天圆地方
公元前 600 年，亚述帝国刚刚衰亡。在它的鼎盛时期，版图曾经从埃及 延伸到巴比伦，两端相距 2200 公里。接着代之而起的是波斯帝国，它的版图 西起今日的利比亚东部，东到克什米尔，横跨 4800 公里。
毫无疑问，这些帝国的普通老百姓对于整个国家的范围只有极模糊的观 念，他们仅仅满足于在自己那一小片乡土上生老病死，再大不了就是偶尔到 邻近的村子去旅行一趟。不过，当时的经商者和士兵们对于帝国疆土的辽阔， 以及疆域之外还有那更加遥远的地方，一定是会有所认识的。
在这些古代王国里，想必有一些人曾思索过：大地有尽头吗？这可以说 是学者们面临的第一个宇宙学问题了。
当然，没有一个古代人到过大地真正的尽头，不管他曾经旅行得多么远， 他充其量是到达了某一处的海岸上，而天涯海角似乎还在那地平线以外呢。 就算他登上一条船，向外驶去，也是永远到不了尽头的。
这么说，大地是不是就没有尽头了呢？这个问题的答案如何，要看你认 为大地的整个形状是怎样的。
在古希腊时代之前，所有的人都认为大地是平的。真的，它看起来确实 就是那样，只不过有一些山丘、河谷的小起伏罢了。可是，如果大地的确是 平的，几乎立即可以断定，它非得有个什么样的尽头才行。要不然，它就是 个没完没了地向外延伸的平面——换句话说，它的范围是无限的，这是个叫 人最不舒服的概念。在历史上，不论对空间或者时间，人们总是力求避免“无 限”这个概念，因为这样的东西似乎既不能认识，又无法理解，所以也就无 从进行研究和推理了。
另一方面，如果大地的确有个边缘，就是它是有限的，这又会造成另一些困难。人们要是走得太靠边了，不是要掉下去吗？ 当然，也许干的陆地四周都有海洋环绕，因此人们是靠近不了那个边的，除非有谁故意乘船向外航行，远远地离开陆地，一直到看不见的地方。事实上，直到哥伦布那个时代，还有许多水手真的害怕发生这样的事情呢。 不过，要是认为人类由一圈水保护着，这又造成了另一个问题，是什么东西挡住了海水，使它不致从大地的边缘流出去呢？
要解决这个问题，一个办法是假设我们头顶的天空是一个坚固的盖子， 从四面八方往下罩住了大地。这就是所说的“天圆地方”。真的，天空看起 来不就是这样吗？这样一来，可以把整个宇宙想象成一个盒子，天空构成了 弯曲的盒盖和盒边，而海水和干的陆地则是平坦的盒底，人和万物都在这个 盒底上面生长、活动。
在这么一个“盒子宇宙”里，大地的形状和大小又是怎样的呢？ 许多人曾觉得大地像一块长方形的板。说来也有趣，由于历史上和地理上的巧合，尼罗河、底格里斯河和幼发拉底河、印度河这一系列最早的人类 文明发祥地是从西到东，而不是由北向南分布。还有，地中海也是东西走向 的，所以古代文明人的那一点模模糊糊的地理知识，似乎在东西方向上来得 丰富一些，因而他们也就理所当然地把“盒子宇宙”想象成东西方向长，南 北方向短了。
希腊人似乎具有比较强烈的几何学的均衡与对称的观念，他们倾向于把 大地想象成一块圆板。不消说，希腊正位于这圆板的中心。这块平板上大部分是陆地，周围环绕着一圈水，地中海就是从那儿一直向内延伸到陆地中央。 到了公元前 500 年，希腊第一位科学的地理学家喜卡塔乌斯认为，这块 圆板的直径最多是 8000 公里左右。就是说，平坦的大地面积大约为 5000 万 平方公里。在他那个时代的人看来，这个数字已经够大，大得都有点吓人了。
其实它只有陆地实际面积的 1/10。 我们暂且不谈这个“盒子宇宙”的大小和形状，先来问一问是什么东西使它保持自己的位置的？在上面所说的这种扁平的大地看来，有一个特殊的 方向叫做“下”，一切重的、实的东西都要“往下掉”，那么，大地本身为 什么不会“掉下去”呢？
当然，可以假定构成大地的材料，是一直往下延伸的。但这样一来，又 得面临“无限”这个概念。为了避免这一点，我们可以说大地本身立在其他 东西上面。例如，古印度人就认为，大地是由四根柱子支撑住的。
可是这只不过把困境推迟了一点而已，这四根柱子又是立在哪儿呢？立 在四头大象背上！大象呢？站在一只巨大的乌龟背上！乌龟呢？浮在大海上！ 那么大海呢？??
总而言之，只要假定大地是扁平的，不管这样的假定似乎是多么“符合 常识”，都不可避免地会引起最严重的哲学上的困难。其实，要是人们能恰当地使用自己的眼睛，那么，这种“扁平的大地”是连常识也不符合的。如果大地真是平的，那么在地面上所有的地方应当能 看到同样的星星。但是所有的旅行者都知道，如果向北走去，一些星星会消 失在南方的地平线下，另一些星星却出现在北方的地平线上；要是朝南走， 情况就恰好相反。而只要认为大地是南北弯曲的，就能毫不费力地解释这种 现象。所以希腊学者阿纳克西曼德就提出，人类生活在一个南北方向弯曲的圆柱面上。就我们今天所知，是他头一个提出了地面的形状不是平面，时间大 约在公元前 550 年左右。 但是圆柱形的大地还是解决不了问题。住在海边，经常注意观察海船的人都有这样的经验，朝大海驶去的船只并不是变得越来越小，一直小到只剩 下一点，然后才消失的。如果大地是平的，情况本来应当是这样。但事实上， 船到消失的时候看上去还相当大，它们像是翻越到了山背后一样，船身首先 隐没，然后才是船帆。如果大地是弯曲的，情况就必然是这样。而且，不管 船是朝着罗盘上的哪个方向驶去，消失时的情形都是相同的。所以，大地并 不只是在南北方向弯曲，而是朝所有方向都同样的弯曲。而在一切方向上弯 曲程度相同的表面只有一种，这就是球面。
古希腊的天文学家还发现，对于月食的成因，最好的解释就是：由于月 亮和太阳正处于大地两侧相对之处，大地的阴影（由太阳所投下的）落到月 亮上，从而造成月食。不管月亮和太阳相对地面的位置如何，月食时可以看 到这种阴影的断面总是圆形的。只有一种物体能朝所有的方向都投下断面为 圆形的影子，这就是球。
总之，仔细地观察就可以发现，大地并不是平的，而是球形的。但你平 时看来，它很像个平面，因为整个大地是那么一个巨大的球体，在它的表面 上，用眼睛所能看到的只是一小部分，其弯曲程度是小得难以觉察的。
球形大地的概念立即清除了关于大地“尽头”的问题，而又不必引进“无 限”这个概念。球的表面有确定的面积，但却没有尽头；它是有限的，但却没有边。
到了公元前 350 年，地球的观念就已经牢固地确立了。从那以后，西方 世界受过教育的人全部都承认这种观念。
这种观念显得如此理想而又完美，尽管没有直接的证明，人们还是承认 它。直到公元 1522 年，由葡萄牙航海家麦哲伦率领的一支探险船队里幸存的 一条船驶回了港口，人类这才第一次成功地环绕地球航行一周，因而直接地 证实了大地不是扁平的。
现在，我们对于大地这个圆球的认识真正达到了“眼见为实”的程度。 发射到高空的火箭和卫星拍下来的图像都向我们展示了地球的真实面貌。
地球是宇宙的中心吗
自古以来，人们都亲眼看到日月星辰是环绕着人类所居住的大地在运 动，而大地又是这样的平静和安稳，所以在人们的头脑中就自然产生所谓大 地处于宇宙中心的概念。在这个基础上就产生了古代希腊的地心说，以及与 地心说有相似之处的中国的浑天说。
