珊瑚礁生态系

珊瑚礁是由分泌碳酸盐的生物建造的抗浪的、有框架支撑的碳酸盐或有机土丘，在某些用法中，这个术语可以用来指任何靠近水面的浅层岩石脊。珊瑚礁包含了大量的生物，它们共同构建了一个抗波结构，刚好低于海水的低潮水位，并为鱼类和其他生物提供庇护。框架之间的空间通常由骨骼碎片填充，它们与框架一起粘合在一起，形成抗波特征，保护架子免受高能波的影响。礁生物(目前主要由虫黄藻组成)只能在光带因此，珊瑚礁生长限制在海水上方328英尺(100米)处。

珊瑚礁是由各种各样的生物组成的，今天包括红藻、软体动物、海绵和刺胞动物(包括珊瑚)。目前主要的是殖民地的硬石珊瑚礁建造者，产生一个钙质的外部骨架，其特征是被称为间隔的径向分区。在骨架内部是被称为珊瑚虫的软体动物，其中含有共生藻类，对珊瑚的生命周期和珊瑚礁结构的构建至关重要。珊瑚虫含有碳酸氢钙，可分解为碳酸钙、二氧化碳和水。碳酸钙被分泌到礁石建筑它的结构，而藻类光合作用二氧化碳，为珊瑚虫生产食物。

有几种不同类型的珊瑚礁，根据它们的形态和与附近陆地的关系进行分类。边缘礁沿着陆地的海岸生长，通常是不连续的。它们通常有一个陡峭的外坡，一个藻类山脊，在珊瑚礁和主海岸线之间有一个平坦的、充满沙子的通道。堡礁形成于离海岸更远的地方，通常比边缘礁更宽、更连续。它们是地球上最大的生物结构之一——例如，澳大利亚的大堡礁长1430英里(2300公里)。一个深而宽的泻湖将堡礁与大陆分开。所有这些珊瑚礁都表现出从珊瑚礁外侧或迎风侧高能量侧的分区，生长迅速，具有光滑的外部边界。相比之下，礁的另一侧接收到的波浪能量很少，可能是不规则的和不发达的，或等级一个湖．许多珊瑚礁也显示垂直分带从深海到靠近海面的浅层，都有不同种类的生物。

环礁或环礁形成圆形、椭圆形或半圆形的岛屿，由珊瑚从深水中升起;环礁围绕着中心泻湖，通常内部没有陆地。一些环礁确实有小的中心岛屿，这些岛屿，以及部分外环礁，在某些情况下被森林覆盖。大多数环礁的直径从半英里到80英里(1-130公里)不等，在太平洋盆地西部和中部以及印度洋最常见。环礁上半圆礁的外边缘是珊瑚生长最活跃的地方，因为它从环礁边缘上涌的海水中吸收了最多的营养。在许多环礁上，外部边缘的珊瑚生长非常强烈，以至于珊瑚形成了一个悬垂的礁石，在风暴中，许多珊瑚块从礁石上脱落，在环礁底部形成了一个巨大的破碎的珊瑚礁碎片堆，称为距石坡。火山岩，其中一些位于半英里(1公里)以下当前海平面，环礁下。由于珊瑚只能在小于65英尺(20米)深的浅水中生长，火山岛一定是在海平面附近形成的，生长出珊瑚，并随着时间的推移而下沉，珊瑚的生长速度与火山岛下沉的速度一致。

1842年，查尔斯·达尔文根据他在南极的探险，提出了环礁的起源HMS小猎犬从1831年到1836年。他认为火山岛最初形成时，其山峰暴露在海平面以上。在这个阶段，珊瑚礁形成了围绕火山岛的边缘礁群。他认为，随着时间的推移，火山岛下沉并被侵蚀，但珊瑚礁的生长能够跟上下沉的速度。就这样，随着火山岛下沉到海平面以下，珊瑚礁继续生长，最终形成了一个环，围绕着前火山岛的位置。当达尔文在1842年提出这一理论时，他还不知道这一古老的理论受到了侵蚀火山山脉在他研究的环礁下面。100多年后，钻探证实了他的预言，在几个环礁的珊瑚岩下面会发现火山岩。

随着20世纪70年代板块构造学说的出现，火山下沉的原因变得显而易见。当海洋地壳在创建洋中脊在美国，它通常低于海平面1.7英里(2.7公里)。随着时间的推移，随着海洋地壳远离大洋中脊，它冷却并收缩，下沉到海平面以下约2.5英里(4公里)。在海底的许多地方，地壳的主要部分在洋中脊形成后不久，小火山就在海洋地壳上形成了。这些火山可能高出海平面几百米。当海洋地壳远离大洋中脊时，这些火山就沉降到海平面以下。如果火山恰好在珊瑚可以生长的热带地区，如果下沉的速度足够慢，让珊瑚的生长跟上下沉的速度，那么在火山岛原来的地方就可能形成环礁。如果珊瑚不能生长或无法跟上下沉的速度，那么岛屿就会下沉到海平面以下，岛屿的顶部会被海浪侵蚀，形成一个平顶山，继续下沉到海平面以下。这些平顶的山被称为guyots，其中许多都是在第二次世界大战的军事行动相关的海底勘探中绘制的。

