第7版()
专栏：
宇宙航行在研究空间科学上的意义
李毓昌
自从苏联于1957年10月4日成功地发射了第一个人造地球卫星，到目前已有三年半左右的时间。在这段不长的时期内，人类在继续发展宇宙航行事业方面又连续取得了许多新成就。其中主要的如1959年1月苏联发射了第一个太阳系人造行星，同年苏联还连续发射了两个月球火箭，并且把月球背地球一面的照片传送到地球上来了。今年2月苏联发射了飞向金星的宇宙火箭，3月又完成了人造地球卫星式宇宙飞船重返大地的试验。特别是今年4月苏联发射了载着加加林少校的地球卫星式宇宙飞船“东方号”，并且按预定计划在飞绕地球一周以后安全重返大地，实现了人类很早向往的遨游太空的壮举。上述一系列宇宙航行方面的胜利，都是许多科学技术，如喷气技术、无线电电子学、计算技术、自动控制等研究成果的结晶，是人类伟大的智慧与创造才能的集中表现。
在可以预见的将来，宇宙航行大体上还限制在地球周围的空间、月球、接近地球的太阳系的行星（如金星、火星等）这样一个空间范围内。这是因为目前我们已经知道的宇宙太空实在太大，把火箭送到那么遥远的空间，将会遇到许多目前还无法解决的困难。从太阳系来说，最远的冥王星与地球的距离约五十七亿公里。太阳系以外距我们最近的是半人马座比邻星，它与地球的距离是四点二光年或四十万亿公里，其次天狼星与地球的距离是八点六光年约八十二万亿公里。如果宇宙火箭要逸出银河系，纵使它具有接近光的速度，也要走十万年之久。
人类在进行宇宙航行所受到的空间范围上的限制，并没有降低宇宙航行在进行空间探测研究、发展空间科学方面的意义。这是因为人类的生活同包围地球的大气层、电离层、地磁场，以及太阳的活动等是息息相关的，大气环流是决定地球各部分气候的重要因素。没有大气层的覆盖，在流星的冲击以及宇宙线的作用下，人类根本不可能在地球表面生存。全球范围内无线电通讯之所以可能，是因为电离层对波长较短的电磁波起了反射作用。因此，研究大气层、电离层、地磁等的结构、成分、变化规律，它们之间的相互影响，太阳活动对它们的影响等，就成为当前科学中具有重大意义的课题。错综复杂的地球物理现象与天文物理之间本来就是密切联系的，但是过去两者之间多少还有点界限，而宇宙飞行的发展使它们从内容到研究方法上联接起来，这是近代科学各部门之间相互渗透的一个具体例子。
在宇宙航行时代以前，人类对于外层空间也进行过探索，但是由于运载仪器的工具，例如气球或飞机最多只能在距地面几十公里的高度飞行，直接探索的范围限制在这个高度以下，因而对于许多现象观测得不多，数据缺乏，结论往往是不全面甚至不正确的。那时候，人们往往认为地球的物理因素起主要作用的范围约为五六百公里——即相当于地球赤道半径的十分之一左右。在这距离以外，太阳及其他行星的作用，就可以等于甚至超过地球的作用。现在看来这个结论未免“保守”了一些。由于外层辐射带的发现，目前大家都公认地球磁场起主要作用的范围应该是五六万公里——相当于地球半径的十倍左右。这是由宇宙航行所引起的人类关于地球外层空间这一概念的重大变化。