我国古代，提出过与地心说相似的浑天说，浑天说始于战国时代，而我 国东汉初期的天文学家张衡是浑天说的代表人物。他把天和地比做蛋壳和蛋 黄的关系。这就揭示了大地是悬于宇宙空间的一个圆球，而且宇宙是以地球 为中心。可见，我国古代浑天说的宇宙体系，同古代希腊的地心体系是十分 相似的。
古希腊的毕达哥拉斯学派认为，一切立体图形中最美好的是球形，一切平面图形中最美好的是圆形，而宇宙是一种和谐的代表物，所以一切天体的 形状都应是球形，一切天体的运动都应是匀速圆周运动。但实际观察的结果 并非如此，行星的运动速度很不均匀。在柏拉图看来，这只是一种表面现象， 可以用匀速圆周运动的组合来解释。于是他就提出了一种以地球为中心的同 心球壳结构模型。每个天体都处在各自的球壳上，各同心球之间是由正多面 体联接着。柏拉图的学生欧多克斯发展了他的观点，按照欧多克斯的设想，地球是万物的中心，日、月、行星都是在同心的透明球体上绕地球转动的。他认为 所有的恒星都在同一个球面上，而这个球的半径最大，它围绕着通过地心的 轴线每天旋转一周。其他天体则由几个同心球结合成一组以及另一组等等。 亚里士多德在欧多克斯同心球理论的基础上，把这些转动的同心球，不 但看成是实际存在的物质的实体，而且还把它们看成是一个透明的“水晶 球”，各组都成了一个连续的相互接触的系统。在亚里士多德的体系中，各 天体离地球由近到远的排列顺序为：月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、 土星和恒星天，在恒星天之外还有一层“宗教天”。亚里士多德认为，一个 物体需要另一个物体的推动才能运动，这个“宗教天”的运动，是由不动的 神来推动的。当神一旦推动了“宗教天”的运动，“宗教天”就把运动逐次 传递到恒星、太阳、月亮和行星上去。亚里士多德就这样把神是第一推动力 的唯心思想，第一次塞进了宇宙论中来。这就成为亚里士多德体系中致命的弱点。
以地球为中心的宇宙理论由喜帕恰斯给出了几何模型。从地球上观测到 的行星运动相当复杂，它们有时由西向东行，有时逆行，有时又似乎在群星中不动。为了解释这种复杂的运动，喜帕恰斯提出了本轮均轮的思想。他认 为行星在本轮上围绕着一个假想的中心运动，而这个假想中心又绕地球在均 轮上运行。
在喜帕恰斯以后 300 年间，希腊天文学没什么新的进展。到了公元 2 世 纪，古希腊著名天文学家托勒玫继承了亚里士多德的地球位于宇宙中心静止 不动的思想，全面总结了希腊罗马时期的天文学，创立了托勒玫的地心体系， 也叫托勒玫的地球中心说。他提出：以地球为中心，外边围绕着月亮、水星、 金星、太阳、火星、木星、土星，然后是恒星天和最高天，共有九重天。所 有行星和太阳、月亮都有本轮和均轮，而且均轮都是偏心圆。这样他就能让 实测的天体运动分解成很多简单的圆运动来满足宇宙的和谐。
公元 5 到 10 世纪，是欧洲历史上的黑暗时期，基督教神学占统治地位， 按照基督教的教义。上帝是世界的最高主宰，宇宙间的万物是上帝为满足人 的需要而创造出来的。基督教还把宇宙的模样也纳于宗教的教义。亚里士多 德—托勒玫的地球是宇宙的中心的见解，以及神是第一推动力的思想也被教 会利用了。在黑暗的中世纪，地心说的宇宙体系统治了西方 1000 多年。
那么，地球真的是宇宙的中心吗？ 随着观测仪器的改进和观测水平的不断提高，用托勒玫体系计算出来的行星位置，与实际观测的偏差越来越大。尽管托勒玫的继承者已经把本轮的总数增加到 80 个，但所得的结果仍与实际的星位不相符。在这种情况下，科 学家们对托勒玫的宇宙体系越来越产生怀疑。到后来，由于自然科学的迅速 发展，自然科学与神学之间的矛盾越来越尖锐，甚至发展到科学起来反叛教 会了。于是，科学和神学的这场斗争，首先从对宗教神学字宙观的基础—— 地球中心说的批判开始。
从哥白尼到牛顿
哥白尼出生在波兰维斯杜拉河畔的托伦城。他所处的时代，正是欧洲黑 暗的中世纪的末期，亚里士多德—托勒玫的地心说早已被基督教篡改为基督 教义的支柱。但由于天文观测技术的提高，即使在托勒玫的地心体系中已增 加到 80 个左右的本轮和均轮，也难以获得与观测相合的结果，而且这类本轮 的数目还在继续增加。这就使当时一些具有进步思想的哲学家、天文学家们， 对托勒玫的复杂的地心体系发生了怀疑，甚至感到不满。而哥白尼接受了这 种进步的思想，由于受到古希腊阿里斯塔克的地球绕太阳转动的学说的影响 和启发，哥白尼分析了托勒玫体系中的行星运动，发现每个行星都有一日一 周、一年一周和相当于岁差的三种共同的周期运动，但又无法对此作出合理 的解释。他认为，如果把这三种运动都归到被托勒玫视为静止不动的地球上， 就可消除他的体系里不必要的复杂性。因此，哥白尼认为地球不是宇宙的中心，而是一颗普通的行星，建立了一个以太阳为中心的日心体系。 在哥白尼看来，月亮是地球的卫星，它在以地球为中心的圆轨道上每月绕地球公转一周。与此同时，月亮也伴随地球一起绕太阳公转。地球每天自 转一周，天穹实际并不转动，是由于地球自转才出现日月星辰每天的东升西 落观象。恒星同太阳的距离十分遥远，它们在离太阳很远的一个天体上。行 星和地球一样，都在圆形的轨道上匀速地绕太阳公转。就这样，哥白尼把统 率宇宙的力量都归于太阳。
哥白尼花费了 40 年的心血，以严格的科学态度进行反复的观测、研究和 计算，完善了他的学说，终于写成了阐述日心说的不朽巨著《天体运行论》。 他在这本书里全面讨论了当时天文学的所有问题，使很多过去莫名其妙的问 题都得到了合理的解释。
哥白尼的日心体系从根本上动摇了中世纪宗教神学的基础，认为宇宙是 可以认识的，有一定规律可供人类研究探寻。从此自然科学便开始从神学中 解放出来，大踏步前进了。
但是哥白尼的革命并不够彻底。他还保留了行星作匀速圆周运动的概 念，因此对一些天体的不均匀运动还要保持一些本轮。此外，他还保存着固 定不动的恒星天球的概念，让太阳成为宇宙中心。这些都要等到天文学进一 步发展才陆续得到解决。
在哥白尼之后，意大利的修道士布鲁诺由于善于接受新事物，在学习了 哥白尼《天体运行论》以后，他认识到宗教神学宇宙观是虚假的，是没有科 学根据的，而科学才是真理，并决心为探求科学真理奋斗终生。由于布鲁诺 的“离经叛道”，他不得不离开他的祖国，过着长期流亡的生活。在流亡的 过程中，他大力宣传科学真理，还写了大量文章，热烈宣传和颂扬哥白尼的 学说，猛烈地抨击了官方经院哲学的教条。
布鲁诺不但捍卫了哥白尼的学说，还充实、发展了这一学说。他认为：宇宙是统一的、物质的、无限的和永恒的；在太阳系以外，还有数不清的世 界，我们所认识的世界，是无限宇宙中非常渺小的一部分，而地球又是无限 宇宙中一粒小小的尘埃；无数颗恒星，都像太阳一样巨大、炽热，并以极大 的速度向各个方向疾驰着??
