在科學(xué)的入口處

前言

　　認(rèn)識(shí)地球，愛惜家園　　萬物皆有道，自然最和諧。大自然是科學(xué)的寶庫(kù)，創(chuàng)新的源泉。從某種意義上說，世間最聰明的不是萬物之靈——人，而是大自然本身。人類賴以生存的地球千變?nèi)f化，蘊(yùn)藏著無限的奧秘；人類只能在適應(yīng)自然變化的過程中求得生存，在探索自然奧秘的過程中變得聰明，在掌握自然規(guī)律的過程中進(jìn)步發(fā)展。地球科學(xué)正是認(rèn)識(shí)地球、了解人類家園的鑰匙。不管你是學(xué)什么做什么的，也不管你是男女老少，只要你生活在這個(gè)地球上，你自覺不自覺都得接受自然變化的洗禮，都得問津地球科學(xué)，因?yàn)槿藗兊囊率匙⌒?、吃喝玩樂以及誰都要接觸的自然環(huán)境，無不與地球有關(guān)，無不與地球科學(xué)有關(guān)?！　∮沙啥祭砉ご髮W(xué)黃寰副教授和劉興詩(shī)教授等人編寫的這本地球科學(xué)科普讀物，緊緊抓住上個(gè)世紀(jì)地學(xué)發(fā)展的重大事件和最新成果，以通俗易懂的語(yǔ)言和生動(dòng)活潑的表現(xiàn)形式，全面系統(tǒng)地闡述了人類在探索自然奧秘的征程中所取得的重大發(fā)現(xiàn)和重要進(jìn)展，由此不僅能受到地學(xué)的啟迪，也會(huì)感受大自然的奧妙和親近大自然的樂趣。人們?cè)绞橇私庾约旱募覉@——地球，也就越會(huì)愛惜和保護(hù)自己的家園。　　我熱情祝賀劉、黃二位教授的地學(xué)科普書面世，祝愿更多的科學(xué)工作者寫出更多更好的科普叢書。　　院士　　中國(guó)南極村南極科學(xué)考察隊(duì)首席科學(xué)家、中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士　　2007年11月

內(nèi)容概要

馬克思說：“在科學(xué)的入口處，正像在地獄的人口處一樣，必須提出這樣的要求：‘這里必須根絕一切猶豫；這里任何怯懦都無濟(jì)于事?！?　　20世紀(jì)地學(xué)研究的主要任務(wù)是認(rèn)識(shí)地球?？茖W(xué)家憑其“上天入地下?！?之技，對(duì)地球內(nèi)部各圈層、大氣圈、生物圈進(jìn)行了廣泛研究，取得了豐碩的成果?！　≡?0世紀(jì)地學(xué)發(fā)展的歷史長(zhǎng)河里，涌現(xiàn)出30個(gè)作出了重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家或科學(xué)家群體。他們提出了大陸漂移說、板塊結(jié)構(gòu)說、地球圈層結(jié)構(gòu)、米蘭柯維奇假說、地質(zhì)力學(xué)等新理論，發(fā)現(xiàn)了雅魯藏布大峽谷、澄江動(dòng)物群，開展了深海探測(cè)、大陸科學(xué)鉆探、“生物圈二號(hào)”等科學(xué)研究……本書將帶你來到20世紀(jì)科學(xué)的人口處，在這里回望20世紀(jì)地學(xué)發(fā)展的歷史，了解你想知道的20世紀(jì)地學(xué)發(fā)展的一切。

作者簡(jiǎn)介

黃寰，生于1977年2月?，F(xiàn)為成都理工大學(xué)副教授、科學(xué)技術(shù)哲學(xué)專業(yè)碩士生導(dǎo)師。中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)理事、四川省科普作家協(xié)會(huì)秘書長(zhǎng)。已發(fā)表各類科普文章2000多篇，編著、主編、參著名類科普?qǐng)D書30多種，科普作品曾多次獲獎(jiǎng)。