在宇宙航行时代以前，除了活动范围小使科学研究受到影响外，还有一个问题与它密切相关，即过去人类还借助电磁波的发射吸收、光谱分析等办法研究地球外面的电离层、宇宙线以及其他星体的运动、组成、活动等。但是覆盖在地球外表的大气对于各种带电的粒子流、各种波长的电磁波（包括可见光以及波长更短的紫外光以及X射线等在内）的散射吸收，使我们无法取得未经扰乱的“原始”的粒子流及光线。为了解决这个问题，人类也采取过一些措施，例如，把研究宇宙线的观测站设立在拔海几千公尺的高山上。显然这并不能根本解决我们所遇到的问题。而人造地球卫星在运行的过程中，纵使它的近地点也在大气层，甚至电离层以上，它们上面承载的仪器的观察就可以基本消除前述的影响。至于天文学中的许多问题，有时也要求直接用仪器到所研究的星体上，或至少是其邻近的空间去进行探测，在过去这更是人类无能为力的。例如，月球外表气体的密度及其成分如何？由于月球外表的空气极度稀薄，最灵敏的光学仪器也无法对上述问题作解答。又如月球外面究竟有无磁场存在的问题，也是光学仪器所无法探测出来的。由于宇宙航行的开始，这些问题有的已基本解决，有的可望在最近期间获得解决。
三年多以来，人类借助宇宙航行在开展空间研究以及其他的科学研究方面，究竟取得了哪些重大的成就？要全面地回答这个问题是很困难的，因为这方面的研究牵连很广，资料太多。去年1月在法国尼斯举行的第一届国际空间科学讨论会上，除苏联、美国以外，其它如澳大利亚、英国、加拿大、日本、法国也宣布了它们用探空火箭得到的一部分结果。现就我们所知道的部分择要介绍如下：
对地球形状的进一步了解
如果没有自转，地球在自己重力的作用下，必呈现理想的圆球形状。由于地球的自转，赤道部分回转半径最大，因而离心作用也大，所以地球并非圆球而是以短轴为回转轴的椭圆回转而成之椭球。其长轴为赤道半径，长度为六千三百七十一公里，短轴即地轴之一半，长度为六千三百五十公里。以前长短轴之差与地球赤道之比人们公认为三百分之一。从人造地球卫星观察的结果，可以推算出地球的重力场，而由后者又可以推出地球的形状。这样，目前我们得到的地球长短轴之差与长轴之比为二百九十八点三分之一。而且地球之南北两半球并非对称的，北极比对称情况下的地极要高出约十四米，南极比对称情况下之地极要低十四米。
对高空大气层的密度进行了探测并发现了它的一些变化规律
在没有人造地球卫星以前，我们对于三百公里以上高空大气层的了解是不多的。而目前可以由观测到的人造地球卫星速度之变化推算它所受到的空气阻力（在这种情况下，由于空气很稀薄，所以不能用普通空气动力学的公式去推算，而必须根据自由分子流动的理论去进行推算），由此可以确定大气层密度随高度而变化的情况。这里要特别指出的是，在高空大气层发生的几种变化，它们分别为：
（1）密度随昼夜不同而发生的变化——当卫星进入由太阳光线造成的地球的影子区域内以后，可以观测到人造地球卫星所受阻力显著减少。反之，当卫星运行于地球及太阳之间时，所受阻力有增大现象。从二十一个人造地球卫星观测结果所取之平均值说明：从距海平面一百八十公里到三百公里这段范围内，大气密度是从每立方厘米一万亿分之七克，减小到百万亿分之三点七克。相应的相对密度的变化是从百万万分之五点七降为千万万分之三。这里没有日间数值（严格来说是正午数值）与夜间数值（午夜数值）之不同。从三百公里以上再行探测就不同了，就相对密度来说，在四百公里、五百公里、六百公里以及七百公里处，午间的空气密度分别为午夜的一点六倍、三倍、六倍及十一倍。
（2）密度随太阳活动而起之变化——1958年至1960年期间，在一百八十公里至二百五十公里范围以内，平均大气密度比过去长年观察到的数值大约降低了20％左右。这个现象被解释为这时正值太阳发生活动加强的开始（其周期为十一年）。正是由于这个缘故，第一个由苏联发射的人造地球卫星的生存时间比预期要长一些。
