书城科普宇宙真相
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第11章 太阳之谜(5)

除此之外,太阳发生耀斑时,还会喷出大量的高能粒子流,除了主要成分质子外,还有重核离子,这令太阳的宇宙线通量也同样增大好几个数量级。

太阳耀斑对地球的影响

虽然太阳耀斑是发生在太阳的最强烈活动,但也只不过是在宁静太阳色球层上发生的一些涟漪,这些微小的扰动基本不会对地球产生很大的影响。而地球上的生灵有大气层特别是其中的臭氧层和电离层、磁层的保护,也可免遭伤害。但在某些场合下,还是必须将耀斑对日地空间和地球物理造成重大的影响考虑进去。

发生耀斑时,太阳会发出许多辐射和粒子,其中只需8分钟X光和紫外光就抵达地球。低电离层被这些X射线进一步电离,电子密度增大,从而对短波、超短波的无线电信号的吸收增强,导致下行的无线电波骤然减弱,甚至中断,从而会使地球上通信系统、导航系统失灵,卫星图像和数据无法传到地面站,后果十分严重。

另外,几小时后,耀斑区的高能粒子流(主要是质子)也能到达地球。由于它有很强的穿透力,不容易被屏蔽,因而会使航天器舱内的人员和仪器的安全受到很大威胁。而l~3天后,更大量的慢速粒子流也会到达地球,并且好冲击地球磁层将其压缩,扰动地磁场。扰动的程度过大就会形成磁暴,会给航海和地球物理探矿等带来严重危害。1989年3月10日,太阳长寿命大爆发,引起了一场灾难性的磁暴,它不仅破坏了加拿大魁北克省735千伏的电网,还破坏了美国新泽西州核工厂的变压器。

耀斑爆发还会引起地球高层大气状态的变化,从而改变航天器的热层环境。这是因为不像绝大部分的可见光那样能到达地面,电磁辐射的高能部分绝大部分被高层大气所吸收,大部分能量在100千米以上的高空大气中沉积,从而使得高层大气的温度和密度发生突变,而航天器恰好在该区域运行。太阳宇宙线的射程短,大部分能量也会在高层大气中积累,并在地磁场的作用下在极区聚集,扰动高纬度地区的高层大气。因此,在进行一些如发射卫星等重要的空间活动时,最好避开耀斑爆发时期,甚至途经极地的航班也要避开。

1979年7月11日,发生了一件令人震惊的事件,美国天空实验室在其原来的轨道上提前4年坠落。后来分析认为,这是因为与预期相比,太阳活动的第21峰年提前了,从而使太阳活动急剧增强,在吸收大量热量后,高层大气温度上升,整个大气发生膨胀,大气受热膨胀后上升到天空实验室的运行轨道,那里的高层大气密度也因此而骤然增强,从而使天空实验室受到的大气运动阻力增加了六倍,于是使得轨道速度降低了,轨道高度也不断下降。虽然采取了一系列措施如调整姿态等来延长时日,但最终还是提早4年坠落了。

相关链接——光斑(谱斑)

太阳的光球层上,有一层斑状组织比周围更明亮,叫做光斑。通过天文望远镜观测,我们可以发现,在光球层的表面有的明亮,有的深暗。这种斑点的明暗是因为这里的温度高低不同,比较深暗的斑点叫做“太阳黑子”,比较明亮的斑点叫做“光斑”。光斑很少在太阳表面的中心区露面,却常在太阳表面的边缘“表演”。因为太阳表面中心区的辐射来自光球层的较深气层,而边缘的光主要属于光球层较高部位,所以比起太阳表面,光斑要高些。

光斑也是太阳上一种强烈的风暴,天文学家把它称为“高原风暴”,不过它的性格要更加温和。光斑只比宁静光球层略亮一些,一般只大10%;比宁静光球层的温度高300℃。许多光斑与太阳黑子还有着紧密的联系,常常在太阳黑子周围环绕“表演”。少部分光斑与太阳黑子无关,活跃区域在70°高纬地区,面积比较小,光斑平均寿命为15天左右,较大的光斑寿命可达3个月。

光斑除了出现在光球层上,也出现在色球层上。当它在色球层上“的活动位置大致与在光球层上露面时吻合。不过,出现在色球层上的叫“谱斑”,而不叫“光斑”。实际上,虽然它们的位置高度不同,但光斑与谱斑是同一个整体。

奇妙的太阳震荡

太阳就像一颗巨大的跳动着的心脏,一张一缩地在脉动,大约每隔5分钟起伏振荡一次。太阳的上下振荡,和以前发现的太阳黑子、日珥等各种太阳运动现象都不同,它不仅具有周期性,而且整个日面无处不在振荡。

归功“多普勒效应”

太阳表面丰富多采的活动现象已经令我们眼花缭乱,然而20世纪60年代初,天文学中的一项重大发现更令我们惊讶不已。1960年,美国天文学家莱顿将最新研制成的强力分光仪对准太阳表面上一个个小区域,准备测定它沸腾表面运动的情况。结果他意外地发现了一件令人十分惊异的现象:太阳就像一颗巨大的跳动着的心脏,一张一缩地在脉动,大约每隔5分钟起伏振荡一次。这次莱顿发现的太阳上下振荡,和以前发现的太阳黑子、日珥等各种太阳运动现象都不同,它不仅具有周期性,而且整个日面无处不在振荡。

