仅存在着数值偏大的现象，并且没有用任何词语表示其大小是变化的，不是一个固定值。在此，建议湘教版教材编写者，在新版教材中，需作出科学的修正为盼。

[1][2] 金祖孟原著,陈自悟修订.地球概论[M].北京：高等教育出版社,1997.