书城科普青少年应该知道的太阳能
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第2章 太阳及太阳能的基础知识

1.太阳的形成

同学们对太阳一定不陌生吧,小时候我们都学过《上学歌》:“太阳当空照,我去上学校……”。我们已经习惯了太阳升起的时候去上学,太阳落下的时候放学回家。

那么,太阳是怎样形成的呢?

实际上,除了各种星体之外,宇宙之间还布满了气体和尘埃。其中,有一种低温、不发光的星际尘云,都是形成恒星的基本元素。

这些星际尘云黑黑的,温度非常低。如果没有外力的作用,这些星际尘云就好像天上的云朵,在太空中飘浮着,没有什么大的变化。但是如果附近有某个星体发生爆炸,其产生的震波通过星际尘云时,会把这些星际尘云压缩变小,从而使其密度增加,直到它们可以靠本身的重力持续收缩。这种靠本身重力使体积越缩越小的过程,称为“重力溃缩”。还有其他一些外力,如银河间的磁力或尘云间的碰撞,也可能使星际尘云产生重力溃缩。

大约在五十亿年前,有个星际尘云开始发生重力溃缩,体积越缩越小,核心的温度越来越高,密度越来越大。当这个星际尘云体积缩小一百万倍后,就变成了一颗原始恒星,其核心区域的温度升高到将近一千万摄氏度,并引发氢融合反应,这种反应和氢弹爆炸过程十分相似。此时,一颗叫太阳的恒星便诞生了。

原始恒星经历了一连串的核反应,每次核反应会消耗掉四个氢核而形成一个氦核,由此损失一点点质量,损失的质量就转化为光和热辐射出去。经过一系列的吸收和放射,最后光和热传到了太阳表面,再辐射到太空中一去不复返,这也就形成了我们所看到的太阳光。

太阳形成初期并不稳定,体积缩胀不定。这种膨胀、收缩的过程反复发生,加上周围还笼罩着云气,因此亮度变化很不规则。随着胀缩的程度慢慢缩小,最后热膨胀力和收缩力达到平衡,这时太阳就进入了稳定期,成为一颗耀眼的恒星,差不多就像我们现在所看到的样子了。

太阳进入稳定期后,便开始稳定地、持续地发出光和热,长达一百亿年。这种情况已经持续了50亿年,再过50亿年,太阳度过一生的黄金岁月后,将进入晚年。但从某种意义上来说,太阳的能量是取之不尽、用之不竭的。

2.认识太阳

(1)太阳的结构

从中心向外,太阳可分为核反应区、辐射区、对流层和大气层。由于太阳外层气体的透明度极差,人类能够直接观测到的是太阳大气层。大气层从内向外分为光球、色球和日冕3层。

光球层:光球表面较为著名的活动现象便是太阳黑子。黑子大多呈现近椭圆形,它是光球层上的巨大气流旋涡,在明亮的光球背景反衬下显得比较暗黑。

但实际上它们是发光的,温度高达4000℃左右,倘若能把黑子单独取出,一个大黑子便可以发出相当于满月的光芒。黑子在日面上出现的情况不断变化,这种变化反映了太阳辐射能量的变化。

太阳黑子的变化是周期性的,其平均活动周期为11.2年。

色球层:紧贴光球以上的一层大气称为色球层,过去这一区域只是在日全食时才能被看到,平时不易被观测到。当月亮遮掩了光球明亮光辉的一瞬间,人们能发现日轮边缘上有一层玫瑰红的绚丽光彩,那就是色球。

色球层的化学组成与光球基本上相同,但色球层内的物质密度和压力要比光球低得多。色球层厚约8000千米。

我们知道,离热源越远处温度越低,而太阳大气的情况却截然相反:光球顶部接近色球处的温度差不多是4300℃。而到了色球顶部,温度陡升,竟高达几万度,再往上到了日冕区温度陡然升至上百万度。

对这种反常增温现象,人们感到疑惑不解,至今也没有找到确切的原因。

日冕:日冕的范围在色球之上,一直延伸到好几个太阳半径的地方。日冕里的物质更加稀薄。它还会不停地向外膨胀,并使得热电离气体粒子从太阳向外连续地流出而形成太阳风。

(2)太阳风

从太阳上吹出来的“风”,就叫太阳风。它的名称是20世纪50年代提出来的。它是否真正存在?存在的根据是什么?