（3）大气密度周期性的涨落——对许多人造地球卫星，特别是对第二个、第三个苏联人造地球卫星观测的结果，人们还发现大气密度有一个周期为二十七天的涨落。对于这个现象的解释是，大气密度受周期为二十七天的太阳自转的影响。以后还发现这种涨落与地球上接受到由太阳辐射来的波长为二十厘米及十厘米的电磁波之间有密切的关连，更进一步证实了这种推断。
由卫星运行速度变化推算大气层密度的方法，还不能得出十分精确的结果。这是因为人造地球卫星在电离层运行时有一定数量的负电荷附集于它的表面，除了大气阻力以外，它还受到静电力的作用；其次是太阳产生之辐射压力也有一定影响。
高空大气成分的测定
利用人造地球卫星上的质谱仪对高空大气层的成分进行了分析，结果表明：在二百公里以上空气中，氮的离解度在2％以下，而扩散分解约在一百公里以上高度开始形成。高空大气层中最主要的离子是原子及分子态的氧离子以及一氧化氮离子。这方面苏联取得数据较早，以后美国也取得了一些数据，结果大体上吻合。
电离层电子密度的探测
由于太阳辐射线中能量较大的紫外线及X射线部分的作用（这是主要的），同时也由于宇宙线中的高能粒子（它们大部分来自太阳系以外的星体）的作用，形成了覆盖在大气层以外的电离层。它开始于距地面八十公里的高空，一直伸延到五百公里左右的高空。电离层的电子密度在赤道上空夏季当太阳黑子数目最多时有一极大值，约为每立方厘米一百万个电子。由苏联发射的人造地球卫星所发出的电磁波在电离层受到折射，对折射情况的研究表明，在一百二十公里处电子之密度可以高达每立方厘米一百二十万个，即比我们原先知道的最大数值还要大。电离层对近代无线电通讯有密切关系。
地球外围辐射带的发现
人们还发现了地球外部空间两层辐射带的存在。外层辐射带主要是由电子构成，受太阳活动影响甚为显著。外层的中心距赤道约一万六千公里，其厚度随纬度之增加而减小，在地球赤道平面附近最大。内层辐射带的形状及成分是很稳定的，这表现为探测出的数据重复性很好。其厚度亦随纬度之增加而变小。
许多科学家曾就两条辐射带的来源进行过讨论。对内层辐射带比较趋向一致的看法是：由于宇宙射线中高能粒子的轰击，使高空中的气体原子发生核的分裂，分裂产物中的中子产生某种蜕变，中子变为质子及电子。有人按照这种理论进行了电子能谱的计算，结果与实验值还相当符合，特别是在高能部分。但从另外一些观测结果出发，也有人对这种说法提出异议。这一争论还要等待更多的实验数据的出现才能解决。对于外层辐射带的形成目前了解更少。但有一点是许多科学家同意的，就是它有可能是来自太阳喷出的由带电粒子组成的“等离子体”。等离子体内的带电质点受地磁影响产生偏转，形成了外层辐射带。苏联达金诺夫报告地磁变化情况与辐射带变化有着密切的关系。
此外，苏联第二个人造地球卫星还得到了宇宙线中各种粒子分布的比例。
月球方面的一些发现和太阳光谱的进一步研究
苏联射向月球的宇宙火箭的资料表明，月球表面的磁场强度均较一百伽马为小。根据月球没有液态“月芯”的概念，可以认为月球的磁矩还不到地球磁矩的0．25％。
利用第二个月球火箭，苏联成功地拍摄了月球背地球一面的照片。长期以来，人类就想了解的月球背我们一面（其面积约占整个表面的41％）的“地形”的愿望终于达到了。这是人类科学史上一件具有重大意义的事！
太阳活动情况的测度是目前很重要的研究项目。人们用高分辨本领的光栅及电离室等对太阳光谱进行了研究，取得了一定的成果。