珊瑚礁是极其敏感和多样化的环境，不能容忍温度、污染、浑浊度或水深的巨大变化。珊瑚礁也成为采矿、航行破坏的对象，甚至在太平洋上成为核弹试验地点。因此，人为和自然对海岸线环境的改变对珊瑚礁环境构成了重大威胁。

还有珊瑚;增量;河口;飓风;海洋盆地;海平面上升的影响。

进一步的阅读

Beatley, Timothy, David J. Brower和Anna K. A. Schwab。海岸管理概论“，”华盛顿:岛屿出版社，1994年。戴维斯，R.和D.菲茨杰拉德。海滩和海岸。马登,

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多兰，罗伯特，保罗·j·戈弗雷和威廉·e·欧达姆。《人类对地球的影响》障壁岛北卡罗莱纳。”美国科学家61(1973):152-162。考夫曼，W.和小奥林·h·皮尔基，《海滩在移动》。北卡罗来纳州达勒姆:杜克大学出版社，1983年。金，c.a.m海滩与海岸。伦敦:爱德华·阿诺德，1961年。

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底栖生物，底栖生物底栖环境包括海底，底栖生物是指生活在海底或海底附近的生物。底栖生物包括生长在浅水中的大型植物，以及生活在海底各个深度的动物。

海底深处的许多沉积物来自大陆的侵蚀，并被浊流、风(如火山灰)或浮冰带进深海。

其他被称为深海软泥的沉积物包括来自海洋有机活动的远洋沉积物。当像硅藻这样的小生物在海洋中死亡时，它们的壳会沉到海底，随着时间的推移，它们会大量堆积。钙质软泥出现在低纬度和中纬度地区，那里温暖的海水有利于分泌碳酸盐的生物的生长。在水深超过2.5-3英里(4-5公里)的水中是找不到钙质软泥的，因为这些水处于高压之下，含有大量溶解的二氧化碳，可以溶解碳酸盐壳。所有含钙壳层和试样溶解的深度称为碳酸钙补偿深度。硅质软泥是由生物利用硅来制造它们的壳结构产生的。

底栖生物世界的多样性令人惊叹，但深海海底的某些部分却比月球表面更少被探索。生活在底栖生物群落的生物通常使用三种主要生存策略中的一种或多种。有些附着在固定的表面上，通过从海水中过滤食物来获取食物。其他生物在海洋上自由活动

通过捕食来获取食物。还有一些在海底沉积物中挖洞或埋藏自己，通过消化和提取底栖沉积物中的营养物质来获得营养。所有的底栖生物必须竞争生存空间和食物，其他因素包括光照水平、温度、盐度和海底的性质控制着一些生物的分布和多样性。物种多样性与底栖环境的稳定性有关。在温度，盐度和水搅拌往往具有较低的物种多样性，但可能有大量的几种不同类型的生物。相比之下，稳定的环境往往表现出更大的多样性，存在更多的物种。

有大量不同的底栖环境。潮间带岩岸环境条件多样，从干湿交替到始终淹没，波浪搅动和掠食是重要因素。这些岩石海岸环境往往在底栖生物中显示出明显的分区，一些生物栖息在一个狭窄的生态位，而其他生物栖息在另一个狭窄的生态位。藤壶和其他可以牢牢附着在海底的生物在海浪搅动的环境中表现良好，而某些类型的藻类更喜欢低潮线稍高到大约33英尺(10米)深的区域。低潮标志周围的区域往往居住着大量的生物，包括蜗牛、海星、螃蟹、贻贝、海葵、海胆和水螅。潮池是高度变化的环境，栖息着特殊的植物和动物，包括甲壳类动物、蠕虫、海星、蜗牛和海藻。潮下环境可能是龙虾、蠕虫、软体动物甚至章鱼的栖息地。海带、棕色底栖藻类它们栖息在亚热带到亚极地水域的潮下带，可以生长到约130英尺(40米)深，经常形成浓密的水下森林，可能沿着海岸延伸数公里。

沙质和泥底底栖环境通常形成于三角洲、沙滩、沼泽和河口的边缘。世界上许多温带到热带海岸线的潮间带都有盐沼，低潮线以下生长着海草床。在这些环境中生活在地表的生物被称为表层动物，而把自己埋在底部的沙子和泥浆中的生物被称为内动物。许多这些生物要么通过过滤消化系统排出的海水，要么从海底选择可食用的颗粒来获取营养。以沉积物为食的双壳类动物，如蛤蜊，栖息在低潮标志以下的区域，而其他沉积物为食的双壳类动物则栖息在潮间带。生活在这些环境中的其他生物包括虾、蜗牛、牡蛎、造管甲壳类动物和水螅。

珊瑚礁是特殊的底栖环境，需要高于64.4°F(18°C)的温水才能生存。群居动物分泌钙质骨骼，在死亡生物的骨骼上放置新的活动层，从而建立了珊瑚礁结构。红藻，以及绿藻和红藻的外壳，产生了珊瑚礁的钙质水泥。珊瑚礁上生活着种类繁多、数量众多的其他生物，有些与建造珊瑚礁的生物共生，有些则在复杂的珊瑚礁中寻找庇护或食物。上涌的海水和洋流给珊瑚礁带来了营养物质。洋流释放出更多由珊瑚礁生物产生的营养物质。世界上最壮观的珊瑚礁包括澳大利亚东北海岸的大堡礁，红海和印度尼西亚沿岸的珊瑚礁，以及加勒比海和佛罗里达南部的珊瑚礁。

