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第17章 自然科学与探索(3)

但是,强烈的紫外线是健康的杀手。当它作用于皮肤时,可引发日光性皮炎,皮肤上出现红斑、剌痒、水疱、水肿等,严重的还可引发皮肤癌。另外,它作用于中枢神经系统时,可能会引起头痛、头晕、体温升高等。

大展身手的紫外线消毒技术

在现代防疫学、光学、生物学和物理化学的基础上,利用特殊设计的高效率、高强度和长寿命的c波段紫外光(波长200至275纳米)发生装置产生强紫外C光,照射流水、空气或固体表面,当它们中的各种细菌、病毒、寄生虫以及其他病原体受到一定剂量的紫外C光辐射后,其细胞中的DNA结构受到破坏,从而在不使用任何化学药物的情况下达到消毒的目的。这就是人们常说的紫外线消毒。

紫外线光化学疗法

紫外线的光化学疗法是治疗银屑病、皮炎、湿疹、丹毒等多种皮肤顽症的有效手段。这种疗法采用320至400纳米波长的长波紫外线直接作用于病变组织的细胞上,形成光化合物,使色素性皮肤病的病变细胞中的还原黑色素氧化成为黑色素,同时使皮肤产生炎症反应。破坏皮肤中的硫基化合物并激活酪氨酸,促使黑色素形成、释放、扩散,达到治疗色素性皮肤病的目的。

气候反常的罪魁祸首——厄尔尼诺

厄尔尼诺现象是太平洋赤道带附近海域大面积海水异常增温,鱼群大量死亡的现象。厄尔尼诺现象发生时,世界上的很多地方都会出现诸如冷夏、暖冬、持续干旱、大面积暴雨等异常气候。在人们眼中,它几乎就是灾难的代名词。

“圣婴”的由来

“厄尔尼诺”一词来源于西班牙语,原意为“圣婴”。19世纪初,南美洲厄瓜多尔、秘鲁等国的渔民发现,每隔几年就会出现一般沿海岸南移的暖流,使表层海水温度明显升高,造成性喜冷水的鱼类大量死亡。由于这种现象发生最严重时往往在圣诞节前后,渔民便将其称为上帝之子7—“圣婴”。

当代科学之谜——厄尔尼诺现象的成因

厄尔尼诺现象的成因还是当代科学之谜,有人认为,厄尔尼诺现象是由地热运动等地球内部的变化导致的,也有人认为它的出现同地球自转速度的大幅度持续减慢有关。最普遍的观点是大气因子论:

由于信风的影响,赤道太平洋形成了水温和水位东低西高的形势,一旦信风减弱,太平洋西侧的海水就会向东回流,位于赤道东段和中段太平洋的水温就会升高,从而引发厄尔尼诺现象。

反厄尔尼诺——拉尼娜现象

近年来,科学家又发现了与厄尔尼诺的“性格”相反的拉尼娜现象,它的字面意思是“圣女”,也被称为反厄尔尼诺现象。它的特征是赤道附近东太平洋的水温反常地下降,从而引起一系列气候异常现象。拉尼娜现象是由前一年厄尔尼诺现象造成的庞大冷水区浮出洋面后形成的,因此总是发生在厄尔尼诺现象之后。由于拉尼娜现象不像厄尔尼诺现象那么简单,所以它对气候的影响尚很难预测。

一般来讲,拉尼娜的危害要比厄尔尼诺小得多,但也会给人类造成相当严重的损害。

二氧化碳的后果——温室效应

温室效应是指透射阳光的密闭空间,由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应。温室效应会带来全球性气候变暖、生态破坏,甚至会造成严重的社会后果,对它的积极应对,是全人类共同的责任和义务。同时,科学家们也在积极探索如何有效地利用温室效应,造福人类。

温室效应理论的问世

1896年,瑞典科学家斯潘蒂·阿莱纽斯首次提出了这样一种预测:随着大气中二氧化碳浓度的上升,地表的温度也会上升。

20世纪中叶,美籍日本学者真郭淑郎通过电子计算机计算温室效应气体的影响,用科学的数据验证了斯潘蒂·阿莱纽斯的预测,从理论上再次确认了温室效应气体对大气的结构变化和长期的气候变动起到了重要的作用,并将此现象命名为“温室效应”。

温室效应从何而来

温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气,放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。

二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。它在大气中增多的结果是形成一种无形的气体罩,使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散,从而使地球表面变热。因此,二氧化碳也被称为温室气体。