布鲁诺的宇宙无穷无尽的思想，使几千年来在人们头脑里难以突破的天球硬壳，一下被布鲁诺砸碎了。美丽的天空豁然开朗，伸向漫无边际的远方。 由于布鲁诺广泛宣传和捍卫了哥白尼的学说，以及他对哥白尼学说的发展， 轰动了整个欧洲，气极败坏的罗马教廷用诡计将他骗回意大利并逮捕了他。 他们用尽了一切威胁、利诱和恐怖的手段，但丝毫没有动摇布鲁诺对真理的 信仰和捍卫。到 1600 年 2 月 17 日，布鲁诺被烧死在罗马的百花广场上。
真理是不能用火烧尽的。布鲁诺虽然被罗马教廷烧死了，但唯物主义的宇宙观已日益深入人心。 继布鲁诺之后，意大利的天文学家和近代实验科学的创始人伽利略由于受到当时的一种玩具“光管”的启发，制出了望远镜并用它来观察天空，从此获得了一系列新的科学发现，在天文学方面做出了重大贡献，也进一步证 实和发展了哥白尼学说。
伽利略发现在望远镜的视野里，行星不再是一个光点，却显出月亮一般 的圆面。他惊异地发现金星甚至露出月亮一样的圆缺变化，他还清楚地看到 有四颗卫星环绕木星运行。他看到了月亮表面的起伏不平，发现了大量环形 山。土星的光环他也观测到了，但当时没有确认。在欧洲，他第一个借助望 远镜看到太阳黑子，并发现太阳的黑子在日面上移动，从而得出太阳有自转 的结论。他发现随着望远镜口径的增加，可见到的恒星数目大为增加。可是， 即使在望远镜里，恒星仍然只是一个光点。因此他断定它们一定无比遥远。 他还发现银河实际上是由无数颗恒星组成的。
所有这些发现都是过去闻所未闻的，震动了欧洲的学术界，这些发现都 有利于哥白尼的日心学说。他的观测结果，强有力地论证了哥白尼的学说，使罗马教廷大为震怒。最后教廷把他拘禁起来。他在完成了最后一本论述力 学与运动的书并偷运出意大利之后，孤独地死去。
与伽利略同时代的丹麦天文学家第谷创制了许多大型精密的天文仪器， 并坚持进行 20 多年的认真观测。根据他对 1572 年在仙后座发现的超新星距 离的测定以及对 1577 年一颗明亮彗星运动情况的测算，他也怀疑托勒玫体 系，但他并没有接受哥白尼的体系，他认为其它行星都是围绕太阳运行的， 可是地球仍然是宇宙的中心，月亮和太阳及其率领的行星队伍则是围绕地球 运转的，第谷的功绩主要在于他创制了不少仪器并且详尽地记录了他多年精 密观测行星运动的资料。此外，他还非常幸运地在临终前一年接受了一位很 好的助手和接班人，德国的天文学家开普勒。
开普勒用了很长的时间，对第谷遗留下来的观测资料进行综合分析和研 究。后来，开普勒发现“行星是沿椭圆轨道绕太阳运行的，太阳在这个椭圆 的两个焦点之一的位置上”的定律。这就是开普勒的行星运动第一定律，也 叫轨道定律。这个发现，把哥白尼学说向前推进了一大步。
接着，开普勒又发现，虽然火星运行的速度是不均匀的，但是从任何一 点开始，在单位时间向径（行星和太阳的联线）所扫过的面积却是不变的。 这样开普勒又推出了“火星的向径，在相等时间内扫过相等的面积”的行星 运动第二定律，又称为面积定律。
到 1609 年，开普勒出版了《新天文学》一书，在这本书里发表了他的轨道定律和面积定律。并且在书中指出：“这两条定律也适用于其他行星和月 亮的运动。”后来，开普勒经过长期繁杂重复的计算和无数次的失败，又发现了“所有行星公转周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方的比值都相等”的行星运动 第三定律。这是一个十分重要的自然定律。因为不仅行星遵循着它，就是围 绕行星运动的卫星，以及太阳周围的其他天体也都如此。这就可以确定，太 阳和它周围的所有天体，构成了一个有秩序的行星系统，这个系统就是太阳 系。
行星运动三定律的发现，具有划时代的意义，它不但为经典天文学奠定了基础，而且还导致了数十年后牛顿的万有引力定律的发现。 正是伽利略不幸逝世的 1642 年，在英国诞生了伟大的科学家牛顿，牛顿对自然科学的贡献是多方面的，不仅在天文学方面，更主要的还是在数学、
力学和物理学，而这些又直接影响到天文学的发展。狭义地说，他在天文学 方面的直接贡献之一是发现万有引力定律，并由此建立起天体力学。另一项 贡献则是发明反射式望远镜和棱镜分光的天文光学。
在开普勒的三大定律发表之后半个多世纪，牛顿总结了前人特别是伽利 略所发展起来的力学理论，提出了三大运动定律，具备了归纳提高开普勒三 大定律的条件。牛顿同时总结和发展了前人的数学成就，创立了微积分方法。 在这两方面的理论基础上，牛顿首先用数学方法根据力学原理从开普勒三大 定律推导出太阳对行星的引力定律，其要点就是太阳对行星的引力与行星的 质量成正比，而与行星对太阳距离的平方成反比。他并且证明只要有这种距 离平方反比的引力，开普勒三大定律就是必然的推论，而且是在行星质量远 比太阳质量为小的条件下粗略近似。著名的苹果落地故事里说：他由此悟出 重力是地球对它表面物体的引力，并且把地球半径、地月间距离、地面物体 重量和下落加速度以及月亮绕地球的运行周期相结合，得出任意两个物体之间都存在相互引力，这种引力和两物体质量成正比，与两者距离的平方成反 比，而且比例常数不论天上地下都完全一致。这就是有名的万有引力定律。 这条定律的重要意义不仅因为它至今还广泛应用于众多方面，更值得强调的 是它第一次证明宇宙间的自然规律可以认识，地面和天空是统一的。后者实 际上是人类认识宇宙、研究天文学的基本出发点。由于万有引力定律的广泛 应用和重要性，下面把它的数学形式写出来：
M M
F﹦ G 1 2
R 2
其中 F 为两物体之间相互的引力，M1 和 M2 分别为它们的质量，R 为两者质心的距离，G 为比例常数，称为万有引力常数，数值为 6.67×10-11 米 3/（秒 2·千克）。 牛顿以他的三大运动定律和万有引力定律为基础建立起一个机械力学体系。他于 1687 年发表的不朽杰作《自然哲学的数学原理》一书，全面阐述了 他的发现和理论。三百年来经过众多的后继者的发展和补充，牛顿的体系已 经十分完整，现在通称为牛顿力学。牛顿力学开始形成就植根于天文学，又 反过来为天文学开辟崭新的领域，建立起天体力学这个天文学的分支。天体 力学的建立标志着历来单纯观测统计的天文学走上了引用物理方法进行研究 的新道路。
牛顿在天文光学方面还有两种创造，一种是反射式望远镜，另一种是棱镜分光，对天文学的深刻影响不容低估。反射式望远镜的口径比用透镜构成 的折射望远镜更容易做得大些，可以收集到更多的星光，便于观测更暗弱的 天体，使人类探测宇宙的深度大为增加。此外，星光不经过透镜的折射就不 会产生不同颜色成分发散开的问题，出来的图像更加清晰。因此，现代的大 型望远镜无一例外都是反射式，几乎全部遥远的河外天体都是由反射式望远 镜发现并观测研究的。至于棱镜分光术对于天文学的影响更是特别深远，甚 至可以说它为建立天文学里最活跃、发展最快、成果最大的分支——天体物 理学打下了重要基础。
牛顿用万有引力定律解决和说明了一系列宇宙间的重大问题，从而奠定了天体力学这一门新科学的基础，从此天体力学便从它的幼年时期进入到成 年时期。到了这个时候，哥白尼的日心说经过布鲁诺、伽利略、开普勒和牛 顿等人的宣传、捍卫和发展，已被公认为阐明太阳系实际结构的学说，再很 少有人否认了。
又由于天王星、海王星的发现，证实了牛顿万有引力定律能十分准确的推算出行星的位置，也因新的发现而充实了哥白尼学说。 从哥白尼的《天体运行论》于 1543 年公开发表起，直到 1846 年加勒观测到海王星，经历了三百余年的时间，经过无数次曲折和斗争，冲破了宗教 和传统观念、习惯势力的重重阻力，克服了哥白尼学说本身存在的缺陷，哥 白尼的日心说终于由海王星的发现而取得了最后的胜利。
到 1930 年 1 月 21 日，美国天文学家汤博发现了冥王星。冥王星的发现， 再次扩大了太阳系的范围。
