人们知道极光至少已有2000年了，但许多世纪以来，它一直是人们猜测和探索的天象之谜。人们一直认为极光可能是由以下三种原因形成的。第一种看法认为极光是地球外面燃起的大火，因为南北极地区临近地球的边缘，所以能看到这种大火。第二种看法认为，极光是红日西沉以后，透射反照出来的辉光。第三种看法认为，极地冰雪丰富，它们在白天吸收阳光，贮存起来，到夜晚释放出来形成极光。18世纪中叶，瑞典一家地球物理观象台的科学家发现，当该台观测到极光的时候，地面上的罗盘的指针会出现不规则的方向变化，变化范围有1度之多。与此同时，伦敦的地磁台也记录到类似的这种现象。由此他们认为，极光的出现与地磁场的变化有关。
随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所认知，原来，这美丽的景色是太阳与大气层“合作表演”出来的作品。在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为“太阳风”。太阳风是太阳喷射出的带电粒子，是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流。太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场。地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。在南极地区形成的叫南极光，在北极地区形成的叫北极光。那极光为什么会色彩斑斓呢？这是因为高层大气是由多种气体组成的，不同元素的气体受轰击后所发出的光的颜色不一样。例如氧被激后发出绿光和红光，氮被激后发出紫色的光，氩激后发出蓝色的光，因而极光就显得绚丽多彩，变幻无穷。
由于极光的形成与太阳活动息息相关，所以遇到太阳活动极活跃时，人们就可以看到比平常更为壮观的极光景象，甚至在许多以往看不到极光的纬度较低的地区，也能有幸看到极光。2000年4月6日晚，在地球北半球一般看不到极光的地区，甚至在美国南部的佛罗里达州和德国的中部、南部广大地区出现了极光。当夜，红、蓝、绿相间的光线布满夜空中，场面极为壮观。虽然这是一件难得一遇的幸事，但往日平淡的天空突然出现了绚丽的色彩，在许多地区还造成了恐慌。
极光被视为自然界中最美丽的奇观之一，但有时会对通讯、交通带来严重影响。美国西北部的阿拉斯加的出租汽车司机，在极光强烈活动时竟收到来自东部新泽西州的调度命令。1859年，历史上有记载的最离奇的一次极光产生的感生电流强大到美国的电报员可以不用电池，便将电报从波士顿发到了波兰。有时，极光还伴有强大的破坏力。1972年，由于太阳强烈的耀斑形成的极光，使加拿大哥伦比亚的一台23万伏变压器炸毁，还造成美国缅因州至得克萨斯州的一条高压输电线跳闸。
尽管如此，极光还是引起了科学家们的极大兴趣。怎样利用极光所产生的能量为人类造福，是当今科学界的一项重要使命。
学科展望
极光被认为是未来很有希望被利用的新能源，是“地球发电机”发出的希望之光。据估算，极光发射出的电量高达1亿千瓦，相当于目前美国全年耗电量的100倍以上。科学家设想，将来在北极或南极地区建造一座高达100千米的巨型塔架，用适当的方法把高空中极光的电能接收下来供人们使用。
奇妙的海市蜃楼
在平静无风的海面航行或在海边瞭望，往往会看到空中映现出远方船舶、岛屿或城郭楼台的影像；在沙漠旅行的人有时也会突然发现，在遥远的沙漠里有一片湖水，湖畔树影摇曳，令人向往。可是当大风一起，这些景象突然消逝了。原来这是一种幻景，通称海市蜃楼，或简称蜃景。
自古以来，蜃景就为世人所关注。我国古代把蜃景看成是仙境，秦始皇、汉武帝曾率人前往蓬莱寻访仙境，还屡次派人去蓬莱寻求灵丹妙药。在国外，也有许多关于蜃景奇观的记载。1913年，美国的一个探险队去寻找一座神秘的高地，这个高地是探险队中的一个成员在不久前发现的。探险队为了证实这个新发现，乘船驶过冰山海域，然后登上冰川，步行前进，直到探险队看到那个被称之为新发现的大山时，景象慢慢改变了。最后，随着地球和太阳转动，探险队面前的景观消失得一干二净，高山化为乌有，留下的只是广阔无垠的冰山海洋。事后，探险队认识到，他们上了自然界的当，海市蜃楼骗了他们。