另外,人类活动产生的和大自然排放的其他气体,如氟氯烃、甲烷、低空臭氧和氮氧化物气体,都是温室气体。

全球性的灾难

温室效应最直接的后果就是导致全球性的气候变暖。科学家预测,今后大气中二氧化碳浓度每增加1倍,全球平均气温将上升15至45摄氏度,而两极地区的气温升幅要比平均值高3倍左右。气温升高不可避免地使极地冰层部分融解,引起海平面上升,造成低海拔地区被海水淹没。冬季缩短、夏季延长,造成蒸发增强,导致大片地区的土壤湿度降低,土地沙化,地球上的病虫害增加。

降伏温室效应的招数

为了减少大气中过多的二氧化碳,一方面需要人们尽量节约用电,少开汽车以减少二氧化碳的排放量;另一方面需要人们保护好森林和海洋,积极植树造林,因为海洋中的浮游生物和陆地上的森林可以大量吸收二氧化碳。

有的科学家提出了建造“太阳盾”的设想,即给地球造把遮阳伞。太阳盾是一个巨型反射镜,直径2000千米,面向太阳安放在拉格朗日点上,在这个点上太阳与地球的引力相互抵消。太阳盾反射阳光,人们通过改变其角度调节地球上的温度变化。

用温室效应改造火星环境

美宇航局下属艾姆斯研究中心科学家玛格丽塔·玛利诺娃等人在《行星地质物理杂志》上发表论文,声称如果人类将“超级温室气体”注入火星大气层,使火星吸收的太阳辐射能量不散发出去,那么火星大气的温度将会提高,火星两极的冰盖将会融化,火星的环境可能恢复到多年以前的温暖湿润状态,从而适合生命繁衍。

科学家重点考察了几种“超级温室气体”,它们引起温室效应的能力是二氧化碳的近1万倍。这些气体在火星环境中存在时间长,而且对生命没有不利影响。

对温室效应论的质疑

尽管温室效应论十分盛行,但科学界也有不同的声音。很多科学家认为,尽管20世纪的气温总体呈上升趋势,但二氧化碳的浓度变化曲线与气温变化曲线并非完全一致,例如20世纪40至80年代,全球范围内有过降温的过程。

他们认为气候变化受地球自身反馈机制的影响,温室效应并不像有些人说的那样“神通广大”。

太阳系中最明亮的彗星——哈雷彗星

彗星属于太阳系小天体,没有固定的体积,主要由彗核、彗发和彗尾组成,质量非常小。大部分彗星都不停地沿着很扁长的轨道围绕太阳运行。哈雷彗星是人类最早发现其运动周期的一颗彗星。它的发现,是天文学领域里的一项杰作,为天文学的研究打开了新的局面。

迟来的荣耀——哈雷彗星的发现

中国是世界上公认的最早进行彗星观测和记录的国家。中国古书《淮南子·兵略训》中就记录了公元前1057年出现的一颗彗星,它就是后来被命名为“哈雷”的彗星。

1682年8月,这颗彗星再次回归。当时,年仅26岁的英国天文学家哈雷仔细观测、记录了彗星的位置和它在星空中的逐日变化。在通过大量的观测、研究和计算后,他大胆地预言,1682年出现的那颗彗星,将于1758年底或1759年初再次回归。

在哈雷去世16年后,1758年年底,这第一颗被预报回归的彗星被一位业余天文学家观测到了,它准时回到了太阳附近,哈雷的预言得到证实。后人为了纪念他,把这颗彗星命名为“哈雷彗星”。

哈雷彗星的公转

在公元前239年到1986年,哈雷彗星的公转周期在760至793年之间变化。引起周期变更的主要原因是主行星的引力作用。同时,靠近太阳时,它会大量蒸发,这也是一个重要原因。

哈雷彗星的公转轨道是逆向的,与黄道面呈18度倾斜。另外,像其他彗星一样,它的偏心率较大。哈雷彗星的彗核非常暗,是太阳系中最暗的物体之一;哈雷彗星彗核的密度很低,大约01克/立方厘米,说明它多孔,这可能是因为彗核中的冰升华后,大部分尘埃的留了下来所导致。

自然奇迹——“彗星蛋”

哈雷彗星似乎与地球上的母鸡结下了不解之缘,每次哈雷彗星回归,在地球附近出现时,地球上就会有一枚奇异的“彗星蛋”诞生。

1682年在德国、1758年在英国、1834年在希腊、1910年在法国、1986年在意大利,都出现了带有彗星图案的鸡蛋。

科学家认为“彗星蛋”可能与免疫系统的效应甚至生物进化有关。

太阳表面的黑色斑点——黑子

在太阳的光球层上,有一些旋涡状的气流,像是一个个浅盘,中间下凹,看起来是黑色的,这些旋涡状的气流就是太阳黑子。太阳黑子是在太阳光球层上发生的一种太阳活动,是太阳活动中最基本、最明显的一种。

