书城科普破解日食与月食(趣味科学馆丛书)
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第7章 认识日食的主角——太阳(4)

太阳光也是一个大家庭。眼睛能看见的光叫可见光,可见光是这个家庭的一部分成员。除可见光外,太阳还发射看不见的光线,其中波长比可见光长的有红外光和无线电波;波长比可见光短的有紫外线、X射线和γ射线等。

知识点光谱

光谱是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分,在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色,譬如褐色和粉红色。

看不见的光线

说起阳光,人们自然想到五颜六色、色彩斑斓的可见光。其实,仅把可见光当做阳光是不公平的,肉眼看不见的红外线、紫外线、X射线以及γ射线,也都是阳光的重要组成部分。

红外线是英国天文爱好者威廉·赫歇尔发现的。赫歇尔在天文学上贡献很大,他用自制的望远镜发现了天王星,后来他成为著名的天文学家。

1800年,赫歇尔在研究太阳光谱不同波长的热辐射时,发现了红外线。他是用灵敏的温度计在可见光谱红端以外的地方发现的。他认为这里有一种看不见的光线,它的位置表明的它的频率比红光低,但波长比红光长。

后来,用特殊的感光底片拍摄光谱,证实在红光外侧的确有光存在,并且证实这种看不见的光线和可见光遵循同样的规律。由于它的位置在红光外侧,所以叫它红外线或红外光。

其实,红外线是太阳最热的辐射光线,所以又叫热线。红外线很容易被地面吸收,使地面温度增高,它还可以晒热作物植株,为作物提供热量。

红外线的发现,给人们很大启迪,不久人们就提出这样的疑问:既然红外波段有辐射存在,在阳光的紫外波段有没有辐射呢?

1802年,德国物理学家里特做了一个颇有趣味的实验,他把硝酸银放在蓝光和紫光下照射,看见分解出了黑色的金属银。

他又把硝酸银放在紫光外“光线”下照射,结果分解得更快。这个实验证明,太阳光里的确有紫外光线存在。

根据空间天文学家的探测,太阳紫外线分为近紫外线、中紫外线、远紫外线以及EUV线4种。这种射线在从太阳来到地面的途中,大部分被地球大气层的臭氧层吸掉了,达到地面的只有很少的一部分,因此太阳紫外线探测都在空间进行。

大量探测表明,在日冕和上层色球之间的过渡区域里,有很多紫外线谱线,它们是传递这个区域消息的重要使者。紫外线对研究这个层次的辐射起着顶梁柱的作用。在20世纪90年代,甚至直到现在,许多探测太阳的人造卫星,都带有紫外线探测仪器。

X射线是看不见的太阳光线的重要组成部分。它是1895年11月8日由德国著名物理学家伍连·康拉德·伦琴发现的。伦琴这位杰出的物理学家因为发现了X射线,于1901年成为第一个诺贝尔物理学奖获得者。

1895年11月8日,伦琴在暗室里做阴极射线管中气体放电试验。为了防止紫外线和可见光的影响,他用黑色硬纸把阴极射线管包了起来。试验中,他发现在一定距离以外,涂有铂氰酸钡荧光材料的屏上,发出微弱的荧光。

这种现象一般人是不大重视的,可伦琴却对它进行了深入的研究。根据他对物理学的了解,他认为,穿透力有限的阴极射线是无法穿过包有硬纸的阴极射线玻璃管壁的,使荧光材料发光的物质也不可能来自别的地方。但是,使荧光材料屏发光的物质是什么呢?他当时也不知道答案。

严肃的科学态度让伦琴对这种物质进行了深入的研究。在此基础上,他提出一个设想:这是阴极射线撞击在阴极射线玻璃管壁上产生的一种射线。后来的实验证明了伦琴的想法。

X射线是一种特殊的物质,在电磁场中不像带电粒子那样受电磁力的作用,也不像可见光那样经过不透明物质发生偏转。它有很强的穿透力,能够穿过树木、纸张和铅片,但不能穿过厚金属片;能够穿过肌肉,但在荧光屏上却能留下骨骼的阴影。因此,伦琴用它拍下了第一张骨骼的照片。

尽管如此,当时他对X射线的性质还了解得不多,甚至认为它同可见光没有太多区别。因此有人问他“这种射线是什么物质”的时候,他回答说:“X”。X射线的名称就是这样得来的。

太阳表面具有上百万度的高温,日冕里的物质以特殊的形式存在,根据它的温度和物质特殊存在形式,理论家早就预言太阳上有X射线存在了。但是由于这种射线在穿越地球大气层时被吸收了,所以要探测太阳X射线,就必须深入地球大气层上空。这在气球、火箭和人造卫星还不能用于科学研究的时代,是无法做到的。