最近，在海洋中部的热喷口附近的深海中发现了独特的生命形式脊系统．生活在这些底栖环境中的生物是不寻常的，因为它们从热呼出的硫化物的化学合成中获得能量热液喷口而不是通过光合作用和阳光。生活在这些喷口周围的生物包括管虫、硫酸盐还原化学合成细菌、螃蟹、巨型蛤蜊、贻贝和鱼类。管虫长得非常大，有些长10英尺(3米)，0.8-1.2英寸(2-3厘米)宽。生活在这些喷口附近的一些细菌包括地球上已知的最耐热(热敏)生物，生活在高达235°F(113°C)的温度下。它们被认为是已知的最原始的生物，具有化学合成和嗜热性，可能与地球上一些最古老的生命形式有关。

远离大洋中脊和热喷口的深海海底也居住着许多栖息在浅层大陆架的主要动物群。然而，深海海底的生物数量很少，而且这些动物往往比浅层的动物小得多。一些类似于热喷口群落的深水底栖生物最近被发现生活在上面的冷喷口附近增生棱镜在俯冲带在大陆架的碳氢化合物喷口附近，以及腐烂的鲸鱼尸体周围。

还有海滩和海岸线;黑色烟囱;大陆边缘。

大多数恒星是包含两颗或更多恒星的系统的一部分

钱德拉x射线天文台拍摄的J0806双星系统中两颗白矮星的NASA图像(UPI Photo/NASA/Landov)

相互环绕。当系统由两颗恒星组成时，它被称为双星系统。更大的恒星群被称为多恒星系统，或星团。光学双星是指看起来是双星，但实际上并不相关的恒星，只是在它们的可见配置上看起来很接近。在双星系统中，两颗恒星围绕它们的共同质心(两颗恒星合起来的质心)旋转，并被它们之间的相互引力吸引而固定在原地。

双星系统是根据它们在地球上呈现给天文学家的样子来分类的。简单视觉双星是这样的系统:两颗恒星之间的距离足够远，在地球上用望远镜观察时可以明显地区分开来，而且每一颗恒星都足够亮，可以单独监测。在其他情况下,双星系统可能太远,或者恒星太近或小,明显不同于地球上,但是彼此周围的恒星的旋转能被探测到的光谱方法通过观察变化的频率和波长的波一个观察者相对运动波的来源,称为多普勒频移,因为每个明星交替走向,远离地球上的观察者的恒星旋转。当恒星向观测者移动时，多普勒频移被记录为向光谱蓝端移动，当恒星远离观测者时，多普勒频移被记录为红移。只能通过这些光谱多普勒频移探测到的双星系统被称为光谱双星，它们主要有两种类型。双线光谱双星包含两组不同的光谱线，每一颗恒星各有一组，当恒星交替地向观察者移动或远离观察者时，这些光谱线从蓝移到红移来回移动。在这些星系中，两颗恒星都足够大，足够亮，可以用光谱学来区分。在其他系统中，一颗恒星可能太小或太暗，无法与另一颗区分开来，结果是单线系统，其中一组光谱线被观察到来回移动，这是由于恒星相互旋转造成的，尽管它们太近了，无法单独分辨。

一种罕见的双星系统被称为食双星。在这些系统中，双星系统的轨道平面几乎与地球的视线正对，所以当每颗恒星从另一颗恒星的前方经过时，它会阻挡来自被阻挡恒星的光，而从地球观测到的光量随着每颗恒星周期性地从另一颗恒星的前方经过而交替变化。对食双星的观测可以得到关于每颗恒星的质量、轨道、轨道周期、半径和光度或亮度的信息。

双星系统的轨道周期范围非常大，从几个小时到几个世纪不等。轨道周期的知识，加上到双星系统的距离，可以用来确定双星系统的其他物理性质，如恒星的总质量。如果每颗恒星到系统质心的距离都可以测量，那么每颗恒星的质量也可以确定。基于观测到的双星系统的计算已经形成了太阳系中大部分已知恒星质量的基础。

参见天文学;天体物理学;阿尔伯特爱因斯坦,;电磁波谱；宇宙。

进一步的阅读

Chaisson, Eric和Steve McMillan。《今日天文学》第六版。上马鞍河，新泽西州:Addison-Wesley, 2007。

尼尔·科明斯，《发现宇宙》，第八版，新

约克:W. H.弗里曼，2008年。《动态宇宙的基本原理:天文学导论》第四版，明尼苏达州圣保罗。:韦斯特，1991年。

生物圈包括地球上有生命居住的部分，包括岩石圈的部分，水圈和大气．生命进化不止于38亿年它在确定地球气候和确保地球不会冒险跳出允许生命继续存在的狭窄参数窗口方面发挥了重要作用。raybet雷竞技最新这样，生物圈就像一个自我调节的系统，与地球上的化学、侵蚀、沉积、构造、大气和海洋过程相互作用。