地球和月亮 地球
地球是一个略为扁平，半径约为 6370 千米，质量为 6×1024 千克，平均密度为 5.5 克/厘米 3 的椭圆球体。它的南北向的半径并不相同，因此称它为 椭圆球体。但它和一个理想的圆球体差别相当小。
地球表面极不规则，在陆地有崇山峻岭，在海底有深沟大壑，为了便于 实际测量应用，往往把海水的平均表面作为地球表面，在陆地上则以海面的 延伸部分为基础。
地球内部的基本构造分为地核、地幔和地壳。地核和地幔还各自可以分 为两部分。在地球最核心的部位，半径为 1255 千米的区域是内陆核，呈固态， 它外面是熔融状态的外地核。地核为铁镍物质所构成，据认为地球的磁场和 这种铁镍物质在外地核里流动有关。而地幔完全是石质的，密度比地表岩石 大，但因温度高刚度却不如地表的岩石，只有与地壳相连并包括地壳在内厚度不超过 80 千米的表层比较坚硬，叫做岩石圈。在它下面距地面总计不超过200 至 400 千米的上地幔，岩石所受的压力和温度相比不算高，使其处于接 近熔融状态，被称为软流圈。在岩石圈有裂缝或缺陷处，软流圈里的物质失 去了压力就会成为流动性较好的岩浆或熔岩，甚至可能流到地表面来。
地幔以上是地壳，构成地壳的原始岩石和地幔物质全都是硅酸盐矿物 质。硅酸盐的主要成分是硅和氧两种元素，它们都是恒星演化过程中核反应 合成的重要产物。地壳的厚度很不均匀，海洋下面地壳厚度只有 5 至 8 千米， 大陆地壳厚度 16 到 60 千米不等。地球表面以上是大气层，大气层没有明显的边界，只是愈向上愈稀薄。流星的光迹从 160 千米高处就会出现，太阳的高能粒子在稀薄空气中所产生 的极光则可以在高达 1000 千米的地方辉耀，不过通常所说的大气层则指的是50 多千米以内空气比较浓密的范围。在这范围以上的高层大气只占总质量的2％。这部分较浓密的大气层还可以细分为对流层和平流层。平流层往上为中 间层。自 80 千米以上称为热成层。在高层大气里从大约 100 千米到 350 千米 的高度范围里有一系列电离层，含有较多电离气体。电离层可以反射无线电 波，有助于越洋的短波无线电通信，并受太阳活动性的影响。
地球各处普遍存在的磁场称为地磁场，一般的磁感应强度为 5×10-5 特。
在中低纬度区地磁场的方向基本是南北向。地球磁场的真实起源目前还不太 清楚，一般认为是地核里液态铁质流动所引起的，但还没有令人信服的说明。
月亮，地球的卫星
洁白光明的月亮是天空中除太阳以外最引人注目的天体，又是除流星以 外距我们最近的天体，也是人类首先登临的地外天体。月亮诞生的过程大致 和地球相差不太多，只不过因为它比较小，内部热量和重力都比地球小得多， 才使月亮内部和表面的情况和地球大不相同。
月亮与地球的距离根据雷达探测资料，平均为 38401±1000 米。1969 年7 月 20 日美国宇航员登上月球后在月面上安放了激光反射器，现在用激光测 距精度可以达 7 米。月亮的半径为地球半径的 0.27 倍，即约为 1740 千米。 月亮的质量为地球质量的 1/81，即约为 7.35×1025 千克。由月亮的半径和它 的质量算得的平均密度为 3.3 克/厘米 3。在太阳系所有的行星卫星组合中， 它是与所归属的行星大小最接近的卫星，因此不少人认为它原来也是一颗行星，后来被地球引力俘获才形成共同围绕它们的质量中心转动并绕太阳公转 的姐妹行星。月亮总是用同一个面对着地球。这种情况称为同步自转。
月亮表面最显著的特点就是相当崎岖不平，布满各种山脉、裂谷和大小 不一的月坑，另外也有几大块平原称为月海。月坑又称为环形山，小的只有 几十厘米或更小，大的直径有 200 千米以上。大月坑底部很平坦，中央有一 些尖锥状的小山。绝大部分月坑是陨星撞击而成的，裂谷和断崖则是月面坍 陷的结果。月亮上没有水，所谓月海实际是由熔岩流布而成的平原，有的月 海四周有一圈山脉，好像原先也是大月坑，但后来被熔岩淹没掉。空间探测 器飞越月亮时发现好几个月海下面有大块密度较高的物质，这些物质被认为 是巨大高密度陨星撞进月面，撞击产生的大量热能熔化了周围的岩石，可能 再加上由月亮内部深处冲破薄弱月面流出来的熔岩，淹没掉原来的洞穴，最 后就形成了月海。虽然月亮内部可能不像地球那样完全熔化过，也没有形成 铁质的月核，但从登月过程中做的月震波实验来看，月亮内部也分为核、幔 和壳三部分。月核半径约为 700 千米，是软流状固态硅酸盐矿物质构成的， 温度只有 1000 开左右，远比地核低。月幔和月壳组成刚性的岩石层。月幔厚1000 千米，月亮的厚度在正面约为 65 千米，而在它的背面却可能要厚上一 倍。1969 年宇航员登月后不仅进行了月震波试验，还作了一系列的“月质”考察。月面的岩石主要是玄武岩，是由熔岩凝固而成的，因此至少月亮表面 原来曾经处于熔融状态。月亮上最古老的岩石已有 44 亿年以上的历史，但月 面上普遍覆盖的粉尘的年龄却达 46 亿年，这些粉尘估计都是从月亮凝固出的 第一批岩石剥落下来的。在月亮上没有明显的磁场，这很可能与月亮内部不 存在可流动的铁质核有关。
由于内部热量不足，坚硬的岩石圈厚达上千米，所以月亮上不存在板块活动，也没有板块撞击的造山运动。然而使历史陈迹原样保存到现在的主要 原因是没有大气和水流，不存在风化和水蚀作用。不过月面仍受到另一些因 素的剥蚀，一是昼夜温差使岩石表面剧烈热胀冷缩而破裂和剥落；二是大量 陨星的撞击，每次陨星撞击都会有崩裂的碎屑，在高温下熔成玻璃珠状的细 微颗粒；三是太阳风粒子和其它高能辐射以及宇宙线对岩石分子组的破坏。 而最主要的是在行星际空间随处存在的细微尘埃颗粒的冲刷，这些颗粒未受 大气阻拦以高速直冲月面，严重磨蚀月面岩石，结果使月面普遍散布着一层 粉尘。
地球和月亮的运动
由于地球绕日公转，太阳看起来好像是在天穹的繁星之间由西向东运 行，它所走的路线夏天在赤道以北，冬天在赤道以南，这种表现的太阳轨道 就是黄道。因为太阳和地球都永远在地球轨道面上，所以地球轨道面和黄道 面是同一个平面，两种叫法可以互换使用。黄道在天穹上和天赤道有两个交 点：一点是视太阳由南向北穿过赤道的春分点；另一点是秋分点。太阳在一 年里先后穿行于黄道十二个星座，它们好像是太阳的行宫，所以又称黄道十 二宫。
地球轨道的偏心率虽然只有 0.017，地球在轨道上运行的速度仍然有明 显变化，反映出来是太阳在黄道上走得快慢不同。每年春分到秋分地球在远日点一侧，运行较慢，共约需 185 天；而由秋分到第二年春分则在近日点一 侧，运行较快，只需约 180 天。这正是开普勒第二定律的反映。
月亮绕地球运行的公转是产生月相变化和形成日月食的原因。月亮与地 球的平均距离是 38.4 万千米，绕地一周需用 27.3 天。这个周期不是两次满 月的间隔，而是以天空的恒星为背景所观测到的周期，因此叫恒星月。在这 期间地球在自己的公转轨道上向前运行了一段，月亮、地球和太阳的相对位 置有了变化。例如原来月亮在太阳和地球当中，经过一个恒星月之后，以遥 远的恒星为准，月地的相对位置已经和上次一样，但是月亮却还没有来得及 第二次走到太阳和地球中间，大约还差 27°，需要再过一段时间才能到达。 月亮先后两次到达太阳和地球当中所间隔的时间叫做朔望月，长度是 29.5天。
月相变化是因为太阳、地球和月亮相互位置的变化，使我们看到被太阳 照亮的月亮部位不同而形成的。当月亮处在日地之间时，面对地球的是阴暗 面，称为朔，即农历初一；月亮转到日地联线对面时是满月，称为望，即农 历十五。中间还有娥眉月和上弦、下弦。两次朔日或两次望日之间所经历的 时间就是朔望月。