好几百年前就有人这么考虑了,其存在的直接证据就是彗星的尾巴。

在任何时候,任何情况下,彗星的尾巴总是背着太阳。也就是说,在彗星接近太阳时,彗头在前,彗尾在后,好像是彗头在前拉着彗尾一起前进;在彗星离开太阳时,彗尾在前,彗头在后,好像是彗尾在前拉着彗头一起离开太阳。

彗尾总是冲着与太阳相反的方向延伸,根据这一现象,可以断定一定是太阳在吹风,将彗尾吹向背离太阳的方向。事实上,太阳风是从太阳上辐射出的带电粒子。

20世纪50年代末,对来自太阳的这股太阳“风”,美国天文学家帕克做了正确地描述。他认为,太阳大气的最外层—日冕没有明确的边界,而是持续不断地膨胀,这样高温低密度的粒子流,就高速而稳定地被“吹”或“飞”向四面八方。

几年之后,通过人造地球卫星所进行的观测,完全证实了太阳风的存在。这股“风”可以一直吹到我们地球,人们测出地球轨道附近的太阳风速度大约为每秒450千米。在太阳活动较强时,其速度还会成倍地增加。太阳风是股极为稀薄的风,类似于地球实验室所能制造的真空。

那么,速度那么大的太阳风能“吹”多远呢?

除去空间各种物质成分对太阳风的可能影响后,它大致会“吹”到约25~50个天文单位(1个天文单位约为1.5亿千米)远,也许还会吹得更远些。

太阳风的确定对研究行星磁层中出现的各种物理过程、行星际磁场的结构,特别是地磁扰动等现象,有很大帮助。

人们现在对太阳风的观测和研究还太少,对它本质的了解还需要做大量的研究工作。

(3)太阳雨

在晴朗的好天气,有时也会下雨,这时候所下的雨我们称之为“太阳雨”。其实下太阳雨时,还是有云的,并不是真的一点儿云也没有,只是没有被人发现罢了。

有时候,太阳雨是因为某一个地方的乌云产生雨,被强风吹到另一个地方落下的,在另一个地方看起来好像是晴天里下的雨;而还有一些情况是晴朗的天空突然转阴,开始降雨,但是雨从高空落下,还没着地,天又突然晴朗起来,云已经消失了,所以天气看起来虽然晴朗,却下起雨来了。

那么,太阳雨是怎么产生的呢?

在太阳风的作用下,高空的两块带有不同电荷的云层相互碰撞发生作用,造成局部地区空中水汽含量过大,太阳辐射而使水汽蒸发得也较快,因此就产生了所谓的“太阳雨”。

(4)日出日落时太阳的形状有变化

每天,当太阳徐徐升起或者缓缓落地时,人们可以明显地观察到它的形状在发生变化。它不再是球形的,而是呈椭圆状的了。

我们知道,阳光被大气折射后,在太阳越接近地平线时折射就越厉害。如果阳光不发生折射,实际上太阳的下部边缘处于地平线以下半度多的地方,而上部边缘处在低于没有折射时的实际位置半度左右的地方,因此这时候看到的太阳的垂直高度要比太阳在头顶上时的宽度稍微窄一些。

当太阳位于地平线上时看起来好似一个椭圆,因为折射作用产生的水平宽度缩短很小。对于一个很大的空间来说,太阳处在很大仰角的位置上,这时太阳显示的真正角宽度为0.5弧度。但落下时,太阳和地平线之间的空间缩小了,这时的太阳看上去好像变大了。

(5)太阳离我们最近的时间

太阳是早晨离我们近些呢,还是中午、晚上离我们近?

事实上,早晚看到的太阳通常比中午要大,这是人们产生的错觉;中午比早晚热不是中午的太阳离我们更近,而是由于中午阳光直射,在大气里走过的路程较短,热量被吸收的少。

在中午和早晚的时候,人们观测太阳的距离是不同的,原因很多:第一,地球是球形,不断地自转。如果地球除了自转没有其它运动,而且自转轴与太阳和地球间的直线垂直,那么对于生活在赤道上的人来说,中午太阳总比早晚近,也就是说近到距离相当于地球的半径。第二,地球纬度的不同,早晚、中午的太阳离人们的距离各不相同。纬度愈大即离赤道愈远,这样的话,太阳在中午和早晚的距离差愈小。第三,地球除自转外,也绕太阳公转,自转轴和公转轴成23.5°角。自转轴的方向变化很慢,因此中午太阳在天空的高度一年内不断变化。第四,地球公转轨道呈椭圆形,地心和日心的距离因此逐日变化。第五,同一天的日出日落时间随纬度不同而不同,日出日落的时间在一年中又是逐日变化的。第六,地心和日心最接近的日期并不固定,因为地球自转轴方向变化很慢。