地球生物圈的大部分依赖光合作用作为其主要的能量来源，最终由来自太阳的能量驱动。植物和许多细菌使用光合作用作为它们的主要代谢策略，而其他微生物和动物依赖光合生物作为食物来获取能量，从而利用光合作用太阳能间接。大多数依赖太阳能的生物都生活在海洋(水圈)、岩石圈和低层大气的上层。细菌是地球上最主要的生命形式(由大约5 x 1030个细胞组成)，也生活在最大范围的环境条件下。对细菌来说，一些重要的环境参数包括温度，介于-41到235°F(-5到235°F)之间

113°C)， pH值从0到11，压力在接近真空和1000倍大气压之间，过饱和盐溶液蒸馏水．

细菌和其他生命形式存在于地球表面以下几英里(公里)或更多的地方，在海洋深处，一些细菌细胞和真菌孢子在上层大气中被发现。营养物质的缺乏和超过大气臭氧屏蔽作用的太阳辐射的致命水平限制了高层大气中的生命。

岩石圈的土壤和沉积物在浅层含有丰富的微生物和无脊椎动物。细菌存在于更深的层次，随着探索的继续，细菌在越来越深的环境中被发现。已知细菌存在于岩石的孔隙空间和裂缝中约2英里(3.5公里)处，更深的含水层、油藏、盐矿中。深层微生物不依赖光合作用，而是利用其他地球化学或地热能来驱动它们的代谢活动。

的水圈特别是海洋中充满了生命，特别是在阳光穿透的近地表光带环境中。在光带之下的更深处，大多数生命仍然由来自太阳的能量驱动，因为生物主要依赖从上面过滤下来的死亡生物提供的食物。在海底的底栖环境中，每毫升沉积物中可能有多达100亿(1010)个细菌。细菌也存在于氧气可以穿透的水平以下，但在这些深度的细菌是厌氧的，主要是硫酸盐还原品种。已知细菌存在于海底2789英尺(850米)以下。

1977年，在东太平洋隆起上发现了一种适合一群不同寻常生物生存的新环境，1979年，马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的地质学家彼得·朗斯代尔和他的团队使用深海潜艇阿尔文号(ALVIN)对其进行了直接观察。这些生物在海底沿洋中脊系统生存，在那里热的热液喷口将富含营养的热水喷射到底栖动物领域。在这些环境中，海水循环进入海洋地壳它在海洋岩浆库附近被加热。海水与地壳反应，从岩石圈中过滤出化学成分，然后沿着裂缝或管道上升，形成黑色和白色的热烟囱，在高达662华氏度(350摄氏度)的温度下喷出富含营养的水。在这些温度高达235°F(113°C)的通风口中发现了生命。这些喷口富含甲烷、硫化氢和溶解的还原金属，如铁，它们为原始细菌提供了化学能量来源。这些喷口周围的一些细菌是硫酸盐还原菌

单合成的热敏生物，仅利用化学能在高温下生存，因此独立于光合作用而存在。这些细菌和其他细菌在当地非常丰富，它们为其他生物提供了基本的食物来源，包括壮观的蠕虫群落、螃蟹、巨型蛤，甚至鱼类。

也看大气;底栖生物、海底;黑色烟囱;超大陆周期。

进一步的阅读

雷文，彼得和琳达·伯格。环境。纽约:John Wiley & Sons出版社，2008年。

大质量恒星演化的最后阶段可能是黑洞，黑洞是由一颗或多颗巨恒星坍缩而成的超高密度物质集合，它具有强大的重力场，任何东西都无法逃脱，甚至连光也不能逃脱。黑洞被物理学家称为奇点，一个半径为零、密度无穷大的点。当一颗恒星完成核燃料燃烧后，其核心中至少有三个太阳质量，就会形成这些致密但看不见的天体。恒星演化的这一阶段通常以恒星经历超新星爆炸为标志，在这之后，如果剩下足够的质量，恒星的核心就会坍缩成一个小点，扭曲时空，形成黑洞。黑洞有很强的引力场，很明显，它们会把物质吸进去，这些物质再也看不见了。

黑洞是古老恒星的一种可能的终结状态。总质量较低的恒星(小于1.4个太阳质量)以白矮星的形式结束它们的演化，而质量在1.4到3个太阳质量之间的恒星可能以小密度质量的中子星形式结束它们的生命周期。当垂死恒星的质量大于3个太阳质量时，恒星就会随着核燃料的耗尽而坍缩。质量的引力是如此之大，以至于电子甚至中子都无法支撑核心对抗自身的引力，所以它继续坍缩成所谓的奇点。自然界中没有一种力量强大到足以抵抗坍缩恒星的引力，一旦压力大到中子退化和坍缩。这种力是如此强大，以至于连光都无法从黑洞中逃脱，因此得名。

黑洞是一个无限小、质量无限小的奇点，这一概念很难理解，部分原因是经典的牛顿物理定律或引力理论无法充分解释它。为了充分理解黑洞的工作原理，有必要进入量子力学和爱因斯坦的相对论的领域。对相对论的定量处理超出了本书的范围，但爱因斯坦理论的许多方面可以定性地理解。要了解黑洞是如何工作的，有必要知道没有任何东西的速度可以超过光速，引力作用于所有物体，包括电磁辐射，或轻。