在朔日如果月亮刚好穿过地球的轨道面或在附近，它就会把影子投到地 球上形成日食，月影经过的地带就是日食带。由于太阳整个圆面都发光，所 以月亮投射出的影子分本影和半影两部分。在本影区内月亮完全把太阳遮挡 住，而半影区只部分遮挡住太阳。月亮的本影投射到地球上就会发生日全食。 在锥形本影经过的地带可以看到日全食，在锥形半影扫过的区域，太阳不会 被月亮全部遮挡，只能看到日偏食。在一次日全食中可以看到偏食的地带远 比能够看到全食的地带为大。月亮在椭圆轨道运行，距地时近时远，因此有 时月亮即使正好处在太阳和地球当中，本影的锥尖却不够长无法投射到地球 上，这时月亮距地较远，它的盘面比太阳圆面小，就会形成日环食。本影的 锥尖未达到地面，在锥尖的延长线所指位置附近可以看到日环食，半影区内 其它地方只能看到偏食，如果在望的时候月亮刚好穿过地球轨道面，月亮就 会走到地球的本影里面而接受不到阳光，这样就会形成月食。
很明显，并不是每个月的朔望日都会发生日月食，只有在朔望时月亮凑巧十分靠近或穿过地球轨道面时才会发生日月食。月亮绕地运行的轨道面即 通常称为白道面的平面，既不和黄道面重合又不和地球的赤道面重合，所以 月亮的运动看起来显得特别复杂。
发生日食的机会比发生月食的机会多。每年都至少会发生两次日食，两次之间大约相隔半年。最多一年之内可以发生五次日食，它们分为三组，其 中两组连续两个月都发生日食，另外相隔约半年还有一次单独日食。日食的 发生次数虽多，但月影特别是月亮本影锥尖在地球上扫过的面积每次都极为 有限，所以对任何一个具体地点平均经过二三百年才能遇见一次日食。月食 每年最多只有三次，有些年份甚至一次月食也不发生。但是每次发生月食在 夜间的半个地球上都能见到，所以看到月食的机会反而较多。每年日月食总 数不会超过七次。
月亮绕地运行还影响海水和潮汐。月亮对地球上各点的距离不同，对地 球各部分的引力也不相同。面对月亮的部分距离最近引力最强，地心处次之， 背着月亮的一面距离最远引力最小。如果地球完全是刚性固体不会变形，各 部分受到的引力差别从整体上起不了什么作用，合起来相当于加在地心处的总引力。但是地球并不是理想的刚体，更何况表面还有广阔的海洋，能流动 的海水是可以随受力情况而变形的。其结果是受引力最强处向月亮移动的加 速度最大，地心次之，背着月亮的一面引力最弱加速度也最小。这些力总合 的作用是维持地球和月亮相互绕行，但是由地球本身来看，面向月亮的部分 向月亮靠拢的趋势强，而背着月亮的部分却跟不上整体的行动。结果不论面 对或背向月亮的部分都有离开地心的趋势，也就是说它们都受到向外拉的 力，海水受这种力的作用在两个方向上都会凸起来形成海潮。这种引起海水 潮汐的力就叫做潮汐力或引潮力。一个天体的质量越大或者和周围物体距离 越近，它所施加给周围物体的潮汐力就越大。在中子星或黑洞附近潮汐力可 能会大到任何物体都要被撕扯碎裂的地步。潮汐力虽然是万有引力的一种表 现，但它是不同距离上引力的差值，所以不再与距离的平方成反比而是与距 离的三次方成反比。太阳对地球的潮汐力就因为它的距离比月亮远得多，不 像月亮对地球的潮汐力那么强。
所谓潮汐原是指在朝朝夕夕的昼夜周期里，日月潮汐力使海水涨落的变 化。太阳和月亮的引潮力还以朔望月为周期。在朔日或望日，太阳、地球和 月亮在一条线上，日月潮汐力方向相同，形成大潮。中秋钱塘江大潮就如万 马奔腾蔚为壮观。
地球反过来自然会向月亮施加更为强大的潮汐力。月亮早期表面由熔岩覆盖的时候，潮汐力会使熔岩发生涨落的流动。由于熔岩粘滞性很大，流动 起来摩擦阻力很大，就使月亮转慢起来，最后达到自转周期和公转周期相等 为止。这时月亮固定用一个稍微向外突起的面对着地球，不再有熔岩的流动 和涨落，这就是月亮以及已测得自转周期的卫星全部是同步自转的原因。再 反过来看地球，地球上海水的潮汐也同样有摩擦力。虽然比熔岩流动给月亮 的阻力小，却同样能使地球自转减慢。现在已经测出，地球的自转周期每 100 年大约延长 1 毫秒的样子。有很多证据证明在远古时代地球每年自转 400 多 次，而不是现在这样 365 次多一点。
太阳系 光辉的太阳
太阳是太阳系中唯一自己发光的天体，是一颗稳定的恒星。它光焰夺目， 光芒四射，以巨大的光和热哺育着大地，给人间带来了温暖。对于人类来说， 地球上万物的生长，气候的变化，江河湖海的出现，各类矿产的形成，直到 人们的日常生活，都离不开太阳，所以在宇宙的众星球中，没有一个能比得 上太阳更为重要。可以说，没有太阳就没有人类居住的地球，也就没有人类。 从这个意义上说，太阳好比是“大地的母亲”。
在我国辽阔的土地上，从很早的古代起，就居住着许多部族，各个部族 都有自己奉祀的上帝、鬼神和有关太阳的神话传说。据传说，我国东方殷商 人信奉的上帝是帝俊（又称帝喾），西方的周人所奉祀的上帝是黄帝，而且 这往往又与太阳的神话传说有关。
传说帝俊长着鸟的头，头上有两只角，称猴的身子，只有一只脚，手里 常常拿着一根拐杖，弓着背，一拐一拐地走路。说帝俊有三个妻子，一个叫 做娥皇，另外两个一个叫羲和，另一个叫常羲。羲和是太阳的女神，生了十个太阳。常羲是月亮的女神，生了十二个月亮。 相传，在东海外的汤谷，有一棵大树生长在海水中，这个大树名叫“扶桑”，扶桑有几千丈高，一千多围粗，这十个太阳就住在这扶桑树上，经常 有一个太阳住在上面的树枝上，其余九个都住在下面的树枝上。他们轮流出 现在天空中，一个太阳回来了，另一个太阳才出去值班，所以虽然有十个太 阳，但经常和人们会面的却只有一个。
据说到帝尧当政的时候，十个太阳不再认真地轮流出来值班，却一齐跑 出来玩耍。习惯一经养成，就天天都结伴出来，这便给大地上的人们带来了 沉重的灾难。十个太阳发出的光和热，把禾苗晒得枯干了，把土地烤焦了， 铜铁沙石也快要晒熔化了，血液差一点要沸腾，怪禽猛兽纷纷从火焰似的森 林、沸汤般的江湖里跑出来残害人们，人们处在垂死挣扎的边缘，就连帝尧 也无法活下去了。
在天廷的帝俊见到这般光景，觉得再也不能让孩子们胡闹下去了，于是 就决定派擅长射箭的名叫后羿的天神到人间去严厉地教训他们一番。据说后 羿的箭法相当高明，即使一只小雀从他面前飞过，准会把它射下来。在后羿 离开天廷的那天，帝俊赐给了他一张红色的弓和一口袋白色的箭，这箭不但 华美而且坚固锋利。帝俊对后羿还叮嘱一番。后羿领了帝俊的使命后，就带 着妻子天神嫦娥降到了人间。
后羿在茅草屋里见到了愁苦的帝尧，又亲眼目睹了人们受难的情景，勾起了他怜悯人们、痛恨太阳的怒火，这时已顾不上帝俊的嘱咐了，便弯弓对 准太阳射出一箭，嗖的一声上去，隔了片刻，只见天空中一团火球无声地爆 裂，流火乱飞，黑色的羽毛纷纷四散，坠落到地面上一团黑色的东西。人们 跑去一看，原来是一只带着箭的硕大无比的三脚乌鸦，它就是太阳精魂的化 身。天上果然少了一个太阳。后羿见大祸既已闯下来了，索性一不做二不休， 把箭一支接一支地射向太阳，三脚乌鸦一只接一只地落下来。站在一旁看射 箭的帝尧，想到一个太阳出来的时候，太阳对人们有很大的好处，不能全射 下来，便急忙命人暗中从后羿装满十支箭的箭袋里抽出一支，所以最后天空 中只剩下了一个太阳。
后羿虽为人们除了害，但由于射下了九个太阳而闯下大祸，就再没回到天廷，嫦娥也因此受到了连累。后羿为了永远生活在人间，就引出了后羿向 西王母讨药，以及嫦娥奔月的故事。
我国是最早观测和研究太阳的国家之一，早就注意对太阳黑子和日食现象进行观测，并留下了大量的资料。据《汉书·五行志》记载，在西汉成帝 河平元年（公元前 28 年）“三月乙未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央”， 这是世界有名的公元前 28 年 5 月 10 日的太阳黑子记录（据考证，“乙未” 应为“己未”）。后来在我国的史籍上，不断出现类似的记载，对科学家们 研究黑子周期有很大的参考价值。