另外,行星引力对地球公转轨道还产生影响。考虑到以上原因,人们可以推出适当的公式来计算中午和早晚太阳和观测者的距离差。

所以,人们应该根据科学的方式来判断太阳什么时候离我们近,千万不要被表面现象所蒙蔽。

3.关于太阳的传说趣闻

(1)希腊太阳神话

太阳神阿波罗是天神宙斯和女神勒托所生之子。宙斯和勒托相爱,神后赫拉非常嫉妒,于是就残酷地迫害勒托。勒托到处流浪,有家难归。

后来,勒托流浪到德罗斯岛,便在岛上住了下来,艰难地生下了日神和月神。赫拉知道了,就派巨蟒皮托前去杀害勒托母子,但失败了。再后来,勒托母子交了好运,赫拉不再与他们为敌,勒托母子回到众神行列之中。

巨蟒皮托做下了许多坏事,给人类带来无限灾难。阿波罗替母报仇,用他那百发百中的神箭射死了它,为民除了害。

阿波罗在杀死巨蟒后十分得意,讥讽小爱神厄洛斯的小箭没有威力。厄洛斯很生气,就报复阿波罗。为了使阿波罗终生痛苦,厄洛斯用一枝燃着恋爱火焰的箭射中了阿波罗,用一枝驱散爱情火花的箭射中了仙女达佛涅。达佛涅为了摆脱阿波罗的追求,就让父亲把自己变成了月桂树,阿波罗非常痛苦,仍对她痴情不已,并把月桂作为自己的饰物。

每天黎明,太阳神阿波罗都会登上太阳金车,拉着缰绳,高举神鞭,巡视大地,给人类送来光明和温暖。

(2)天空出现了五个太阳

我国神话传说中曾流传着“后羿射日”的故事。传说夏禹时,天空中的十个太阳一齐升起,火一样的阳光令草木无法生存,大地被晒成一片焦土。力大无穷的神射手后羿决心救万民于水深火热之中,便使出神力,拉起神弓,一连射下了九个太阳,最后留下一个太阳,这才使得整个世界恢复了原样。

当然这仅仅是个神话,可是如果你有运气,兴许还能亲眼目睹这一神话再现呢!这种奇观在我国曾数次露面。1986年12月19日,在西安就曾发生“五日贯天”的奇观。

这一天,一层绢纱似的薄云笼罩着西安市,冬日的阳光透过这层薄纱,洒向大地,给古都西安蒙上一层暖色。快接近中午的时候,人们惊奇的发现,暖色突然变得浓重起来,西安灰蒙蒙的天空有了明快的色彩。人们纷纷仰起头观看,并有人大声喊了出来:“看啊,天上出现了五个太阳!”。

人们永远都不会忘记这一幕奇景:太阳两侧各有两个小一点的“太阳”,4个小太阳闪闪发光,闪着神秘的光芒。两个小一点的“太阳”加上中间那个大太阳,五个太阳同时出现在天空中,好像被一条彩色的大半圆光环穿了起来。大太阳的光盘呈火红色,边缘是金黄色,光辉灿烂,耀眼夺目。

这一罕见的景象让人激动不已:“天空到底为什么会同时出现五个太阳呢?”

实际上,这只不过是大气玩的一个把戏罢了,其实是一种称为“晕”的光学现象。晕并非是一种罕见的现象,人们有时会发现太阳外围有一个相当大的光环,那就是日晕。

复杂的晕往往有多个光环,或伴有光带、光柱、光十字等,甚至会出现诸如西安所见的几个太阳同时出现的情景。

晕通常是伴随着高空中的卷层云而出现的。卷云层温度大约是零下20℃,大约离地面6000米~9000米,所以空气中的水分是以正六角形柱状的形式存在的。当小冰晶胡乱排列在一起时,阳光从冰晶的侧面射入,像透过三棱镜一样,又从另一面折射出来,会在太阳周围形成光环。

如果卷层云中的这种小冰晶在空中垂直悬浮着,而且太阳又升得不高的时候,阳光透过小冰晶折射出来的光线会聚在一起,在太阳附近形成许多很亮的光点,很像一个个小太阳,于是几个太阳同时升起的奇观就出现了。

当然,这些条件很难同时凑齐,因此这种奇异现象是很少出现的,而过去相信迷信、不懂科学的人们常常把它看作灾祸的预兆。

(3)太阳神庙

在英格兰岛上座落着一座雄伟壮观的“太阳神庙”,传说每隔19年,月亮神就会光临这个岛国一次。那么,这到底是怎么回事呢?

