第02章飞行器的活动范围

1、第二章第二章 飞行器飞行器的活动范围的活动范围 2.1 地球大气层地球大气层美丽而又千变万化的地球大气美丽而又千变万化的地球大气 从宇宙空间看到的地球，包围从宇宙空间看到的地球，包围在地球外部的一层美丽而又千变万在地球外部的一层美丽而又千变万化的气体，总称为大气或大气层。化的气体，总称为大气或大气层。大气层以地球的水陆表面为其下界大气层以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。不要小看，称为大气层的下垫面。不要小看这句话，这句话是人类对大气思索这句话，这句话是人类对大气思索，设计实验，野外观测和发展探测，设计实验，野外观测和发展探测技术的历史的总结。技术的历史的总结。回目录页下一页 古希腊

2、哲学家亚里斯多德曾经猜想：我们这个古希腊哲学家亚里斯多德曾经猜想：我们这个世界是由四个壳层组成的，而这四个壳层又分别由世界是由四个壳层组成的，而这四个壳层又分别由四种原质构成，它们是：土四种原质构成，它们是：土( (实心球实心球),),水水( (海洋海洋),),空空气气( (大气大气) )和火和火( (一个不可见的外层一个不可见的外层, ,在闪电的闪光中在闪电的闪光中, ,它偶而成为可见的它偶而成为可见的) )。他说，这些壳层之外的宇宙。他说，这些壳层之外的宇宙是由神秘的、纯粹的第五种原质构成，他把它叫做是由神秘的、纯粹的第五种原质构成，他把它叫做“以太以太”。在这样一幅图象之中，是没有。在这

3、样一幅图象之中，是没有“真空真空”(”(即即“无物无物”)”)的位置的：在土的尽头，水就开始的位置的：在土的尽头，水就开始出现；土和水的尽头，气开始出现；火开始于气的出现；土和水的尽头，气开始出现；火开始于气的尽头；而在火的尽头，以太又紧接着开始出现，它尽头；而在火的尽头，以太又紧接着开始出现，它一直延续到宇宙的终级一直延续到宇宙的终级亚里斯多德的猜想与伽利略的设想亚里斯多德的猜想与伽利略的设想回目录页下一页 “ “大自然厌恶真空。大自然厌恶真空。”古代的古代的哲学家们就是这样说的。水压机看来哲学家们就是这样说的。水压机看来正是大自然厌恶真空的极好的例证。正是大自然厌恶真空的极好的例证。在水压

4、机的把手被压下去时，活塞就在水压机的把手被压下去时，活塞就被提起来，从而在圆筒的下半部分留被提起来，从而在圆筒的下半部分留下一段真空。但由于大自然厌恶真空下一段真空。但由于大自然厌恶真空，所以周围的水会打开筒底的一个单，所以周围的水会打开筒底的一个单向阀门，涌入真空。重复进行这种运向阀门，涌入真空。重复进行这种运作，就会把筒内的水越提越高，直到作，就会把筒内的水越提越高，直到它从泵口流出。根据亚里斯多德的学它从泵口流出。根据亚里斯多德的学说，应该用这个方法把水提到任意高说，应该用这个方法把水提到任意高度的。度的。 回目录页下一页亚里斯多德的猜想与伽利略的设想亚里斯多德的猜想与伽利略的设想 但是

5、那些不得不把水从矿坑底部但是那些不得不把水从矿坑底部汲上来的矿工们却发现，无论花费多汲上来的矿工们却发现，无论花费多大的努力和多长的时间，都不可能把大的努力和多长的时间，都不可能把水汲到离原来水面水汲到离原来水面1010米以上。米以上。 伽利略的探索的一生的晚年伽利略的探索的一生的晚年, ,对对这个谜感到兴趣。显然这个谜感到兴趣。显然, ,大自然对真大自然对真空的厌恶只是到一定的限度为止空的厌恶只是到一定的限度为止, ,除除此之外此之外, ,他不可能再得出任何结论了他不可能再得出任何结论了。他怀疑如果使用密度比水大的液体。他怀疑如果使用密度比水大的液体, ,这个限度会低一些这个限度会低一些,

6、,但他没有来得及但他没有来得及做这个实验就死了。做这个实验就死了。回目录页下一页亚里斯多德的猜想与伽利略的设想亚里斯多德的猜想与伽利略的设想 大气以它变幻莫测的魅力吸引着大气以它变幻莫测的魅力吸引着人们。很早以前，人们就对这令人扑人们。很早以前，人们就对这令人扑朔迷离的大气世界，产生了极大的兴朔迷离的大气世界，产生了极大的兴趣。特别对于它的趣。特别对于它的“身世身世”是最关心是最关心的了。大气是怎样诞生的？原始大气的了。大气是怎样诞生的？原始大气是什么样子？是否与今天的大气一样是什么样子？是否与今天的大气一样？这一系列的问题，一直争论至这一系列的问题，一直争论至今。人们都承认，地球大气是伴随着