要了解黑洞，就必须了解逃逸速度的概念。地球上的物体必须每秒移动6.8英里(11公里)才能摆脱地球的引力，进入开放空间。任何行星或恒星物体的逃逸速度ve都正比于被逃逸物体质量的平方根除以半径r的平方根，半径r是被逃逸物体到物体中心的距离和运动物体逃逸的位置。可以写成

其中G为引力常数，6.67428 x 10-11m3kgs-1。这种关系意味着，对于密度比地球大、体积比地球小但质量相同的物体，任何物体要想逃离引力场，逃逸速度都需要更快。因此，当一个大质量物体，如一颗巨大的恒星开始坍缩时，任何物体离开其引力场所需的逃逸速度都会迅速上升，因为恒星从一个大半径缩小到一个原来大小的一小部分的小物体。如果恒星缩小到原来大小的四分之一，逃逸速度就会翻倍——当一颗恒星在超新星爆炸后经历快速坍缩时，逃逸速度会上升到极高的值，以至于任何物体都不可能逃脱恒星的引力。如果一个地球大小的物体坍缩到1/3英寸(1厘米)，逃逸速度将是每秒18.6万英里(30万公里/秒)，即光速。根据爱因斯坦的相对论，即使是光也会被引力吸引，很明显，在大质量恒星坍塌的某个时刻，即使是光也将不再能够逃脱物体的引力，坍塌的恒星将永远黑暗。由于一些大恒星坍缩到比基本粒子还小的尺寸，逃逸速度变得无限大，引力变得越来越强。此时，黑洞可以将物体吸进去，但没有任何物体能逃脱。这就是黑洞这个词的含义。探测黑洞的唯一方法是利用其巨大的引力场，当光线向巨大的引力弯曲时，引力场会使光线偏转。 Astronomers use sophisticated measurements to v e r tell when a star moves optically behind a black hole, and they can measure the deflection of the light. This allows for the determination of some of the physical properties (like mass, charge, and angular momentum) of the black hole.

每个具有特定质量的物体都有一个逃逸速度等于光速的临界半径。当物体被压缩到这个半径时，任何东西都无法逃脱它的引力——甚至连光也不能——物体就变得看不见了。这个临界半径被称为史瓦西半径，以德国物理学家卡尔·史瓦西的名字命名，他首先描述了这一现象。太阳的史瓦西半径约为9.8英尺(3米)，但具有太阳质量的恒星通常不会坍缩成为黑洞，因为它们太小了。形成黑洞的最小恒星物体的质量约为3个太阳质量，这些恒星的史瓦西半径约为5.6英里(9公里)。

另一个有助于理解黑洞的概念是视界，视界是一个以坍缩恒星为中心，半径等于史瓦西半径的假想球体的表面。视界是一个虚构的表面，但可以被认为是黑洞的表面，因为在视界之外，任何发生的事件都不能被听到、看到或通过任何已知的方法探测到。视界并不代表坍缩形成黑洞的物质的大小。由于这种物质理论上应该坍缩成一个微小的奇点，它只是代表了球体中心的致密黑洞的引力如此强大的半径，以至于一旦进入这个半径，任何物质都无法逃脱。

我们从经典牛顿力学的角度来理解黑洞会扭曲时空连续体。根据爱因斯坦的相对论，所有物质都倾向于在其附近扭曲空间，当物体接近其他物体时，它们会通过改变运动方向来回应这种扭曲。牛顿物理学将其描述为引力，而相对论则认为这些物体只是沿着被附近大质量物体扭曲的弯曲空间运动。物体质量越大，空间弯曲程度就越大。在黑洞的情况下，空间的扭曲是极端的，因为黑洞中有巨大的质量，在事件视界，空间实际上是折叠在自己身上的，这样穿过事件视界的物体就永远从空间中消失了。

当物质落入黑洞时，引力应力是如此之大，以至于当它们冲向视界时，它们会扭曲和撕裂物体。这些物体被加热并发出辐射，所以黑洞周围的区域有时会发出强烈的辐射。然而，一旦物质穿过视界，任何东西都逃不掉，光、辐射都逃不掉，这个质量就再也看不见、听不见了。

黑洞的重力场非常强，几乎不可能在不被强大的重力以及任何接近的物体(或人)的一端和另一端的重力强度的差异所撕裂的情况下接近黑洞。尽管如此，讨论接近甚至进入黑洞会是什么样子是很有趣的，也很有见地。当一个物体接近黑洞时，外部观察者首先注意到的是，来自该物体的光和其他电磁辐射显示出红移(向波长更长的方向)，随着物体靠近视界，红移会增加。这不是由物体的运动引起的多普勒频移，因为黑洞附近的物体即使相对于观测者不动也会表现出红移。这种红移是一种量子力学效应，被称为引力红移。爱因斯坦的广义相对论表明，当光子(光)试图逃离强引力场时，它们必须消耗一些能量。光子是光，它们总是以光速运动，所以这种能量的损失等同于频率的降低，或者来自接近黑洞的物体的光(或其他电磁辐射)波长的延长。远处的观测者将其测量为红移。有趣的是，在发射辐射的物体上的观察者不会看到红移，并且辐射(光)将具有与发射时相同的能量和波长。这些引力红移已经通过宇宙中许多密度大的物体发出的光进行了测量，即使是地球和太阳大小的物体也有可探测到的引力红移。 The largest, by far, are from black holes.