在战争史上，也有蜃景的记录。1798年，拿破仑的军队在埃及沙漠中行进，茫茫沙漠中突然出现迷乱的景象，一会儿出现一个大湖，顷刻间又消失了。一会儿又是一片棕榈树林，转眼间又变成荒草的叶子。士兵们被弄糊涂了，以为世界末日来临，纷纷跪下祈求上帝来拯救自己。第一次世界大战时，在一次沙漠会战中，一队英国炮兵正在射击，突然间，射击目标变成了一座海市蜃楼，指挥官被眼前发生的一切弄得莫名其妙，不得不停止炮击。另一次，一位德国潜艇艇长通过潜望镜看到美国纽约市，他以为自己指挥的潜艇跑错航线，进入美国海域，赶紧下令撤退。其实，这位艇长也是受了蜃景的欺骗。
为什么会产生海市蜃楼这种现象呢？原来，空气本身并不是一个均匀的介质，在一般情况下，它的密度是随高度的增大而递减的，高度越高，密度越小。当光线穿过不同高度的空气层时，总会引起一些折射，但这种折射现象在我们日常生活中已经习惯了，所以不觉得有什么异样。可是当空气温度在垂直变化的反常，并会导致与通常不同的折射和全反射，这就会产生海市蜃楼的现象。
由于空气密度反常的具体情况不同，海市蜃楼出现的形式也不同。在夏季，白昼海水湿度比较低，特别是有冷水流经过的海面，水温更低，下层空气受水温更低，下层空气受水温影响，较上层空气为冷，出现下冷上暖的反常现象（正常情况是下暖上凉）。下层空气本来就因气压较高，密度较大，现在再加上气温又较上层为低，密度就显得特别大，因此空气层下密上稀的差别异常显著。假使在我们的东方地平线下有一艘轮船，一般情况下是看不到它的。如果由于这时空气下密上稀的差异太大了，来自船舶的光线先由密度的气层逐渐折射进入稀的气层，并在上层发生全反射，又折回到下层密的气层中来；经过这样弯曲的线路，最后投入我们的眼中，就能看到它的像。由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的，因此我们所看到的轮船映象比实物抬高了许多，所以叫做上现蜃景。
在沙漠里，白天沙石被太阳晒得灼热，接近沙层的气温升高极快。由于空气不善于传热，所以在无风的时候，空气上下层间的热量交换极小，这样就使下热上冷的气温垂直差异非常显著，并导致下层空气密度反而比上层小的反常现象。在这种情况下，如果前方有一棵树，它生长在比较湿润的一块地方，这时由树梢倾斜向下投射的光线，因为由密度大的空气层进入密度小的空气层，会发生折射。折射光线到了贴近地面热而稀的空气层时，就发生全反射，光线又由近地面密度小的气层反射回到上面较密的气层中来。这样，经过一条向下向下凹陷的弯曲光线，把树的影像送到人的眼中，就出现了一棵树的倒影。由于倒影位于实物的下面，所以又叫下现蜃景。
无论哪一种海市蜃楼，只能在无风或风力微弱的天气条件下出现。当大风一起，幻景顿时消失。这是因为这种空气层极不稳定，大风一刮，上下层空气搅动混合，上下层空气密度没有什么差异了，光线就不会出现折射和反射的现象了。
知识链接
海市蜃楼有两个特点：一是在同一地点重复出现，比如美国的阿拉斯加上空经常会出现蜃景；二是出现的时间一致，比如我国蓬莱的蜃景大多出现在每年的五六月份，俄罗斯齐姆连斯克附近蜃景往往是在春天出现，而美国阿拉斯加的蜃景一般是在6月20日以后的20天内出现。
“生物圈二号”实验
作为自人类诞生以来的第一个生存环境，科学家们将地球称为“生物圈一号”。但将数十亿人的身家性命寄托在唯一的生存环境下，似乎是一种非常不明智的行为，特别是在这个生存环境变得越来越脆弱的时候。因此，科学家们想到了通过建立一个封闭的实验性生态系统，来研究人类是否有可能建立一个模仿地球的独立生态系统并生存在其中的问题。历史上，这样的研究以不同的形式进行过多次，其中最著名的要数美国科学家进行的“生物圈二号”实验。
“生物圈二号”建于美国亚利桑那州图森市以北沙漠中。这个庞大的科学工程从1986年设计，次年动工，至1991年完工，共花费15亿美元。为了隔绝外界物质进入这个封闭的系统，整个建筑进行了很好的密封。建筑的外部装配了双层玻璃板，地面部分则整个用不锈钢板焊接起来，并加上了钢垫。为了达到良好的气密效果，建筑内部的气压略高于外界。为了维持这个压力差，工程人员在建筑内设计了两个类似“肺”的可变体积空间，利用体积的变化平衡导致温度变化而引起的内外气压差的变化，达到维持压力并保护建筑结构的目的。建成后的“生物圈二号”，在正常状态下与外界基本隔绝，唯一能够从外界获取的能量就是从玻璃窗透入的自然光，以及维持试验和监控设备运转所需要的电力。