7、今。人们都承认，地球大气是伴随着地球的形成过程，经过了亿万年的不地球的形成过程，经过了亿万年的不断断“吐故纳新吐故纳新”，才演变成今天的这，才演变成今天的这个样子。但它是怎样演变的呢？一般个样子。但它是怎样演变的呢？一般认为，地球大气的演变过程可以分为认为，地球大气的演变过程可以分为三个阶段。三个阶段。地球大气的由来地球大气的由来回目录页下一页 大约在大约在5050亿年前，大气伴随着地球的诞生就亿年前，大气伴随着地球的诞生就神秘地神秘地“出世出世”了。也就是拉普拉斯所说的星云了。也就是拉普拉斯所说的星云开始凝聚时，地球周围就已经包围了大量的气体开始凝聚时，地球周围就已经包围了大量的气体了。原始

8、大气的主要成分是氢和氦。当地球形成了。原始大气的主要成分是氢和氦。当地球形成以后，由于地球内部放射性物质的衰变，进而引以后，由于地球内部放射性物质的衰变，进而引起能量的转换。这种转换对于地球大气的维持和起能量的转换。这种转换对于地球大气的维持和消亡都是有作用的，再加上太阳风的强烈作用和消亡都是有作用的，再加上太阳风的强烈作用和地球刚形成时的引力较小，使得原始大气很快就地球刚形成时的引力较小，使得原始大气很快就消失掉了。消失掉了。回目录页下一页 地球生成以后，由于温度的下降，地球表面地球生成以后，由于温度的下降，地球表面发生冷凝现象，而地球内部的高温又促使火山频发生冷凝现象，而地球内部的高温又促

9、使火山频繁活动，火山爆发时所形成的挥发气体，就逐渐繁活动，火山爆发时所形成的挥发气体，就逐渐代替了原始大气，而成为次生大气。次生大气的代替了原始大气，而成为次生大气。次生大气的主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氢和氨等主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氢和氨等一些分子量比较重的气体。这些气体和地球的固一些分子量比较重的气体。这些气体和地球的固体物质之间，互相吸引，互相依存。气体没有被体物质之间，互相吸引，互相依存。气体没有被地球偌大的离心力所抛弃，而成为大气的第二次地球偌大的离心力所抛弃，而成为大气的第二次生命生命次生大气。次生大气。回目录页下一页 随着太阳辐射向地球表面的纵深发展，光波随着太

10、阳辐射向地球表面的纵深发展，光波比较短的紫外线强烈的光合作用，使地球上的次比较短的紫外线强烈的光合作用，使地球上的次生大气中生成了氧，而且氧的数量不断地增加。生大气中生成了氧，而且氧的数量不断地增加。有了氧，就为地球上生命的出现提供了极为有利有了氧，就为地球上生命的出现提供了极为有利的的“温床温床”。经过几十亿万年的分解、同化和演。经过几十亿万年的分解、同化和演变，生命终于在地球这个襁褓中诞生了。原始的变，生命终于在地球这个襁褓中诞生了。原始的单细胞生命，在大气所纺织成的单细胞生命，在大气所纺织成的“摇蓝摇蓝”中，不中，不断地演变、进化，终于发展成了今天主宰世界文断地演变、进化，终于发展成了今

11、天主宰世界文明的高级人类。今天的大气也在这个过程中，获明的高级人类。今天的大气也在这个过程中，获得了如此一个得了如此一个“美满的家庭美满的家庭”。回目录页下一页回目录页下一页大气的分层大气的分层 对流层是紧贴地面的一层，它受地面的影对流层是紧贴地面的一层，它受地面的影响最大。因为地面附近的空气受热上升，而位响最大。因为地面附近的空气受热上升，而位于上面的冷空气下沉，这样就发生了对流运动于上面的冷空气下沉，这样就发生了对流运动，所以把这层叫做对流层。它的下界是地面，所以把这层叫做对流层。它的下界是地面，上界因纬度和季节而不同。据观测，在低纬度上界因纬度和季节而不同。据观测，在低纬度地区其上界为地

12、区其上界为17-1817-18公里；在中纬度地区为公里；在中纬度地区为10-10-1212公里；在高纬度地区仅为公里；在高纬度地区仅为8-98-9公里。夏季的对公里。夏季的对流层厚度大于冬季。以南京为例，夏季的对流流层厚度大于冬季。以南京为例，夏季的对流层厚度达层厚度达1717公里，而冬季只有公里，而冬季只有1111公里，冬夏厚公里，冬夏厚度之差达度之差达6 6公里之多。公里之多。回目录页下一页回目录页下一页 在对流层的顶部，直到高于在对流层的顶部，直到高于海平面海平面50-5550-55公里的这一层，气公里的这一层，气流运动相当平衡，而且主要以水流运动相当平衡，而且主要以水平运动为主，故称为