書籍目錄

地球上空的鏡子——電離層的發(fā)現(xiàn)登上難達(dá)之極——人類北極探險(xiǎn)征服最后的處女地——南極探險(xiǎn)史實(shí)現(xiàn)“呼風(fēng)喚雨”的夢(mèng)想——人造風(fēng)雪及人工降雨測(cè)出地球的年齡——放射性年代測(cè)定法的發(fā)現(xiàn)與運(yùn)用“大詩(shī)人的夢(mèng)”——魏格納提出大陸漂移學(xué)說地球科學(xué)的一次革命——板塊構(gòu)造學(xué)的提出人造衛(wèi)星上天之后第一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)——范艾倫輻射帶深淵之旅——人類深海探測(cè)伸入地球的內(nèi)部望遠(yuǎn)鏡——大陸科學(xué)鉆探取得突破性進(jìn)展理清地球內(nèi)部基本圖像——對(duì)地球圈層結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)揭開冰期和間冰期轉(zhuǎn)換之謎——米蘭柯維奇假說“20世紀(jì)最驚人的發(fā)現(xiàn)之一”——揭秘“寒武紀(jì)大爆發(fā)”的澄江動(dòng)物群被燒穿的保護(hù)傘——南極臭氧空洞人類起源于猿的證明——_20世紀(jì)古人類學(xué)化石成就20世紀(jì)末一次重大的地理發(fā)現(xiàn)——世界最大的雅魯藏布大峽谷中國(guó)人獨(dú)創(chuàng)的地學(xué)體系——地質(zhì)力學(xué)地震預(yù)報(bào)難圓之夢(mèng)——艱難的地震預(yù)報(bào)算出來的天氣預(yù)報(bào)——數(shù)值天氣預(yù)報(bào)歷程開創(chuàng)大氣象的中國(guó)氣象科學(xué)家——葉篤正遍數(shù)中國(guó)五千年氣候變遷——揚(yáng)名于世的中國(guó)氣象學(xué)家竺可楨丈量世界之巔——中國(guó)準(zhǔn)確測(cè)量珠穆朗瑪峰峰頂深海地?zé)崂碚摰陌l(fā)展——不靠太陽(yáng)的“深部生物圈”地理學(xué)的新發(fā)展——地帶說尋找現(xiàn)代工業(yè)的動(dòng)力之源——成礦理論的發(fā)展地球在發(fā)燒——全球變暖人類只有一個(gè)家園——“生物圈二號(hào)”實(shí)驗(yàn)失敗的啟示人類必然的抉擇——可持續(xù)發(fā)展地球是一個(gè)整體——地球系統(tǒng)科學(xué)用0和1描繪地球——改變世界的“數(shù)字地球”