但首先用仪器观测太阳的要算是伽利略了。在 1609 年，伽利略第一次用 望远镜观测太阳黑子。1826～1843 年，法国有位药剂师，名叫施瓦布，是个 天文爱好者。他对太阳黑子连续观测 17 年后，发现黑子有 10 或 11 年的周期 变化。1848 年，瑞士的 R·沃尔夫提出黑子相对数的概念，并利用历史上望 远镜观测积累下来的黑子资料，推算出上溯到 1700 年的黑子相对数的年平均 值，进一步证明太阳黑子活动确实存在着明显的周期性变化，周期平均长为11.1 年，这就是大家所知道的太阳黑子 11 年周期。
到了 19 世纪最后 10 年，美国的海耳和法国的德朗达尔分别发明太阳单 色光照相仪和太阳谱线速度仪，从而开创了现代的太阳研究的新时期。他们 通过单色光观察太阳光球和色球，发现了钙云（谱斑）。20 世纪初，在威尔 逊山天文台安装了太阳塔和分光设备，广泛地巡视太阳，发现了黑子的磁性和 22 年的磁周期。1931 年，李奥制成了日冕仪，为人们平时观测日冕提供 了条件。到 20 世纪 50 年代初，太阳光磁象仪研制成功，进一步推动了对太 阳活动规律和活动区物理的探讨。
此外，在 20 世纪 30 年代，詹斯基等人发现了来自地球以外的无线电波。 射电天文学的诞生，使人们可以用无线电方法接收并研究太阳的射电波，并 取得越来越多的成果。
随着空间科学技术的发展，空间天文学也发展起来。在卫星上天以前， 已开始利用飞机、气球、火箭进行探测。近年来，又发展到利用地球轨道太 阳观测卫星、某些深空探测器和天空实验室上的阿波罗望远镜装置，从空间 观测太阳，此外，许多地球物理探测卫星，也进行太阳观测。
美国在 1960 年 6 月～1976 年 3 月，发射了太阳辐射监测卫星（英文缩 写为 SOLRAD）系列。这个系列共发射 13 颗，其中有三次发射失败，后发射 的几颗成果较大。它们的任务是对太阳 X 射线进行连续监测。从 1961 年 1 月以来，利用这些卫星监测太阳 X 射线辐射，测定了这个黑子周期内的极小 和极大的辐射流量，以及辐射流量随太阳活动的变化情况。
此外，美国从 1962 年 3 月～1975 年 6 月，还发射了轨道太阳观测台（英文缩写为 OSO）系列。它也是观测太阳的卫星系列。这个系列共发射八颗， 主要任务是通过观测太阳的紫外线、X 射线和γ射线，系统而连续地研究太 阳的结构、动力学过程、化学成分以及太阳活动的长期变化和快速变化。
除了美国以外，苏联、欧洲空间局、日本等国也先后发射了太阳观测卫星，进行对太阳的观测和研究。
1973 年，美国的“天空实验室”发射成功，使空间太阳观测发展到了空 前的程度。天空实验室是美国实验性的大型载入轨道空间站。它上面的阿波 罗望远镜是一组观测太阳的天文仪器，在远紫外线或 X 射线等不同波段，对 太阳色球和日冕进行了电视或照相观测，拍摄了太阳活动景象的大量照片。 而且，通过天空实验室的高分辨率成像观测表明，日冕不是宁静的均匀结构 特征。科学家们还注意到，当太阳赤道有大冕洞时，地球附近就会观测到高 速太阳风。为此，人们认为冕洞可能是高速太阳风的源泉。
可见，人类在漫长的岁月里，通过不同手段对太阳的观测，使人们知道了太阳上有着壮丽的景色，变幻的风云，甚至猛烈的爆发，太阳上是那样生 气勃勃，丰富多采。这里，我们对太阳的知识只做简单的介绍。
太阳是太阳系的中心天体，它以巨大的引力控制着太阳系中的天体。地 球自形成以来，已绕太阳运行过 46 亿年了。太阳是离我们最近的一颗恒星， 它的直径为 139 万公里，比地球大 109 倍，体积相当于地球的 130 倍，质量 是地球的 33 万倍。
太阳是一个炽热而发光的气体球，严格地说，它是一个高温的等离子体 天体。太阳是由一系列类似同心圆的气层组成的。
我们肉眼看到的光芒夺目的太阳表面，通常称为“光球”。厚度约有 500 公里，表面温度达 6000℃。我们接受到的太阳能量基本上是从光球发出的。 在光球上没有受到干扰的地方，布满了米粒组织，估计米粒组织的总数达 400万颗。在光球活动区有太阳黑子、光斑，偶尔还有白光耀斑。 “米粒组织”是光球下面气体对流所引起的一种日面结构。它在高分辨率的光球照片上，呈现出米粒状的明亮斑点，它们的直径往往达 700～1400 公里。
在光球上出现的大小不等、形状不一的黑点，就是我们熟悉的太阳“黑 子”。在太阳表面，黑子像一个不规则的洞，充分发展的黑子是由中心较暗 的本影和周围较亮的半影构成的，它比光球低约 500 公里。温度比光球低， 只有 4500℃。黑子往往成对成群出现，黑子群几乎全都呈椭圆形。有的年份 黑子出现得多，有的年份出现得少，通过长期观测和对观测资料的分析，发 现黑子数的变化平均有 11 年左右的周期，人们把 11 年周期称为“太阳活动 周”或“黑子周”。在一个太阳活动周里，黑子数升到最高的年份叫做“太 阳活动峰年”（极大年）；黑子数降到最低的年份，称为“太阳宁静年”（极 小年）。至于太阳黑子的成因，现在还不能确知，但是黑子与强大的磁场有 关系，磁力现象一定与黑子的来源有密切关系，这是没有疑义的。
在太阳东西边缘部分的黑子周围，往往可以看到亮的条纹或小块，这就 是“光斑”。光斑一般环绕着黑子，与黑子有着密切的关系。同黑子有关的 光斑由明亮的纤维组成；同黑子无关的光斑出现在 70 度的高纬地区，面积 小，略呈圆形。
光球上面的气层是“色球”。在日全食时，当月亮挡住了太阳的光球，就可以看到太阳边缘出现一圈明亮而狭窄的玫瑰色圆环，这就是色球。色球 层的厚度各处不同，平均厚度约有 2500 公里。
用色球望远镜观测太阳圆面时，可以看到太阳单色象上有一些较明亮的区域，叫做“谱斑”。谱斑是在色球层中出现的类似光斑的亮区。 最好看的要算是从色球层喷出的“日珥”了。如果把太阳比做一团熊熊燃烧的火球，那么日珥就是从火球上冒出来的火焰。日珥的形状多种多样，有的像火焰，有的像半圆环，也有的像喷泉，有时一个巨大的“气柱”升腾 而起，达到几万公里甚至一百多万公里的高度，然后再落回日面，有的便脱 离太阳而去。日珥比日面的亮度小得多，所以它在日面上的投影是暗黑色的。 在太阳单色光照片上，像是一条婉蜒曲折的长蛇，称为“黑条”。
有时，一个亮斑点在黑子群的上空突然出现，在几分钟甚至几秒钟内，它的面积和亮度增到极大，以后又慢慢减弱以至消失，这种变化快而且比谱 斑更明亮的亮斑，叫做“耀斑”，它可能是色球和日冕过渡层中的一种大气 不稳定过程。耀斑的出现和黑子有密切关系，因为 95％以上的耀斑都产生在 黑子群范围内。一个耀斑发出的总能量相当于 100 亿个百万吨级的氢弹爆炸 的威力。当耀斑出现时，除了发出很强的无线电波外，还发射大量的紫外辐 射、X 射线、γ射线，抛出高能的带电粒子。当它们到达地球时，有时会使 短波无线电通讯受到干扰，产生磁暴和极光，有时也会间接地影响地球物理 现象。
色球层向上是“日冕”，日冕是太阳最外层的大气，从色球层顶部一直 向上延伸到几个太阳半径。日冕的光度比较暗弱，所以平时看不到，日全食 时可以看到在圆轮周围有个银白色的圈，就是“日冕”。
日冕是由很稀薄的、完全电离的等离子体所组成，其中主要是质子、高 速电离的离子和高速的自由电子。温度很高，高达 100 多万度。
日冕的精细结构，有冕流和极羽、冕洞、日冕凝聚区等。日冕的形状和太阳活动有关，在太阳活动极大年，日冕接近圆形，而在太阳宁静年则比较 扁。