13、平流层。平运动为主，故称为平流层。回目录页下一页 平流层之上，到高于海平面平流层之上，到高于海平面8585公里高空的公里高空的一层为中间层。这一层大气中，含有大量的臭一层为中间层。这一层大气中，含有大量的臭氧，气温随高度的增加而下降的很快，到顶部氧，气温随高度的增加而下降的很快，到顶部气温已下降到气温已下降到-83-83以下以下. .由于下层气温比上层由于下层气温比上层高高, ,有利于空气的垂直对流运动有利于空气的垂直对流运动, ,故又称之为高故又称之为高空对流层或上对流层空对流层或上对流层. .中间层顶部尚有水汽存中间层顶部尚有水汽存在在, ,可出现很薄且发光的可出现很薄且发光的“夜光云夜光

14、云”，在夏季，在夏季的夜晚，高纬度地区偶尔能见到这种银白色的的夜晚，高纬度地区偶尔能见到这种银白色的夜光云。夜光云。回目录页下一页回目录页下一页 从中间层顶部到高出海面从中间层顶部到高出海面800800公里的高空，称公里的高空，称为暖为暖( (热热) )层，又叫电离层。这一层空气密度很小层，又叫电离层。这一层空气密度很小，在，在700700公里厚的气层中，只含有大气总重量的公里厚的气层中，只含有大气总重量的0.50.5。据探测，在。据探测，在120120公里高空，声波已难以传公里高空，声波已难以传播；播；270270公里高空，大气密度只有地面的一百亿分公里高空，大气密度只有地面的一百亿分之一，

15、所以在这里即使在你耳边开大炮，也难听之一，所以在这里即使在你耳边开大炮，也难听到什么声音。暖层里的气温很高，据人造卫星观到什么声音。暖层里的气温很高，据人造卫星观测，在测，在300300公里高度上，气温高达公里高度上，气温高达10001000以上。所以上。所以这一层叫做暖层或者热层。以这一层叫做暖层或者热层。回目录页下一页 暖层顶以上的大气统称为散逸层，又叫外层。它暖层顶以上的大气统称为散逸层，又叫外层。它是大气的最高层，高度最高可达到是大气的最高层，高度最高可达到30003000公里。这一层公里。这一层大气的温度也很高，空气十分稀薄，受地球引力场的大气的温度也很高，空气十分稀薄，受地球引力场

16、的约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间中去。根据的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间中去。根据宇宙火箭探测资料表明，地球大气圈之外，还有一层宇宙火箭探测资料表明，地球大气圈之外，还有一层极其稀薄的电离气体，其高度可伸延到极其稀薄的电离气体，其高度可伸延到2200022000公里的高公里的高空，称之为地冕。地冕也就是地球大气向宇宙空间的空，称之为地冕。地冕也就是地球大气向宇宙空间的过渡区域。人们形象地把它比作是地球的过渡区域。人们形象地把它比作是地球的“帽子帽子”。回目录页下一页回目录页下一页回目录页下一

17、页2.2 回目录页回目录页與太陽的距離與太陽的距離（天文單位）（天文單位）表面表面平均溫度平均溫度大氣狀況大氣狀況公轉週期公轉週期（日）（日）自轉週期自轉週期（日）（日）質量質量（地球（地球=1=1）衛星數目衛星數目水星水星0.390.39約約350-170 350-170 沒有大氣沒有大氣87.9787.9758.6558.650.005 0.005 無無金星金星0.720.72約約30040030040095%95%是二氧化碳是二氧化碳224.70224.70243.243.0.8150.815無無地球地球1 1約約152015204/54/5氮，氮，1/51/5氧氧365.26365.2

18、60.9970.9971 1 1 1月球月球1 1約約120-140120-140沒有大氣沒有大氣37.3237.3227.3227.320.01230.0123火星火星 1.521.52約約-33(-33(很冷很冷) )幾乎二氧化碳幾乎二氧化碳 66.7866.781.0261.0260.1070.1072 2木星木星5.25.2約約-150(-150(更冷更冷) )氫和氦氫和氦11.8611.860.4140.414317.83317.831616土星土星9.569.56約約-180(-180(最冷最冷) )氫和氦氫和氦29.4629.460.0440.04495.16 95.16 18