章節(jié)摘錄

　　地球上空的鏡子——電離層的發(fā)現(xiàn)　　1901年12月12曰，發(fā)明無線電通信的意大利發(fā)明家古里亞莫·馬可尼收到了從大西洋彼岸英國(guó)發(fā)來的清晰的莫爾斯電碼，而這之前，一位大學(xué)教授曾十分不以為然地說：“實(shí)現(xiàn)歐洲和北美大陸之間越過大西洋的無線電通信是不可能的。電磁波像光一樣傳播，它不可能越過大西洋弧形海面凸起的230千米高度，除非在很高的高空懸掛一面與大西洋一樣大的鏡子，讓它把電磁波從英國(guó)反射到美洲去。”　　20年之后，人們才知道大西洋上空確實(shí)有一面“大鏡子”，這就是電離層。電臺(tái)發(fā)射的電波必須借著在地球表面上空近百公里高度的電離層折射，才能夠在遠(yuǎn)處被接收到，而地球上空的電離層就像一面變化多端的鏡子，電離層對(duì)人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重大意義，最早是和它對(duì)電波傳播的影響聯(lián)系在一起的，這涉及到無線電通訊、廣播、無線電導(dǎo)航、雷達(dá)定位等方面的應(yīng)用。受影響的波段從極低頻（EIF）直到甚高頻（UHF）。　　一、馬可尼發(fā)明無線電通信　　1895年，年輕的意大利人馬可尼發(fā)明了無線電通信技術(shù)。從此，攜帶人類信息的電磁波開始在空間自由旅行，人們不必依賴電線，就可以在遙遠(yuǎn)的地方互通信息，還可以借助電磁波獲得大自然的信息?！　?894年，馬可尼在度假期間，從他的老師為赫茲寫的訃告中知道了電磁波，開始了電磁波通信的實(shí)驗(yàn)研究。　　德國(guó)物理學(xué)家赫茲在1888年發(fā)現(xiàn)電磁波時(shí)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離只有幾米遠(yuǎn)，當(dāng)時(shí)在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的電磁波特性與光很相近，但在專門研究電磁波的學(xué)者中很少有人嘗試把它應(yīng)用于通信?！　‘?dāng)時(shí)，人們已不再使用火花放電的方法檢測(cè)電磁波，而是改用法國(guó)科學(xué)家布蘭利1890年發(fā)明的“金屬粉檢波器”。這種“檢波器”是一種填充金屬粉末的小玻璃管，兩頭各有一條引線，當(dāng)有電磁波通過時(shí)，金屬粉末顆粒就會(huì)緊緊地靠在一起，使電阻減??；如果通過金屬粉末使電池與電鈴相連，那么在探測(cè)到電磁波時(shí)，金屬電鈴就會(huì)鈴聲大作。但是這種“檢波器”一旦接收到電磁波信號(hào)，粉末就不再松開，因而無法區(qū)分莫爾斯電碼的信息。馬可尼改進(jìn)了這種“檢波器”，他為赫茲用過的那種發(fā)射機(jī)加上兩塊鐵板，降低電磁波的頻率，使它能夠繞過地面的障礙物逐漸增大通信距離。1895年9月，當(dāng)馬可尼試圖拉開兩塊鐵板之間距離的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)通信距離顯著增加，于是他干脆把一塊鐵板插到地上，在另一塊鐵板上豎起一根長(zhǎng)長(zhǎng)的導(dǎo)線。采用這種單獨(dú)豎直向上的導(dǎo)線，是馬可尼的創(chuàng)舉，他把它叫做“天線”。1899年，馬可尼實(shí)現(xiàn)了跨越英吉利海峽的無線電通信。馬可尼表示將實(shí)現(xiàn)歐洲和北美大陸之間越過大西洋的無線電通信。他在英國(guó)康沃爾海邊建造了一座高57米的發(fā)射塔，而后又在加拿大的紐芬蘭面向大西洋的海港山頂建造一個(gè)接收站，用風(fēng)箏把接收天線升高至400米處。1901年12月12日，馬可尼收到了從大西洋彼岸發(fā)來的清晰的莫爾斯電碼。20年之后，人們才知道這是大西洋上空的“大鏡子”——電離層幫的忙。　　二、阿普頓證明電離層的存在　　從1 925年開始，許多科學(xué)家開始進(jìn)行電離層的研究工作?？茖W(xué)家們向電離層發(fā)射無線電脈；中訊號(hào)，然后從電離層反射的回波中，可以了解到電離層的自然現(xiàn)象，所得到的結(jié)果就是：地球上空的電離層就像是一把大傘覆蓋著地球，而且隨著白天或夜晚或季節(jié)的變化而變動(dòng)。