太阳黑子蝴蝶图——黑子的分布

通过长期观测,人们发现太阳黑子在日面上的活动是有规律性的。一开始,几乎所有的黑子都分布在南、北纬30度内,太阳活动剧烈时,它往往出现在南、北纬15度处,并逐步向低纬度区移动,在南、北纬8度处消失。在上一个周期的黑子还没有完全消失时,下一个周期的黑子又出现在南、北纬30度附近。如果以黑子的纬度为纵坐标,以时间为横坐标,绘出的黑子分布图很像蝴蝶,因而称其为蝴蝶图。

黑子的集合——黑子群

太阳黑子大多成群出现,最大的黑子群由100多个黑子组成。黑子群按照磁场性质可分为单极群、双极群和复杂极性群。黑子群中不同极性黑子之间的连线称为磁轴,在大多数情况下。磁轴对太阳赤道的倾角小于30度。当大的黑子群出现时,地球上就会产生磁暴、极光和电离层扰动。

黑子对地球的影响

当太阳黑子活动增强时,会引发全球性的强烈地磁场扰动,也就是我们常说的磁暴。磁暴可能引起电离层暴,从而干扰短波无线电通讯;也有可能干扰电工、磁工设备的运行和各种磁测量工作。

当地球磁场受到太阳黑子活动影响发生剧烈变化时,人体的生物磁场也随之变化,细胞代谢由此受到影响,最终导致神经系统功能发生变化,使精神疾病发作。

“吃掉”一切的神秘天体——黑洞

黑洞又称星坟,是一种很特殊的天体,它的体积极小,但是质量极大。它有一个封闭的边界,好像一个巨大的洞,外来的物质和辐射可以进入到边界之内,但是边界内的任何物质都不能跑到外面去,包括光线。黑洞是21世纪最具挑战性、最让人激动的天文发现之一。

黑洞的发现

20世纪后期,美国科学家韦勒发现,太空中有一些质量很大的天体,由于内部存在强大的引力,长时间以后自行坍塌成一种密度大、体积小的新天体。韦勒将其命名为“黑洞”。之所以这么叫,是因为人们根本看不见它,它不向外界发射或反射任何光线。

黑洞如何“隐身”

黑洞的一大特点,就是具有别的天体所不具备的“隐身术”,人们无法直接观察到它。

这是由弯曲的空间导致的。

根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。这时候,光在两点之间传播,走的已经不是直线,而是曲线。在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分会通过弯曲的空间绕过黑洞而到达地球。所以,我们仍然能观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样。

不朽的发现——霍金辐射

1974年,英国科学家霍金提出,所有的黑洞都会慢慢蒸发,而且会稳定地向外界发射粒子,这种黑洞辐射被称为霍金辐射。由于这种辐射,黑洞周围的引力场释放出能量,同时消耗黑洞的能量和质量。黑洞损失质量时,温度和发射率增加,从而使质量损失得更快,体积越来越小,最后,黑洞会在爆炸中毁灭。

宇宙大爆炸的假说

宇宙大爆炸理论是一种关于宇宙起源的假说。这种假说认为,约在150亿年前,所有物质都高度密集在一点,因为有着极高的温度,而发生了巨大的爆炸。大爆炸发生后的几分钟内,原子微粒结合成氦和氢,以后又逐渐形成了现在我们看见的和看不见的一切天体和宇宙物质。

现代宇宙学的主流——大爆炸理论的提出

1929年,美国天文学家哈勃在一次研究中偶然发现,银河外星系中的绝大多数星系都在逐渐远离地球所在的银河系。由此他进一步推断,宇宙正在逐渐膨胀,宇宙间的各星系彼此间的距离越来越远。

1932年,比利时天文学家勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论:整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中,后来发生了大爆炸,碎片向四面八方散开,形成了现在的宇宙。

20世纪40年代,美籍俄国天体物理学家伽莫夫,第一次将广义相对论融入到宇宙理论中,提出了热大爆炸宇宙学的模型。20世纪60年代,彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射,后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸留下的遗迹,从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。

来自大爆炸理论的答案

宇宙大爆炸理论虽然只是一个设想,但它对天文学中的许多观测事实都给出了合理的解释。它认为所有恒星都是在宇宙温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比从宇宙温度下降到今天这一段时间要短,各种天体年龄的测量都证明了这一点。

在各种不同天体上,氦丰度相当大,而且大都是30%,用恒星核反应机制不足以说明这种现象产生的原因。而根据大爆炸理论,早期温度很高,产生氦的效率也很高,则可以说明这一事实。