1945年第二次世界大战结束了,德国、日本和意大利是战败国,美国等国是战胜国。美国从德国那里获得战利品之一是V—2火箭。1946年,美国海军研究实验室在胡尔布特领导下,利用V—2火箭把探测太阳X射线的仪器送到了高空。很遗憾,这次实验空手而回,一无所获。

1948年8月6日,再次实验获得了成功,拍到了第一张太阳X射线照片。后来,海军研究实验室继续进行了探测。大量探测表明,太阳的确是一个很强的X射线源。它的强度随着太阳活动周期而变化。现在,经过气球、火箭和人造卫星等运载工具的大量观测得知,太阳X射线含有3种成分,它们是宁静成分(流量基本上不变)、缓变成分(流量缓慢变化)和爆发成分(在短时间内流量急剧变化),爆发成分又叫太阳X射线爆发或太阳X射线耀斑。

从此,太阳X射线就成了研究太阳的极其重要的电磁波段了。

知识点米粒组织

米粒组织是太阳光球层上的一种日面结构。呈多角形小颗粒形状,得用天文望远镜才能观测到。米粒组织的温度比米粒间区域的温度约高300℃,因此,显得比较明亮易见。虽说它们是小颗粒,实际的直径也有1000公里——2000公里,大的则可达3000多公里。明亮的米粒组织很可能是从对流层上升到光球的热气团,不随时间变化且均匀分布,且呈现激烈的起伏运动。

太阳发出的电波

南京东郊风景区,树木葱茏,青山叠翠。巍巍的紫金山三峰上,有几个圆形屋顶隐藏在绿阴丛中,在阳光照耀下,发出晶莹的亮光。这便是紫金山天文台。

紫金山天文台乘汽车沿着蜿蜒曲折的盘山公路迤逦而上,进了大门,登上天文台最高处——天堡城。放眼眺望东方,几个圆顶内望远镜正指向太阳。同时,几架射电望远镜的抛物面天线也正在对向太阳,接收太阳的“广播”。

太阳上也有“广播电台”吗?当然有啊!1942年,正是第二次世界大战最激烈的阶段,炮火连天,弹痕遍地,将士们在进行着血与肉的搏斗,接受着生死存亡的考验。坦克、装甲车和飞机的发动机声,整天轰轰隆隆,不绝于耳。

为了获得战争的胜利,侦察敌情,防止敌机轰炸,多么需要雷达及时提供信息啊!就在这血与火的殊死搏斗中,英国防空部队的4~6米雷达突然受到了电波干扰。当时以为敌机来空袭了,连忙发出防空警报。可是,等了好久,也没见到一架敌机。

那么,这干扰电波来自何处?是“天灾”?是“人祸”?不得而知。于是产生了种种猜想。为了揭露谜底,科学家海伊等人对此进行了深入的研究。

经过仔细分析,他们明白了,这种电波不是敌人发射的,不是地球上所有的。它们来自太阳,是太阳在“广播”。他们还意外地发现,这种电波比具有太阳表面温度的黑体辐射强得多,同黑子、耀斑等太阳活动现象有密切关系。

与此同时,索思沃思应用当时刚制成的新型雷达接收机,在3~10厘米波段发现太阳上也有“广播”。至此,太阳上有“广播电台”确定无疑了。

太阳上无人,也没高大的铁塔架设天线,太阳上的无线电信号从哪里来的呢?是从太阳大气层中发射的。随后,天文学上把太阳发射的无线电信号叫做太阳射电。

在这以后,世界上许多国家广泛地开展了太阳射电的研究工作。现在,射电观测是研究太阳的一个重要部门了。在我国,除紫金山天文台有太阳射电观测和研究以外,北京天文台和云南天文台也都有太阳射电观测和研究。

在第二次世界大战以前,无线电还没有普及。那时,一般的人家不但没有电视,就连收音机也没有,只有作战部队里才有无线电台。在那个时候,当一名无线电台报务员是相当荣耀的。一批德国青年军官当上报务员后,神气十足,走起路来胸脯都挺得高高的。然而好景不长,不久就爆发了第二次世界大战。纳粹德国妄想独霸天下,把许多青年送上战场给他们充当炮灰,报务员们也因此上了沙场。

一天,一名叫布鲁克的报务员在电台前值班操作。前沿战火纷飞,杀声震天,报告战果,下达命令,都由报务员来完成。电讯十分繁忙,布鲁克兢兢业业地做着工作,忙得不亦乐乎。

就在一个命令要下达时,突然耳机里一点声音没有了。奇怪!耳机怎么不响?他检查机器,电台好好的。耳机不响,命令怎么下达?他急忙呼叫,但毫无反应。他赶紧拨动旋钮,改变频率,仍然没有声音。几分钟过去了,始终联系不上。前线德军没有指挥,一片混乱,战役失败了。