黑洞扭曲了时空连续体。爱因斯坦广义相对论中解释的另一个奇怪的量子力学效应是黑洞等大质量物体附近的时间膨胀。远处的观测者在观察接近黑洞的物体上的时钟时，会注意到时钟(以及时间本身)随着物体接近黑洞的视界而逐渐变慢。当物体在事件视界时，时钟(和时间)似乎静止不动，从外部观察者的角度来看，物体将永远冻结在事件视界上，永远不会越过它。然而，从任何人对接近视界的物体的角度来看，时间流逝的方式并没有什么不同;每一秒都像是一秒。物体和观察者只是简单地穿过视界，并没有发现什么不同(假设他们能够承受强大的引力)。时间膨胀很难理解，但可以用与电磁辐射红移发生相同的方式来理解。例如，如果把时间看作是一种波长的光的通过，每一秒钟对应于一个波峰的通过，那么随着波长因引力红移而增加，时间也逐渐扩大，直到它在外部观察者看来停止。

没有人真正知道黑洞视界内发生了什么。物理定律并不能充分解释像奇点这样密度小的物体，物理学家正在研究一些新概念，比如量子力学定律和广义相对论定律在量子引力领域的融合——但这些研究还不完整。关于黑洞视界中心的奇点附近可能会发生什么，人们提出了许多想法，有些接近科幻小说。一些模型表明，物质的新状态被创造出来;还有人认为，黑洞可能是物质和能量进入其他宇宙或在时间中旅行的门户。

黑洞很难被探测到，因为它们是看不见的。然而，它们巨大的引力场和事件视界外物质落入黑洞时释放的能量可能是可以探测到的。在银河系中有几个很好的黑洞候选者。最好的可能是一个被称为天鹅座X-1的双星系统中一个巨大但看不见的天体。这个可能的黑洞围绕着一颗超巨星伴星运行，被称为强大的x射线源(可能来自接近视界的物质)。这个双星系统的轨道直径为1240万英里(2000万公里)，轨道周期为5.6天，系统质量是太阳的30倍。计算表明，这个双星系统中不可见的部分的质量是太阳的5-10倍，足以形成一个黑洞。在这个系统中，高温气体从超巨星流入黑洞伴星，这就是x射线辐射的来源。其他计算表明，这颗双星的不可见部分很小，直径小于18.6万英里(30万公里)，其他计算表明，它可能小于186英里(300公里)。因此天鹅座X-1是银河系中最有可能成为黑洞的候选者之一。 There are nearly a dozen other black hole candidates in the Milky Way Galaxy, and as the observational powers of physicists increase with new space-borne telescopes, more and more are being discovered. What is needed is a breakthrough in the field of quantum gravity to understand what may really happen underneath the event horizon.

参见天文学;天体物理学;双星系统;小矮人(恒星);阿尔伯特爱因斯坦,;恒星演化。

进一步的阅读

《黑洞，地心引力的无情牵引》由美国国家航空航天局．网上。URL: http://hubble-site.org/explore_astronomy/black_holes/home.html。2008年10月9日访问。Chaisson, Eric和Steve McMillan。《今日天文学》第六版。上马鞍河，新泽西州:Addison-Wesley, 2007。

尼尔·科明斯，《发现宇宙》，第八版，新

约克:W. H.弗里曼，2008年。《动态宇宙的基本原理:天文学导论》第四版，明尼苏达州圣保罗。:韦斯特，1991年。

黑烟烟囱是热液喷口系统，通常在活跃的岩浆系统附近形成大洋中脊系统，大约低于海平面2英里(3公里)。它们最初是在深海潜水器探索太平洋时被发现的海洋山脊1979年，在Galápagos群岛附近发现了这种现象，从那以后，还有许多其他的例子被记录下来，包括大西洋中部山脊附近的一些例子。

黑烟道是热液喷口系统，由海水渗透到活动区域附近海底岩石的裂缝中形成扩张脊在那里，水被加热到几百摄氏度。这种热压水从海洋地壳中浸出矿物质，并从附近的岩浆中提取其他元素。然后，过热的水和盐水在热液循环系统中上升到岩浆库上方，从海底的喷口逸出，形成黑烟热液喷口。喷口流体通常富含硫化氢(H2S)、甲烷和溶解的还原金属，如铁。这些卤水在温度超过680°F(360°C)时可能逸出，当这些热的卤水与冷的海水接触时，许多金属和矿物质在溶液中呈柱状上升，因为热的流体比冷的海水更有浮力。这些羽状物通常高约0.6英里(1公里)，宽约25英里(40公里)，可以通过温度和化学异常检测到，包括来自地幔的原始氦3同位素的存在。这些羽状物可能富含溶解的铁、锰、铜、铅、锌、钴和镉

来自东太平洋隆起的黑色烟囱，显示了在烟囱底部进食的管状蠕虫(科学来源/图片研究人员公司)

雨水从羽状物中流出，将这些元素集中在海底。锰在烟柱中悬浮数周，而大多数其他金属以硫化物的形式析出(例如，黄铁矿、FeS2;黄铜矿,CuFeS2;闪锌矿，ZnS)，氧化物(如赤铁矿，Fe2O3)，正氢氧化物(如针铁矿，FeOOH)，或氢氧化物(如褐铁矿，Fe(OH)3)。一组相关的热液喷口形成的距离中央黑烟喷口稍远，被称为白烟喷口，通常喷口温度在500至572°F(260-300°C)之间。