人們同時(shí)還發(fā)現(xiàn)某些頻率可以直接穿過電寓層，而有些頻率則以不同角度折返回地球表面。雖然對(duì)電離層已經(jīng)有了某種程度的了解，而且短波的國(guó)際通訊也有了很大的發(fā)展，但幾十年來，科學(xué)家從不放過任何繼續(xù)研究電離層的機(jī)會(huì)，甚至火箭發(fā)射、人造衛(wèi)星試驗(yàn)及最近的太空穿梭飛行，都要做些實(shí)驗(yàn)，以期能更進(jìn)一步了解電離層的變化規(guī)律。最近，科學(xué)家借助超級(jí)計(jì)算機(jī)建立了各種假設(shè)的電離層分析模型，希望能夠像天氣預(yù)告那樣，可以預(yù)測(cè)未來幾天的電離層狀沉?！　〉诙问澜绱髴?zhàn)后，英國(guó)物理學(xué)家愛德華·阿普頓與荷蘭無線電專家巴爾薩·范德一波爾一起，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室首先研究真空管。1932年，他寫了一篇題為《熱離子真空管》的專題論文。隨后，他開始研究無線電訊號(hào)的衰減。1924年，阿普頓和新西蘭的一個(gè)學(xué)生巴爾尼特一起，完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了大氣電離層高度?！　〈饲?，關(guān)于大氣電離層高度的問題，英國(guó)物理學(xué)家奧利弗·海維賽德和美國(guó)科學(xué)家A.E.肯涅利曾進(jìn)行了深入研究。他們通過無線電傳輸試驗(yàn)，同時(shí)提出了地球上空存在著與地面曲率相同的能夠反射電磁波的層面，并且將其命名為K—H層?！　榇?，阿普頓進(jìn)行了驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)。他設(shè)想，當(dāng)緩慢變化的頻率達(dá)到某一確定值時(shí)，由高空電離層反射的電磁波就會(huì)受到地面波的干擾，使電磁波強(qiáng)度發(fā)生變化。他通過改變英國(guó)BBC廣播公司設(shè)在伯思默思的發(fā)射機(jī)的頻率，然后在劍橋大學(xué)記錄接收機(jī)所接收到的信號(hào)強(qiáng)度，以尋找沿地面直接傳播的波與從帶電粒子層反射回來的波發(fā)生干涉時(shí)信號(hào)的增強(qiáng)效應(yīng)。劍橋大學(xué)的接收機(jī)接收到的信號(hào)完全證實(shí)了他的設(shè)想。這樣，關(guān)于存在能反射電磁波的大氣電離層的假設(shè)便得到了驗(yàn)證。阿普頓還通過對(duì)干涉波長(zhǎng)的計(jì)算確定該反射層的高度約為100千米。經(jīng)過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，他終于在1927年發(fā)現(xiàn)：約在230千米處還存在一個(gè)反射能力更強(qiáng)的高空電離層（稱為“阿普頓層”）?！　?shí)驗(yàn)的結(jié)果證明，電離層存在的高度大約在60～1000千米以上的高處，由下向上可以分出D、E、F三個(gè)層次。阿普頓及其合作者還證明了天空的電磁波通常是橢圓偏振的，并且計(jì)算了這些電離層的反射系數(shù)及電子密度，以及它們每天和每個(gè)季度的變化情況。他的工作可以看成是科技上具有第一流意義的工作，因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅和無線電傳播問題有關(guān)，而且也是雷達(dá)發(fā)展的里程碑。E層高度的測(cè)量，實(shí)際上是采用無線電的第一次距離測(cè)量。這種測(cè)量技術(shù)跟英國(guó)物理學(xué)家、“雷達(dá)之父”沃森-瓦特爵士密切相關(guān)。他跟阿普頓在大氣研究方面有過合作，后來他們?cè)趯I(yè)上也有過許多接觸?！　“⑵疹D的工作為環(huán)球無線電通訊提供了重要的理論依據(jù)，從此無線電事業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新紀(jì)元。阿普頓還開辟了對(duì)電離層以及該層受太陽(yáng)位置和日斑活動(dòng)的影響的研究領(lǐng)域。　　