“生物圈二号”面积相当于3个足球场大，引入了3800多种生物，包括鸡、羊、猪、蜂、鸟、鱼和各种有益的昆虫及微生物，布置成森林生态系统、草地生态系统、水和沼泽生态系统、农田生态系统和海洋生态系统，还有供研究和生活用的楼房和人造风雨设施。“生物圈二号”的设计寿命是100年，科学家们希望人在这个系统中能实现长期自给自足的生活，进而为人类开发太空、建立生存模型、探讨人与生物间的关系、保护生态环境、实现可持续发展等提供依据。
1991年9月26日，全球所有主要媒体均在头版头条刊登了一条激动人心的消息：由美国太空生物圈风险投资公司建立的“生物圈二号”投入运行，8位科学家笑容满面地进入这个全封闭温室，开始了与世隔离的生活。本来预期他们与世隔绝两年，可以靠吃自己生产的粮食，呼吸植物释放的氧气，饮用生态系统自然净化的水生存。但18个月之后，“生物圈二号”系统严重失去平衡：氧气浓度从21%降至14%，不足以维持研究者的生命，输入氧气加以补救也无济于事；原有的25种小动物，19种灭绝；为植物传播花粉的昆虫全部死亡，植物也无法繁殖。事后的研究发现：细菌在分解土壤中大量有机质的过程中，耗费了大量的氧气；而细菌所释放出的二氧化碳经过化学作用，被“生物圈二号”的混凝土墙所吸收，又打破了循环。此次失败的实验项目在社会上引起了广泛的争论，从事此项实验的科研机构的威信大受影响。
1994年3月，7名科学家再次进入“生物圈二号”进行第二次实验，这种努力在1年半之后再次以失败告终。
虽然“生物圈二号”实验目标并未达成，但是这也给人类上了很好的一课：大自然并非我们想象的那样简单，复杂的系统关联中，可能每一缕轻风都是于生命所不可或缺的。我们现今还不能离开地球，目前最好的办法还是保护和利用好地球，进行环境保护和生态恢复是实现人类可持续发展的必由之路。
学科展望
人造生物圈对于人类发展具有重要意义，因而对它的探索仍未结束。如果人和动植物被证明在这密封的自给自足空间内能够长期生存，并维持良好的生态平衡，则人类就不仅不怕将来地球变成不毛之地，而且可以进一步考虑在太空中或在附近的星球，如月球或火星上，建立一些居民点，为将来更大规模地向这些星球移民作准备。干渴的“水球”
水占地球表面积的71%，假如你站在月球上看地球，展现在你眼前的将是一个比月亮大15倍的“蓝色星球”，那是地球上广阔的海洋反射太阳光形成的动人景象。说得准确一点，我们生活着的“地球”应该叫做“水球”。“三山七水一分田”这句俗语，比较形象地概括了地球表面的情况。据权威人士估计，如果把地球上的水平铺在地球的表面，那么地球就会变成一颗平均水深达2700多米的“水球”。然而，在水量如此丰富的地球上，人类却常常深感用水不足，不少地方甚至闹水荒，这到底是怎么回事呢？
地球上，人类可直接利用的淡水资源是相当少的。地球上的水总储量约14亿立方公里，但这些水98%是咸水，主要分布在海洋中。剩下的2%的淡水也不能全为人类所应用，因为它的88%被冻在两极的冰川里；另外12%即河流、湖泊和能开采的浅层地下水才可为人类应用，其中绝大多数又为地下水，不开采不能应用。这样算下来，人类可直接应用的河流、湖泊中的水，只占淡水总量的004%。
自古以来，人类就在巧妙地利用地球上各种各样的水，并同各种各样的水患进行斗争。在同水的交往中，人类不断地探索它的奥秘，逐渐熟悉了水的世界，也了解到水对人类的贡献，认识到水是生命的摇篮，是生命的源泉。随着人口和工农业生产的飞速发展，人类的用水量剧增。根据科学家测算，公元前一个人每天大概耗水12升；中世纪增加到20～40升；18世纪工业革命开始后耗水猛增，达到60升；20世纪以来，全世界的工业用水量增长了20倍，农业用水量增长了7倍。现在，工业出1吨石油，需要10吨水；炼1吨钢，需水20吨；生产1吨纸张，需用水200吨。农业上，每生产1吨玉米，要有1000吨水的投入；生产1吨小麦，需1500吨水付出；至于水稻，生产1吨竟需水4000吨。目前，人类每年消耗的水资源总量达30000亿吨。这一方面造成了淡水资源的短缺，另一方面还加剧了水污染。据估计，全世界每年约有4200亿立方米的污水排入江河湖海，使55000亿立方米的淡水资源受到了污染！