在海底沿着活跃的扩张脊，热液喷口系统形成了典型的直径为164-656英尺(50-200米)的土丘，有些超过66英尺(20米)高。数米高的黑色烟囱可能占据土丘的中心区域，并沉积铁铜硫化物。白色的烟状烟囱通常在中心丘周围形成，沉积铁锌硫化物和铁氧化物。海底的一些土丘已经被钻探以确定其内部结构。大西洋中部山脊上的跨大西洋大地穿越(TAG)热液丘被由黄铁矿、黄铜矿和硬石膏组成的中央烟囱所覆盖，上面覆盖着大量的黄铁矿角砾岩，在地表以下几到几十米的地方发现了富含硬石膏-黄铁矿和硅-黄铁矿的区域。在此之下，主玄武岩高度硅化，然后在更深处形成氯质化角砾岩网络。由黄铁矿(FeS2)和闪锌矿(ZnS)组成的白色烟囱环绕着中央土丘。除了硫化物、氧化物、氢氧化物和正氢氧化物，包括百分之几的铜和锌，TAG丘还含有少量的金。

海底热液丘，特别是黑烟烟囱，拥有独特的生命形式的壮观社区，只有在这些环境中才能找到。生命形式包括原始的硫酸盐还原嗜热细菌、巨型蠕虫、巨型蛤蜊、螃蟹和鱼类，它们都靠热液喷口系统产生的化学合成代谢为生。黑烟囱上的生命通过还原环境中的氧化作用，从地球(不是太阳)的内能中汲取能量。生活在这些喷口的一些细菌是地球上已知的最原始的生物，这表明早期的生命可能类似于这些化学合成的嗜热生物。

黑色烟囱和整个热液丘与在古生代和更古老的蛇绿岩和弧复合体中发现的火山成因块状硫化物(VMS)矿床有着惊人的相似之处，包括纽芬兰的群岛湾蛇绿岩、塞浦路斯的Troo-dos蛇绿岩和阿曼的Semail蛇绿岩。更古老的VMS矿床在太古宙也很常见绿岩带，典型的含玄武岩或流纹岩的黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿、铜-锌-金矿许多研究人员认为这可能是古老的海底热液喷口。有趣的是，最近在25亿年前的华北克拉通发现了完整的热液丘，这些热液丘带有保存完好的黑白烟状烟囱，与世界上保存最完好的蛇绿岩位于同一带。

的构造背景因为早期地球上生命的起源是很有争议的。有些生物喜欢浅水池的环境，有些则喜欢深海环境，在那里生物可以从海底热液喷口中释放出的化学物质中获取能量。在太古代蛇绿岩序列中发现黑烟型热液喷口具有重要意义，因为25亿年前这些大洋中脊的物理条件允许氨基酸和其他生物起源前有机分子的无机合成。一些科学家认为，生命沉淀和合成的轨迹可能在小的硫化铁球状物中，比如那些在黑烟团周围形成的球状物。黑色烟囱可能提供了一扇通往过去和地球上生命起源的窗户。

参见亚洲地质学;底栖生物、海底;生物圈;绿岩带;蛇绿岩．

进一步的阅读

斯科特,史蒂文。"陆地上的矿物，海洋里的矿物"

加拿大岩石学家、地质学家诺曼·利瓦伊·鲍文博士是20世纪最杰出的火成岩岩石学家之一。虽然他出生在加拿大安大略省，但他的大部分富有成效的研究生涯都是在美国地球物理实验室度过的卡内基研究所鲍文在结晶和熔化实验中研究了斜长石和铁镁硅酸盐之间的关系。从这些实验中，他导出了连续和不连续的反应系列，解释了这些矿物的结晶和熔化的顺序岩浆．他还展示了分数结晶的岩浆分异是如何从一个花岗质从原来的玄武岩岩浆通过镁铁质矿物的逐渐结晶，留下镁铁质熔体。同样，他还展示了一种岩石类型的部分熔融如何导致与原始岩石成分不同的熔体，通常形成比原始岩石更多的长英质熔体，并留下更多的镁铁质残留物(或安息石)。鲍文还研究了岩石在高温和高压下的反应，以及岩浆中水的作用。1928年，鲍文出版了他的开创性著作《火成岩的演化》。

n·l·鲍恩(N. L. Bowen)最著名的著作是关于火成岩起源的研究，通过部分熔融的岩浆分异过程和分数结晶的岩浆分异过程。“部分熔融岩浆分异”是指岩石不完全熔融形成不同成分岩浆的过程。对于以这种方式形成的岩浆，岩浆的成分取决于母岩的成分和熔体的百分比。如果岩石完全融化，岩浆的成分与岩石相同。然而，岩石含有许多不同的矿物质，所有这些矿物质都在不同的温度．因此，如果岩石被缓慢加热，产生的熔体或岩浆最初的成分是第一种熔化的矿物，然后是第一种和第二种熔化的矿物，以此类推。如果岩石完全融化，岩浆最终将以与起始岩石相同的成分结束，但这并不总是发生。通常情况下，岩石只是部分熔化，因此熔化温度低的矿物形成岩浆，而熔化温度高的矿物没有熔化，而是作为残留物(或安息石)留下来。通过这种方式，最终的岩浆与它的来源岩石的成分可能不同。