其实,人们传说中的太阳神庙就是著名的古迹“石头城”,它坐落在英格兰东南部的阿姆斯伯——历史名城索兹伯里附近的一个小村庄。

它是一个巨石阵,并非一座庙,中间是一圈石柱,外围有许多大小石头,其中好些石头互相连结而形成直线,分别在夏天、冬天或别的季节时,指向太阳和月亮升起或降落的方向。

此外,石柱构成一扇扇“石门”或“石窗”,当太阳光或月光穿过时,也都标志着历法上的某个时刻。

考古学家霍金斯最终解开了谜底,太阳神庙原来是用来确定季节的更替的,是古人用来确定节气的天文历。石头城不但能以模拟的方法确定季节更替,而且可以用来计算月食和日食的日期。例如,它所计算的月食周期,竟然真的同19年相吻合!

这相当于一台用来计算日、月食周期的模拟数字计算机!不仅全世界的考古学界为此发现而轰动,而且计算机科学家们也对其产生了巨大的兴趣。

不管是多么先进的计算机,都会有出现故障的时候,然而这座人类最古老的石头计算机丝毫不用担心出现故障,它以太阳和月亮为基本元件,因此完全可靠。

(4)太阳神鸟的传说

很久很久以前,古蜀国有一个古老而神秘的部落——金沙部落,那里四季如春,鸟语花香,富饶美丽。人人安居乐业,过着无忧无虑的生活。突然有一天,太阳消失了,整个金沙一片黑暗,伸手不见五指。人们焦急地请来四大长老帮忙寻找太阳。

第一天,四大长老来到一座高山寻找太阳。月亮下来了,给了他们一个盒子,并告诉他们,太阳被可恶的大巫师捉走了,要在遇见大巫师的时侯,才能拿出这个盒子里的东西。月亮说完后,四大长老继续向前走。

第二天,四大长老来到一片茂密的森林,星星来了,给了他们一个布袋,并告诉他们,要在打开月亮给的宝盒之前打开这个布袋。星星说完后,四大长老继续向前走。

第三天,他们来到了金沙河边,大巫师和太阳正在那里。于是四大长老立刻打开了星星的布袋,霎时两道强烈的金光飞向大巫师的眼睛,大巫师的眼睛突然痛得不能睁开。四大长老看见了,急忙打开了月亮的宝盒,只见四条金绳窜出宝盒,分别跳到了四大长老手上。四大长老拿着金绳,从东南西北四个方向朝大巫师扔了过去,把大巫师捆住了,大巫师怎么挣扎也动弹不了。

就这样,可恶的大巫师被制服了,太阳被救了出来。四大长老为了不让太阳再次被偷走,就化作四只美丽的太阳神鸟,时时刻刻守护着太阳,太阳也因为神鸟的保护,发出了十二道神奇的金光,变得更加辉煌灿烂。

金沙人看到了这无与伦比的奇景,非常感激四大长老。为了纪念四大长老,金沙人雕刻了一个“太阳神鸟”的金箔,并制作了大量的金器、玉器、铜器……,把它们埋在土里,让子孙后代永远记住这段历史。

从此以后,“太阳神鸟”成了金沙的象征,金沙人的自豪!

4.太阳能源之谜

太阳是离地球最近的恒星,也是太阳系里惟一一颗自己可以发光的天体,它给地球带来了无尽的光和热。如果没有阳光的照射,地球将变得非常寒冷,地面的温度会很快降低到绝对零度。有了太阳光的照射,地球表面的平均温度才能保持在14℃左右。这样,人类和绝大部分动植物才能得以生存和发展。

除了原子能、地热和火山爆发等能量以外,地面上大部分能源都是直接地或间接地源于太阳。

太阳能源之谜,自古以来就有人提出。但是在过去,科技不发达,人们找不到一个科学正确的答案。1938年,美国科学家贝蒂提出太阳能源理论,太阳能源之谜才被真正揭开。

那么,究竟什么是太阳能呢?

太阳能通常是指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行着由“氢”聚变成“氦”的原子核反应,同时不断地向宇宙空间辐射能量,这种能量就是太阳能。

太阳向宇宙空间发射的能量,只有约二十亿分之一到达地球大气层。而这二十亿分之一到达地球大气层的太阳能,30%被大气层反射,23%被大气层吸收,剩下的才到达地球表面。太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于燃烧500万吨煤释放的热量。

从广义上来说,太阳能是地球上许多能量的来源,如风能、生物质能、化学能、水的势能等。狭义的太阳能仅限于太阳辐射的光热、光电和光化学之间直接转换的能量。

人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期,就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火,利用太阳能来干燥农副产品。

发展到现代,太阳能的利用已日益广泛,它包括太阳能的光热利用、太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能发电一种新兴的可再生能源利用方式。