太阳发出的能量，99％是由内部产生的。关于太阳产能的秘密，直到 20 世纪 30 年代以后，才逐渐被人们所认识。在半径约为太阳 1/4 的日核部分， 集中了 1/2 的太阳质量，温度高达 1500 万度，压力为 25×1010 大气压。在 那里进行着大规模的四个氢原子核（质子）聚变成一个氦原子核的热核反应。 当四个氢原子核聚合成一个氦原子核的时候，我们会发现有质量的亏损，即 一个氦原子核的质量比四个氢原子核的质量要少一些。这些亏损的物质则变成了光和热。产生的能量，主要以辐射形式稳定地向空间发射。 太阳是一颗平凡的恒星，它居于无数颗恒星之中，正由于这颗恒星离我们最近，人们就可以通过对太阳的仔细研究，为对遥远的恒星世界的研究提 供了条件。
大行星和它们的卫星
早在几千年前人们已经把太阳、月亮和水、金、火、木、土五颗行星从 大量恒星中区分出来了，因为它们都穿越恒星组成的星空背景运行。太阳和 月亮又以其特殊外貌与另外五颗行星相区别。今天我们已经知道，它们全都 属于远离星空背景诸星的太阳系。太阳系里还包括地球本身和后来陆续发现 的三颗大行星、众多卫星、无数小行星，还有彗星、陨星以及大量尘埃物质 和稀薄的气态物质等等。
现在一般把水星、金星、地球和火星归为一类，称为类地行星。它们的共同特点是其主要由石质和铁质构成，半径和质量较小但密度较高。把木星、 土星、天王星和海王星归为一类，称为类本行星。它们的共同特点是其主要 由氢、氦、冰、甲烷、氨等构成，石质和铁质只占极小的比例。它们的质量 和半径都远大于地球，但密度却较低。冥王星是特殊的一个，虽然成分和天 王星、海王星相似，但它比月亮还要小。另外还有一种分法把木星和土星归 为一类，称为巨行星或类木行星；而把另外三颗归为一类，称为远日行星。 其理由是木星和土星的成分与其余三颗不相同，特别是大气的成分有明显差 别。前者保有较丰富的氢和氦，而后者则包含较多的冰、甲烷和氨。
大行星的公转轨道大多数是近乎正圆的椭圆形，只有水星和冥王星的偏心率比较大。 大多数卫星的公转轨道和大行星的轨道类似，也是近乎正圆形的椭圆形，行星围绕太阳和大部分卫星围绕行星都和地球的绕行方向一致。行星运 行轨道所构成的平面都很接近，差别最大的冥王星轨道面和地球轨道面之间 的夹角也只是 17°多。大多数卫星的轨道面和行星轨道面之间的夹角也不 大，最多 30°左右，只有天王星的几颗卫星例外，它们的轨道面几乎和天王 星的轨道面垂直。以上是行星与卫星运行的主要情况，总的来说，它们的轨 道运行有近圆性、同向性和共面性。
有四颗行星的自转轴与它们的公转轴有 20 多度的夹角。水星、金星和木 星的两轴夹角仅有几度。金星的夹角虽小，自转的方向却与公转方向相反。 天王星和冥王星差不多是躺在轨道面上自转的,它们的自转轴接近与公转轴 垂直。在卫星中只有少数几颗的自转周期已知，全部和它们围绕行星运行的 公转周期相同，被称为同步自转。
轨道在地球以外的行星可以运行到与太阳完全相对的方向，地球正处于 太阳与行星之间时称为冲，此时地球与该行星距离最近。太阳正处于地球与 行星之间时称为合，此时地球与行星距离最远。行星的方向与太阳方向成 90°时称为方照，按两者的关系分别为东方照和西方照。外行星在星空背景的 视运动路径也有顺行、留和逆行的变化。
在人类进入空间时代以前已经知道地球有 1 颗卫星，火星有 2 颗，木星有 12 颗，土星有 10 颗，天王星有 5 颗，海王星有 2 颗卫星。近 30 年来随着 空间技术的发展，特别是两个旅行者号空间探测器于 1979 年 3 月和 7 月飞临 木星，又于 1980 年 11 月和 1981 年 8 月飞临土星，旅行者 2 号于 1980 年 1 月底飞越天王星，又于 1989 年 8 月飞越海王星，发现了许多过去不知道的卫 星。
大行星的卫星大小差别很大，运动特性也很不一致。一般根据它们的轨 道运动是否具有共面性、同向性和近圆性把它们分为规则卫星和不规则卫 星。有许多卫星是逆行的，只要整组卫星都同向逆行，仍然算有同向性。
类地行星
类地行星距离太阳比较近，物理特性和化学成分都很接近，都是石铁为 主的固态球体，球体表面上即使有液态海洋和气态大气层，在总质量和总体 积上所占的比例也十分微小。四颗类地行星中以地球为最大，金星次之，火 星又次之，水星最小。月亮只比水星稍小一点，且其它特点都很相似，所以 有人把它也算作类地行星之一，和地球组成姐妹行星对。类地行星内部都有 核、幔和壳之分，壳所占的厚度很小，主要是核和幔。
水星是最靠近太阳的行星，半径 2400 千米，自转周期 58.65 天。它的质量仅为地球的 5.5％，即约为 3.33×1023 千克，密度和地球差不多，为 5.4 克/厘米 3。由于它距太阳很近，在天空中和太阳之间的夹角永远不会超过 28°，因此它经常受阳光影响难于见到。哥白尼临死前唯一深感遗憾的事，就是未亲眼看到过水星。1974 年和 1975 年水手 10 号空间探测器三次飞越水 星，最靠近时曾达到距表面仅几百千米。现已查明水星表面非常像月亮，有 大量陨星坑，也有类似月海的大平原，形成的年代可能也在 30 亿至 40 亿年 以前。
水星表面和月面同样覆盖着一层尘埃，很难传热，加上没有大气环流，所以水星昼夜温差很大，正午时赤道温度可达 700 开，夜间则为 100 开。水 星表面几乎没有大气。通过紫外摄谱仪发现水星表面有极微量的氦，可以算 做逃逸之后剩余的一点大气成分。水星表面没有水。水星有磁场而且磁场结 构和地球的磁层相似，迎太阳的一面有磁层顶，背向太阳的一面拖着长尾巴。 不过水星的磁场很弱，约有 5×10-7 特，仅为地球磁场的 1％。
1965 年发现水星的自转周期与公转周期准确之比等于 2∶3。这种数学上 的巧合当然决非偶然，是太阳潮汐力对它作用的结果。如果水星轨道接近于 正圆，潮汐力作用的结果会形成同步自转。然而水星轨道的偏心率达到 0.2， 近日点和远日点与太阳距离之比为 0.8∶1.2，所受潮汐力之比与距离之比的 三次方成反比，达到 3.375 倍。近日点的潮汐力比远日点强很多，水星自转 周期主要受近日点控制。根据开普勒定律，近日点附近水星的运动速度比平 均值要高，因此水星的自转周期最终会比同步的公转周期短一些。然而除非
两个周期成简单整数比关系，否则潮汐力对自转的制动作用不能达到一个稳 定状态。对水星来说，比值关系只能是 2∶3。
金星是天空中除日月之外最亮的天体，也是距地球最近的行星。它与太 阳的夹角永远不会超过 48°，不是为朝日东升开道就是随夕阳西落。我国古 代曾把它误认为两颗星，曾分别称为启明与长庚。用望远镜很容易看到金星 有类似月亮的相位变化，同时还有大小的变化。金星与太阳相距 1.08 亿千 米，公转周期为 224.7 天。它的半径约为地球的 95％，即约为 6050 千米， 质量约为地球的 82％，即约为 4.87×10-24 千克，密度为 5.3 克/厘米 3。这 些数据都和地球相近，似乎金星应该是地球最亲密的姐妹。从内部结构来看， 金星确实和地球相当类似，但是它的大气组成和气象条件却和地球迥然不 同。在空间拍摄的金星照片上，云雾弥漫无法看到大气层以下。
金星内部至今仍然有幔的对流引起造山运动和产生着新的岩石，新生的 岩石年龄不过几百万年。金星岩石的薄弱处很可能还有火山活动。由雷达和 金星探测器探知金星表面有大到几百千米的环形山和深达 7 千米的裂谷和平 缓的坡地。由于金星有浓密的大气，环形山不可能由陨星冲击而成，只能是 火山喷发的结果。从金星的大气组成来看，火山活动在发展金星大气里起了 主要作用。金星大气的总量超过地球大气 90 倍，成分主要是火山喷出的二氧 化碳，其次是氮和一氧化碳，水蒸气的比例很小，只约占 0.2％。另外还有0.03％的二氧化硫及极微量的盐酸、氟氢酸。金星大气中氧的含量极低，不到 0.003％。而在地球的大气中，除占 78％的氮之外，其余几乎全是氧，二 氧化碳则仅占 0.03％。金星上空永远浓云密布，不像地球上空云量平均只有