就像岩石部分融化形成不同的液体成分一样，岩浆也可以巩固不同的矿物在不同的时间形成不同的固体(岩石)。这一过程也导致了岩浆成分的不断变化——如果去除一种矿物，所产生的成分就会有所不同。如果某个过程移除这些固化晶体已从系统的熔体中除去，一个新的岩浆成分结果。

从熔体系统中去除晶体可能通过几个过程发生，包括从晶体中挤出熔体或将致密的晶体沉到岩浆库的底部。Bowen首先描述了这些过程，并系统地记录了结晶是如何形成的

诺曼·利瓦伊·鲍文(皇后大学档案馆)

第一批矿物的形成改变了岩浆的组成，导致越来越多的硅质岩石的形成降低温度．

也见火成岩;岩石学和岩石学。

进一步的阅读

Bowen, Norman Levi。硅质石灰岩和白云石的渐进变质作用。《地质学杂志》第48期。3(1940): 225-274。

-。硅酸盐高温研究进展及其在火成岩地质中的意义美国科学杂志33(1937):1-21。Bowen, Norman Levi，和John Frank Schairer。"从杜尼特人入侵的角度看橄榄石图”。国际地质大会1(1936):391-396。

第谷·布拉赫(1546-1601)丹麦贵族、天文学家第谷·布拉赫于1546年12月14日出生在丹麦的斯堪尼亚地区，原名泰格·奥特森·布拉赫。他出生在贵族家庭，是奥特·布拉赫(Otte Brahe)和贝亚特·比勒(Beate Bille)的儿子，出生在家族的祖居克努斯托普城堡(Knutstorp Castle)。他的父亲是丹麦国王宫廷里的贵族，他有一个姐姐和一个妹妹，还有一个出生后不久就去世的双胞胎兄弟。第谷的叔叔，丹麦贵族约根·布拉赫，在他两岁的时候把他从父母身边带走，从那时起他就住在他叔叔在托斯特鲁普城堡的家里。布拉赫从6岁到12岁在一所拉丁学校接受教育。1559年，13岁的他进入哥本哈根大学学习法律，但逐渐对天文学更感兴趣。1560年8月21日，他在哥本哈根目睹了一次日食，这是他职业生涯中最重要的时刻之一。他的教授和天文学家们预测的日食发生的准确时间。第谷买了一本叫做《星历表》的书，里面给出了不同时间天体在天空中的位置和表。他用几年的时间研究了这本书和其他许多文献，直到1563年他意识到当时大多数天文学文献彼此不一致。他写道，天文学不能靠他所读到的那种随意的观察来发展，并建议对天空进行长期的系统研究。 With the naked eye and the help of his sister Sophia he made many measurements of the stars and planets and improved many astronomical instruments. Brahe's work preceded the invention of the telescope, however, and later observations by German astronomer Johannes Kepler using the telescope proved to be more accurate than Brahe's.

1565年，布拉赫的叔叔约根·布拉赫在与腓特烈二世的一夜狂饮后去世

在丹麦，两个人都从桥上掉到河里。约根救了腓特烈，却得了肺炎，后来去世了。第二年，布拉赫和他的朋友们在他们教授的家里参加舞会，在喝了很多酒之后，他与他的贵族同伴曼德拉普·帕斯比尔格进行了决斗，在这场决斗中，布拉赫失去了一部分鼻子。这导致他的余生都戴着假鼻子来掩盖自己的毁容。1571年，布拉赫的父亲在长期患病后去世，此后，布拉赫开始在斯堪尼亚永比赫德(今瑞典西南部)附近的Herrevad修道院建造一座天文台和炼金术实验室。

第谷·布拉赫在26岁的时候爱上了一位名叫柯尔斯滕·乔根斯达特的平民，他们搬到了哥本哈根，三年后结婚。他们有8个孩子，其中6个都活到了成年，这对夫妇一直生活在一起，直到布拉赫在1601年54岁时去世。布拉赫变得相当富有，在他的城堡里举办了许多派对，他驯服的宠物麋鹿和侏儒杰普(充当宫廷小丑)经常出席。布拉赫认为小矮人有千里眼，让他在桌子底下吃饭。在布拉赫的一次聚会上，麋鹿喝了太多啤酒，从楼梯上摔了下来，死了。1601年10月10日，布拉赫在一次宴会上病倒，11天后去世。多年来，他的死因一直是个谜，许多人认为他是在宴会上饮酒过量而死于细菌。由于当时的习俗不允许一个人在吃饭时起身离开，他的膀胱被认为伸展并引起感染。但对他遗体的挖掘表明，他更有可能死于汞中毒，要么是意外吞下了被汞污染的药物，要么是被谋杀。《天堂的阴谋:约翰内斯·开普勒，第谷·布拉赫，以及历史上最伟大的科学发现之一背后的谋杀》(2005年)一书中，约书亚·吉尔德和安妮·吉尔德推测，约翰内斯·开普勒很可能毒死了布拉赫，他有手段、动机和机会。

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