19、18 天王星天王星19.2219.2284.0284.020.7180.71814.542121海王星海王星30.1130.11164.77164.770.6710.67117.1517.158 8冥王星冥王星39.5439.54247.8247.86.396.390.00220.00221 1注：地球到太陽的平均距離一億五千萬公里為一個天文單位下一页回目录页最左侧是太阳，依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星及冥王星。木星的直径是地球的11倍，太阳是木星直径的10倍。冥王星只有地球的1/5大小。这个示意图中并没有显示出九大行星与太阳的距离关系。回上一页 水星是太阳系中最靠近

20、太阳的大行星。距太阳的平均距离约5800万公里。除冥王星外，它是太阳系大行星中最小的，直径约4870公里。水星绕日公转的轨道是一个很扁的椭圆。它的公转周期是大行星中最短的，仅88个地球日。它的平均轨道速度是大行星中最高的，为每秒48公里。水星的自转速度很慢，它自转一周等于地球上59天，而水星上的两次日出要间隔176个地球日。回目录页回上一页 金星是太阳系的九大行星之一，按照离太阳由近及远的顺序排列是第二颗，紧挨着我们的地球。在夜晚天空中，除了月球之外，金星是最明亮的天体，亮度最大时为-4.4等，比著名的天狼星还亮14倍。中国民间称为“太白星”或“太白金星”。古代有人把它误认为两颗星。在中国史书

21、上，分别称为“启明星”和“长庚星”。回目录页回上一页 地球无疑是太阳系乃至宇宙中最为精彩绝伦的一个天体。地球上有着其他行星没有的万千气象；得天独厚地享受太阳的适当温暖，保护万物众生的无害大气和滋润生灵的江河湖海。更精彩的是地球孕育了宇宙中极为罕见的生命以及生命的极致人类。人们站在地上仰望星空，像始终给予人们浪漫幻想一样，月亮永远伴随着地球年复一年。回目录页回上一页 按距离太阳的远近，火星排在第四位，是地球的邻居。因为火星与地球之间的距离变化幅度相当大，在夜空里的位置也不断变化，看上去它总是时亮时暗，所以中国古代称它为“荧惑”；又因为它的颜色发红，古代罗马人便用神话中的战神玛尔斯（Mars）给它

22、命名。回目录页回上一页 木星是太阳系九大行星中最大的一个，其他所木星是太阳系九大行星中最大的一个，其他所有行星加在一起还不够它的一半；木星是一个有行星加在一起还不够它的一半；木星是一个液态的星球，没有固定的表面；它的大气日夜液态的星球，没有固定的表面；它的大气日夜不停地咆哮，橙色的厚厚云层被高速旋转的木不停地咆哮，橙色的厚厚云层被高速旋转的木星拉出色彩斑斓的条纹；木星的主要成分是氢星拉出色彩斑斓的条纹；木星的主要成分是氢和氦，与太阳类似且自身还在发出热能，有人和氦，与太阳类似且自身还在发出热能，有人说它会发展成为一颗恒星；巨大的木星拥有说它会发展成为一颗恒星；巨大的木星拥有16颗卫星，俨然是太

23、阳系中的一个小家族。其中颗卫星，俨然是太阳系中的一个小家族。其中的一颗卫星上居然被认为可能有生命存在的一颗卫星上居然被认为可能有生命存在.所有这些使木星与其他行星相差甚远，引得地所有这些使木星与其他行星相差甚远，引得地球人倍加注目。球人倍加注目。回目录页回上一页 2004年年7月月1日，经过七年漫长的宇宙飞日，经过七年漫长的宇宙飞行，行，“卡西尼卡西尼”号飞船到达神秘的土星。号飞船到达神秘的土星。土星有一个巨大而迷人的光环，那是由土星有一个巨大而迷人的光环，那是由无数物质碎片或冰块组成的，里面包含无数物质碎片或冰块组成的，里面包含着很多关于太阳系形成的信息；土星还着很多关于太阳系形成的信息；土

24、星还拥有太阳系最大的卫星泰坦，那里有浓拥有太阳系最大的卫星泰坦，那里有浓厚的大气，可能还有冰的海洋。过去人厚的大气，可能还有冰的海洋。过去人们以为遥远的土星就是太阳系的边界，们以为遥远的土星就是太阳系的边界，现在已经可以到那里去做客。现在已经可以到那里去做客。回目录页回上一页 18世纪末期，一个英国音乐师喜欢上了磨制望远镜，并一发而不可收。1781年3月的一天，他用自己磨制的望远镜巡天观察时，偶然发现了一颗星。起初，他以为是一颗慧星，后来根据它的运动，确定是颗行星。这个音乐师叫威廉-赫歇尔，那颗行星叫天王星。赫歇尔的发现使人类知道土星之外还有一个大行星。后来赫歇尔磨了数百架望远镜，改行做了天文学家。回目录页回上一页 天王星发现以后，引发了一股观测天象的热潮。天文学家发现天王星不能像别的行星那样规矩地在轨道上运行，