56％，而且比金星的云薄得多。金星的云层几乎完全是硫酸小滴，落到金星表面的雨也是硫酸雨，致使金星表面湿度只有 0.1％到 0.2％。金星的黄色云 层分布在 35 至 65 千米的高度范围里。金星云层的顶端能把入射的太阳光反 射回宇宙空间 75％，尽管如此，由于金星距太阳比地球近许多，入射阳光的 强度将近高出一倍，所以金星表面得到的太阳辐射并不比地球表面少。金星 云层之下还相当亮，在穿透云层的阳光照耀下，物体还会投下模糊的影子。 金星大气里有明显的天气变化，大气也有对流和环流，在云层里，上升气流 经常有大规模的雷电。金星上空 10 千米左右高度上雷电非常频繁，闪电甚至 使金星天空呈现连续不断的辉光。金星探测器就曾记录到一次历时 15 分钟的 持续闪电。
金星表面的温度很高，达 730 开（约为 450℃），能使铅熔化，并且基本上不受纬度、日照和昼夜的影响。金星的自转非常慢，周期为 243 天。由 于自转方向与公转方向相反，金星上面一昼夜的长度为地球上的 117 天。浓 密大气的环流把热量均匀输送到表面各处，使整个金星表面的温度变化和温 差都很小。金星表面的气压达到地球表面大气压的 90 倍。大气环流的水平风 速并不高，记录到的风速仅有每秒 2 米左右，对岩石的风蚀作用很小，遍布 金星表面的岩石边缘都很锐利。可是在大气高层，纬向风的速度却达每秒 100 米，与自转方向相同，四天就可以绕金星上空一周。
既然金星和地球内部成分和结构都很近似，起源和历史也应该很相似， 为什么它们的大气条件、表面温度等却差别那么大呢？现在多数研究者认为 这种差异的原因是金星上发生了失控的温室效应。
二氧化碳能让可见光和紫外线顺利通过，却对红外辐射相当不透明，有 些像温室的窗玻璃。金星表面在二氧化碳的覆盖下，所吸收的太阳可见光和紫外线能量使它升温，却不能以红外线的形式重新辐射到宇宙空间，能量在 表面聚积起来，温度就会逐步升高，这就是温室效应。最后达到的平衡温度 比地球上相对透明大气所确定的温度高出很多。金星表面的温室效应和二氧 化碳及水的其它物理化学特性相结合，就使金星损失掉大量的水并保留下全 部游离的二氧化碳，而地球则相反。
金星比地球接受的太阳辐射多，温度一直比地球高。据计算，在金星和 地球的外壳冷却形成时，金星约为 55℃而地球则约为 0℃。当时还没有大气 层，随后由火山喷发出来的二氧化碳和水蒸气等才开始形成大气。地球表面 的水蒸气大都冷凝成液态水，而在金星表面大量水以蒸气的形式存在无法溶 解二氧化碳。从此金星上就有了愈来愈强的温室作用，终于使大气发展的方 向与地球背道而驰。到后期地球上有了生命，二氧化碳被绿色植物吸收进行 光合作用，被海生动物吸引作为介壳石灰质的原材料。光合作用的副产品氧 不仅供养了动物，而且在高层大气中吸收了大量紫外线，使水蒸气免遭破坏。 最后，地球上原来只占很少量的氮变成大气的主要成分，氧也占了举足轻重 的地位，二氧化碳却成为很次要的成分。大气中失去了原先最主要的二氧化 碳，只余下 1％左右，而保存下来的水却构成大片海洋。由此可见大气中二 氧化碳的温室作用不容忽视。
金星基本上没有磁场，自然也就没有磁层和辐射带。估计这可能是因为它自转太慢的缘故。由于没有磁层和辐射带的保护，太阳风和其它高能宇宙 线粒子可以直接进入金星大气层，在大气层内部离金星表面很近处造成一个 不太厚的电离层。
火星从来就是天文学家很感兴趣的行星，因为早年在望远镜里看到它表面有明显的地形标志，并据此测定了它的自转周期。它的两极都有白色的极 冠，大片浅橙色和暗灰色覆盖的面积随季节变化。有人甚至说看到过很规矩 的运河网也随季节变化。乐观的天文学家过去曾经猜测火星上可能有好客的 植物供养着高等生物。火星的半径是 3400 千米，质量为地球的 10.7％，即约为 6.4×1023 千克，密度为 3.9 克/厘米 3，自转周期为 24 小时 37 分。它和太阳的平均距离约为2.3 亿千米，公转周期 687 天。由于它的自转轴和公转轴之间有 23°59′的 交角，所以它有非常类似地球的四季变化。虽然火星的昼夜长短与地球大致 相当，但季节变化却要慢一倍。火星内部的结构有核、幔和壳，只是含铁较 少而且几乎全部是硫化铁。火星比地球小很多，内部压力低很多，所以平均 密度比地球低相当多。因此从总体来说火星并不像过去有些人设想的那样和 地球相似。
火星表面一片荒凉，地貌有点像地球上的沙漠。从在火星上拍摄的照片， 可以看到由风力造成的典型沙丘，还可以看到大裂谷和滑坡。虽然现在没有 发现火星板块活动的迹象，但过去火星壳也发生过很大的变动。火星上发现 了十几个火山，其中最大的是奥林匹斯火山。火星上的火山曾经猛烈地活动 过，强度可能超过地球上的火山。奥林匹斯火山的锥顶高度达到 26 千米，比 地球上最高的山峰还要高出几倍。但火星的火山可能停止活动很久了。
火星的大气非常稀薄，表面气压只有地面气压的 0.6％，在一些火山的 顶峰上只剩下 0.1％。由于空气稀薄，对流交换的热量小，所以昼夜温差极 大，可以由 240 开变到 190 开，平均温度为 210 开。赤道处的极端最高温度 可以达到 300 开，约相当于平常的室温。火星大气里由温差引起的气流速度很快，达到每秒 30 至 60 米，经常刮起表面的尘土形成强烈的尘暴。火星大 气也是靠火山活动喷发而成的，主要成分是二氧化碳以及少量氮、氩、氧、 水蒸气和一氧化碳等。水蒸气和氧的含量随地区和季节不同有很大变化。火 星两极即使在夏季也保留一片极冠，北极冠是水结成的冰，南极主要是干冰（固体二氧化碳）。火星上的水蒸气经太阳紫外线的光化学作用产生臭氧、 单原子氧、过氧化氢、羟基等强氧化剂，对岩石表面氧化腐蚀并破坏有机分 子。火星大气里云很少，但确有冰晶形成的云，在极区还有干冰形成的云， 甚至有干冰构成的雪。
对火星的探测有一个重要目的是寻找地球以外可能存在的生命形式。从 长期的观测和研究来看，在整个太阳系里，除地球之外火星存在生命的可能 性最大，但直到今天为止有关火星生命的问题还没有肯定的结论。
火星探测中发现了一个引起人们极大兴趣的问题，就是在火星的赤道地 区不少处存在着明显的河流遗迹。这些河道目前虽然是干涸的，但过去肯定 是由流动的液态物质冲刷而成。除少数粗短的可能是熔岩形成的以外，其余 大部分是由流动性很好的液体冲出来的，因此很可能火星存在过湍急而汹涌 的水流，但目前火星大气和表面完全不存在保留流水的条件。
火星有两颗很小的卫星。说来有趣，18 世纪 20 年代英国讽刺作家的讽 刺幻想小说《格列弗游记》里，除描述格列弗到大人国和小人国的经历外， 还记载了格列弗到过一个叫拉普他的地方，那里的人都有许多奇思怪想。据 拉普他的天文学家说，他们发现火星有两颗卫星，它们和火星的距离分别是 火星半径的 3 倍和 5 倍，而围绕火星的公转周期则分别是 10 小时和 21.5 小 时。实际上火星的两颗小卫星直到 19 世纪 70 年代才真正被观测到，已经是 在小说发表后 150 年。最有趣的是它们和火星的距离分别等于火星半径的2.8和 6.9 倍，公转周期是 7.65 小时和 30.3 小时。这些数字和拉普他天文学家的“发现”实在相近得令人惊奇。 火星的两颗小卫星围绕火星转得很快，在火星上看起来它们不像地球上看月亮。快的一颗会从火星地平线的西方升起，约 5.5 小时就从东方地平线落下，然后再经 5.5 小时又从西方升起。火星上每夜可以看到它升落两次， 它的“月相变化”非常快而明显，因为它的“一个月”还不到 8 小时。比较 慢的一颗东升西落，每次升起来要在天空呆 66 小时才落下去，几乎接近火星 的三个昼夜。
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