战役结束后,布鲁克被军事法庭判处死刑。临刑时,他仰天高呼“冤枉!”为什么在战役的关键时刻无线电通讯会突然中断?布鲁克被判死刑是不是冤枉?当时没人追究。

数年之后,这样的事又发生了。1956年2月23日,一艘英国海军舰只在格陵兰海上值勤,从基地出发后一直和基地保持着联系。突然,联系中断了,不管指挥部怎么呼叫,也听不到回音。

指挥员不知发生了什么事情。想来想去,估计可能是军舰遇难沉没了。于是,为“死难者”料理后事忙碌起来。正当人们为“死难者”忙碌的时候,军舰回到了基地,舰上的人员也都好好的。人们惊异得一个个目瞪口呆,不知所措。

太阳耀斑这是怎么回事呢?原来这一天太阳上发生了一次大耀斑,是太阳耀斑开的玩笑。太阳耀斑怎么会影响无线电通讯呢?这要涉及我们地球大气层了。太阳辐射中含有大量的X射线和紫外线。在这些辐射作用下,在离地面80千米~500千米的区域,形成一个电离层。电离层又可分为D层、E层和F层。D层高度在80~100千米,E层在100~120千米,F层在150~500千米。

F层又可分为F1层和F2层。在耀斑爆发的时候,X射线和紫外线急剧增加,D层的电离度也急剧增加。因此,向着太阳的半个地球上,短波或中波无线电讯号衰减很多,甚至完全中断。出现后一种情况时,无线电通讯不能进行,电台的耳机就寂然无声了。

这样的现象大约持续几分钟到1小时。这种现象在军事上和日常通讯中都是不可忽视的。为此,天文台一旦发现太阳上有耀斑爆发,就立即向有关部门报告。这项“报告”是天文台为国民经济服务的一项重要内容。

威力强大的太阳磁暴

一位中学生手腕上戴了一只小巧玲珑的手表,表带上有一只精美别致的小磁针。它平时总是静静地指向南北方向。一天,磁针突然跳动起来了,不停地左右摆动,很久才静止下来。磁针静下来后,又静静地指着南北方向,好像什么事也没发生似的。

她觉得奇怪,就去问老师。老师也说不清楚。她去请教地球物理学家。地球物理学家告诉她:在她表带上磁针跳动的时候,地球发生了磁暴。

“磁暴?它是什么?是怎么产生的呢?”她一口气提出了许多问题。

地球物理学家告诉她:磁暴是一种短时间的地磁扰动现象,持续时间几分钟到几天不等。发生磁暴的时候,磁针或做微小的震动,或做剧烈的“颤抖”,甚至可以急促地来回摆动,然后猝然停止。

在磁暴期间,无线电通讯几乎和有线电信都受到强烈干扰。例如,1958年2月11日发生全球性大磁暴时,世界各地的无线电通讯全部中断,瑞典的电力线和通讯线遭到破坏,铁路讯号无法使用。

磁暴引起的强大电流,足以使电缆上绝缘材料起火,烧毁安全阀甚至变压器。1975年7月的一次磁暴,欧洲和北美之间的无线电通讯全部中断,欧洲和远东之间的电报联系受到强烈干扰。

磁暴发生在地球附近,根子则在太阳上。这是太阳活动对地球所产生的一种影响。科学家发现,在太阳活动高潮或者在太阳耀斑爆发的时候,从太阳上抛射出大量带电粒子、紫外线和X射线。

这些“天兵天将”经过1.5亿千米的征程来到地球附近后,舞枪弄棒,搅得“四邻”不安。具体说来,紫外线和X射线使电离层遭到破坏,从而影响无线电通讯。

带电粒子被地磁场俘获后,按照它们的质量和电荷分成几类,分别送往不同的地方,因此,在地球周围形成一个半径为2万~2.5万千米的巨大环形“电路”。在这种“电路”里流动的电流,在它周围产生的磁场和地球磁场互相作用,产生磁暴。

在一年里,世界性的强磁暴次数是不多的,在太阳活动低的年份只有几次,高的年份有几十次。但强度中等的磁暴或磁扰是经常发生的,尤其在极区,很少有磁宁静的日子。

其实,地球是一块大磁铁,在这块“大磁铁”周围形成了一个巨大的地磁场。20世纪初以前,人们就对地磁场进行观测了。