知識(shí)鏈接　　電離層：地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域，高度范圍大約在60-1000千米以上。由于太陽(yáng)紫外線、X射線和高能粒子等的作用，60千米以上的整個(gè)地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)。磁層是完全電離的大氣區(qū)域，而電離層是部分電離的大氣區(qū)域。在電離層中，含有足夠多的自由電子，能顯著地影響無線電波的傳播。同時(shí)，這部分大氣相對(duì)稠密，沒有完全電離，帶電粒子和中性分子的碰撞頻繁，因而電子運(yùn)動(dòng)仍在很大程度上受這種碰撞的控制或影響。單從電離角度來看，也有人把整個(gè)電離的地球大氣叫做電離層，這樣就把磁層也看作是電離層的一部分?！　〉巧想y達(dá)之極——人類北極探險(xiǎn)　　北極地區(qū)通常指北緯66度33分以北的北極圈區(qū)域，包括北冰洋的絕大部分水域、島嶼、歐洲、亞洲和北美洲的北方大陸，總面積2100萬平方千米，其中陸地面積約800萬平方千米。也有人從氣候上劃分北極地區(qū)：以最熱月份10度的等溫線（海洋為5度等溫線）作為北極地區(qū)的南界，則其總面積約2700萬平方千米，其中陸地面積約1 200萬平方千米。有時(shí)也有把全年內(nèi)北極氣團(tuán)占優(yōu)勢(shì)的地區(qū)作為劃分北極地區(qū)的依據(jù)，這樣則不包括格陵蘭島南部和挪威海、格陵蘭海的南部，總面積為2300～2400萬平方千米。在北極考察史上，20世紀(jì)是極為重要的，人們先是征服了北極點(diǎn)，后來終于從科學(xué)上認(rèn)識(shí)到北極對(duì)于人類社會(huì)的重要意義。　　在北極探險(xiǎn)歷史上，最重要的無疑是對(duì)北極點(diǎn)的征服，20世紀(jì)科學(xué)的發(fā)展，終于使人類可以向這個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)了。而美國(guó)海軍中校羅伯特-皮爾里，最終戰(zhàn)勝眾多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，成為征服北極點(diǎn)的第一人?！　∑柪锟偨Y(jié)了前人失敗的經(jīng)驗(yàn)，他提出了兩點(diǎn)新的概念：一是北極的冬天并不可怕，正是探險(xiǎn)的最好季節(jié)；二是愛斯基摩人的生活方式是在北極生存的最好方式。他決定以自己的實(shí)踐來證明，地球上的任何地方，人類都是可以到達(dá)的?！　‘?dāng)然，光有正確的觀點(diǎn)和堅(jiān)強(qiáng)的決心還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須要有強(qiáng)大的財(cái)政支持，于是皮爾里專門選了一艘叫“羅斯?！碧?hào)的船。這艘特別設(shè)計(jì)的船可以通過史密斯海峽的冰層一直航行到埃爾斯米爾島的最北端。他在這里的哥倫比亞角建起了一個(gè)大本營(yíng)，離北極點(diǎn)只有664.6千米。一切都準(zhǔn)備就緒之后，皮爾里便從這里派出幾支先遣隊(duì)，將必需的物資和食品運(yùn)送到指定地點(diǎn)，這樣就可以減輕主力部隊(duì)的負(fù)擔(dān)，以便保存體力。皮爾里不僅在居住方法、行進(jìn)方式和衣服帽襪等方面都采用愛斯基摩人的辦法，而且還直接雇傭愛斯基摩人為他駕駛狗拉雪橇，并沿途建造冰房子。

編輯推薦

　　《在科學(xué)的入口處：30位地學(xué)科學(xué)家的貢獻(xiàn)》是一本地球科學(xué)科普讀物，緊緊抓住上個(gè)世紀(jì)地學(xué)發(fā)展的重大事件和最新成果，以通俗易懂的語(yǔ)言和生動(dòng)活潑的表現(xiàn)形式，全面系統(tǒng)地闡述了人類在探索自然奧秘的征程中所取得的重大發(fā)現(xiàn)和重要進(jìn)展，由此不僅能受到地學(xué)的啟迪，也會(huì)感受大自然的奧妙和親近大自然的樂趣。人們?cè)绞橇私庾约旱募覉@——地球，也就越會(huì)愛惜和保護(hù)自己的家園。

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