除此以外，利用人造地球卫星、宇宙火箭及探空火箭，还进行了许多宇宙生物学、宇宙尘及验证相对论的实验。
从上面的叙述可以看出，三年多的时间内，宇宙航行在发展空间科学方面已经取得许多过去无法取得的成果。今后宇宙航行将如何发展呢？它还能为人类的科学文化、为人类的生活提供甚么成果呢？这都是大家普遍关心的问题。从各方面已有的材料看来，以下几个方面将是注意的重点。
更外层空间的探索
这里所谈到的更外层空间还只是我们通常所谓的行星际空间。以前，人类是依靠望远镜光谱仪获得这一空间范围内有关星体的“信息”的（最近还应该加上射电望远镜等）。在行星际空间范围内还遗留有许多重要的问题等待解决。例如，由于金星外面覆盖一层很厚的二氧化碳的蒸汽，它的表面到底是一片汪洋大海，还是一望无边的沙漠？我们至今还不知道。这里特别要提出两个富于哲学意味的问题，其一是太阳系的形成问题，太阳系中九个行星及其卫星到底是如何形成的？其次是除地球外，其他行星上究竟有无生物？据说最近已有科学家从陨星的精细光谱中发现，陨星的组成中含有构成生物细胞的核酸的组成。这是一件非常值得注意的事。有的科学家认为，如果能想办法把载有灵敏度较高的红外光谱仪的宇宙火箭，送到离我们所了解到的星体甚至几万公里以外，从来自星体的光线的光谱分析中可望解决这个问题。因为构成生命物质的许多有机分子的光谱线都位于红外光区域内，显然这是一个实现起来并不很困难的办法。我们深信随着更外层宇宙火箭的发射，人类一定可以获得许多特别珍贵的科学资料。
对地球外围的空间进行更细致全面的探测
所谓地球周围的空间，一般指的是地球起显著作用的空间，通常大体以地磁场未受外界严重扰动的范围为限。由于地球的物理因素特别错综复杂，已有数据还不足说明全部问题。例如，前面所说的内外层辐射带是如何形成的，目前对于地磁的形成也没有得到最后的完满的解答，宇宙线的研究也还有待进一步的深入。太阳活动对地表的地磁、电离层等起作用，这是大家所公认的，但是有不少问题的过程机制还须要进一步去阐明，人类还没有实地到月球去探测。所有这些问题，都要等待更多的地球外部空间探测去解答。人造地球卫星式的载人的研究站发射成功，将使这方面的研究走上一个崭新的阶段。
用于具体实用目的的宇宙航行的发展
这方面有许多科学家已进行过讨论，提出了看来还是比较现实的一些方案。例如，利用三个人造地球卫星形成全球范围的电视转播，用视野比较大的照相机在离地几百里的高空拍照，可望得到大范围内有关大气环流情况的照片，为天气预报提供新的材料。此外，尚有拟议中的把金属粉末撒布在高空形成一条反射带，从而增加地球表面日照度的方案。
所有上述工作都会对喷气技术，自动控制，无线电通讯等带来一系列的新问题。载人宇宙飞船的胜利航行，不仅说明苏联科学技术的高速发展，同时也为前面提到的宇宙飞行向更外层空间的发展，各种具有具体的实际目的的宇宙飞行的实现，开辟了更加现实可行的道路。让我们在欢呼加加林少校作为第一个宇宙飞行员凯旋归来的同时，准备迎接宇宙飞行事业更伟大的新成就的到来吧！
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专栏：学术动态
农业科学院陕西分院
探讨小麦不抽穗问题
中国农业科学院陕西分院，最近就关中地区有些小麦不抽穗或抽穗无实的问题举行专题讨论会。在讨论中有人认为，晚霜冻害是引起这种病害的主要原因。根据试验记载资料，小麦在冬季抗寒力强，在摄氏零度到一度可以缓慢生长，到了春季，气温升高到摄氏二度到四度就可以生长，但抗寒力相对减弱。因为气温逐渐升高，使小麦生长发育快，体内组织含水量多，枝叶嫩绿；特别在幼穗形成阶段，一遇晚霜，使幼穗或其他幼嫩部分破坏，因而引起植株死亡或抽穗不良。据调查一般在晚霜冻害出现的年份，低洼地小麦发生以上病害的现象就多。
另一种意见认为，主要原因是早春灌水的影响，他们不主张冬灌之后接着再春灌，因为这时候土壤疏松，还保持一定的水分，如果再进行春灌就会造成“浇墒”，使地温下降，养料流失，并容易造成土壤严重的板结龟裂，造成断根和露根现象。
第三种意见认为，小麦所以发生这种病害，主要原因是养分不足。在春季小麦返青之后，小麦的营养和繁殖器官全面进入发育阶段，生长速度快，对养分要求也特别迫切，这时候地温还不十分高，土壤中的微生物活动弱，养料物质转化分解的慢，土壤中有效养分缺乏，特别是氮肥缺少，如果春季不及时追肥或底肥不足，养分供应就不能满足它生长的需要。其次是耕作技术措施不当，土壤团粒结构不好，土壤中水分与空气的存在失去一定的比例，妨碍了微生物的活动，造成土壤营养物质缺乏，尤其是通气条件不好，使嫌气菌活动增强，产生有毒的物质，影响根系不能正常发育，植株的地上部分与地下部分生长不相适应，使生长与发育不够协调，生长细弱，抽穗与结实受到了影响。会上也有人认为，小麦不抽穗是由于耕作、灌水、气候、养分等不同因素综合影响的结果，使小麦生长势衰弱，对病虫等自然灾害抗逆力减弱，因而遭受秆黑粉病和麦秆蝇的危害，使小麦不能抽穗或穗而不实。
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专栏：学术动态
糖类与植物抗寒性的关系
糖类与植物抗寒性究竟有什么因果关系，一直是科学界争论的一个问题。一些人认为，由于糖量的增加，植物抗寒性才会增强。另一些人认为，由于抗寒性的增强，植物糖量才会增加。最近，日本北海道大学低温科学研究所的酒井昭，对这个问题进行了新的实验。
为了了解糖与抗寒性的关系，有必要首先了解低温所起的作用。因此，酒井作了下列实验：（一）把小枝条放在摄氏15—20度，徐干二、三天，使细胞浓度增高55％—60％（水和淀粉减少，糖增加）。再把它在摄氏零下10度放置二十四小时，就会看到这种糖浓度高的细胞全部生活，对照细胞只生活25％；在摄氏零下20度放置二十四小时，就会看到前者生活70％，后者全部死亡。这说明，细胞内糖浓度越高，抗寒性就越强。（二）在不会使小枝条干燥的条件下，把小枝条放在摄氏15—20度，经过二十天，俟细胞内淀粉耗尽后（为了防止淀粉转化为糖），放在摄氏0度时，十天后，糖量和抗寒性并没发生变化。这说明，抗寒性的增强并非一定需要低温，低温只起着一种间接作用，即使淀粉转化为糖。
酒井还用梔子叶片作了实验。在9、10月间，取附有二、三个叶片的小枝条，放入0．7克分子葡萄糖溶液（溶温摄氏25度）中，浸泡二十四小时，就能使叶细胞中的糖量比对照叶细胞中的糖量高二、三倍。把经过糖处理的枝条和对照枝条在摄氏零下10度放置二十四小时，就可以看到浓度高的细胞全部生活，对照的细胞全部死亡。
根据这些实验事实，酒井认为糖与抗寒性有直接关系，即由于糖量的增加，抗寒性才会增强。他还指出，在植物体内，对冻害起保护作用的化学物质，除葡萄糖以外，还有木糖、蔗糖、麦芽糖、棉子糖、乙二醇、甘油、甘露醇和乙酰胺等。
（金连缘）