太阳距离我们十分遥远,即使通过口径最大的光学望远镜,我们也根本无法看到它表面的上下起伏。那么,莱顿又是怎样发现太阳表面的这种振荡呢?说起来这还要归功于著名的“多普勒效应”。

大家都知道,当一个声音在接近或远离我们的时候,就会发生“多普勒效应”。当它接近我们时,我们接收到的频率升高了,当它离开我们时,我们接收到的频率降低了。与声波一样,光也是一种波,自然也有“多普勒效应”。当光波朝向或远离观测者时,光的频率也要发生变化。在由红橙黄绿青蓝紫七色光组成的太阳连续光谱上,紫色光的频率最高,红色光的频率最低。这个彩色的连续光谱上面还有许多稀疏不匀、深浅不一的暗线,是太阳外层中的一些元素吸收了下面更热的气体所发出的辐射而形成的,叫做吸收线。在观察太阳光谱的时候,如果我们一直紧紧盯住连续光谱上的一条吸收线,那么当太阳表面的气体向上运动时,也就是朝我们“奔驰”而来的时候,吸收线就会往光谱的高端即紫端移动,简称紫移;反之,当气体向下移动时,吸收线就会往光谱的低端即红端移动,简称红移。如果吸收线一会儿紫移,一会儿红移,不断地交替交换,那么太阳的表面气体就在上下振荡。

怎样观测太阳振荡

要观测太阳震荡是一件非常困难的事,因为太阳离我们太远了,而且它振荡的幅度和速度都不大,所以光谱线的位移量也很小,大约只有波长的百万分之几。可想而知,这样微乎其微的变化,发现它是多么不容易。莱顿使用非常精密的强力分光仪拍下一张张太阳光谱照片,然后利用“多普勒效应”的原理,通过计算机进行反复的分析,最后才发现了太阳表面周期振荡的重要现象。

太阳5分钟振荡周期从根本上改变了人们对太阳运动状态的认识,世界各国的天文学家对这个问题都十分重视,许多天文学家纷纷采用各种不同方法对太阳进行观测。他们不仅证实了太阳表面5分钟的振荡周期,而且接连地又发现了其他好几种周期的振荡。有人得到周期为52分钟的太阳振荡,有人得到周期为7~8分钟的太阳振荡。最引人注意的是前苏联天文学家谢维内尔和法国天文学家布鲁克斯等得到的周期为160分钟的长周期振荡。

谢维内尔观测小组在克里米亚天体物理台首先观测到这种长周期振荡。1974年,他们把由光电调节器和光电光谱仪组成的太阳磁象仪安装在太阳塔的后面,利用它来观测连接太阳极区的窄条的光线以避开太阳赤道部分的视运动。来自太阳中心的光线发生偏振,而来自太阳边缘的光线没有偏振,这两部分光线分别照在两个光电倍增管上,这两个光电倍增管的输出就表示中心光线是否相对于边缘发生了多普勒位移。谢维内尔小组利用这种方法在1974年秋季观测到太阳160分钟的振荡周期。

1974年秋天,布鲁克斯在日中峰天文台,利用共振散射方法测定太阳吸收线的多普勒位移的绝对值,进行了十多天的观测,也观测到了太阳160分钟的振荡周期。

太阳160分钟振荡周期被观测到以后,许多天文学家对它表示怀疑。有人认为这种振荡可能是一种仪器效应,也可能是地球大气周期性变化的反映。后来,美国斯坦福大学的一个天文小组用磁象仪观测到了太阳的160分钟振荡周期。一个法国天文小组在南极进行了128个小时的连续观测,同样观测到了160分钟太阳振荡周期。南极夏季每天24小时都能看到太阳,不存在大气的周日活动问题。另外还有两个相距几千公里的天文台同时进行观测,也都观测到太阳的这种长周期振荡。这两个台相距遥远,在长时间观测中大气的影响可以相互抵消了。太阳长周期振荡的现象终于得到了证实,疑问才被打消。

太阳表面到处振荡不停,不仅有升有落,而且有快有慢,这是一幅十分蔚为壮观的景象。

振荡产生的原因

太阳振荡是怎样产生的?这是科学家们最关心的事情。目前,科学家们已经认识到,太阳振荡虽然发生在太阳表面,但其根源一定是在太阳内部。使太阳内部产生振荡的因素可能有三个,即气体压力、重力和磁力。由它们造成的波动分别称为“声波”、“重力波”和“磁流体力学波”,这三种波动还可以两两结合,甚至还可以三者合并在一起。就是这些错综复杂的波动,导致了太阳表面气势宏伟的振荡现象。人们认为,太阳5分钟振荡周期可能是太阳对流层产生的一种声波,而160分钟的振荡周期则可能是由日心引起的重力波。但是,这些解释究竟正确与否,目前还不能完全肯定。

声波是一种比较简单的压力波,它可以通过任何介质传播。太阳的声波是与地球内部的地震波有些相似的连续波,它们传播的速度和方向依赖于太阳内部的温度、化学成分、密度和运动。像地球物理学家通过研究地震波去查明地球内部的构造模式类似,天文学家正利用他们所观测到的太阳的振荡现象,去窥探太阳内部的奥秘。

新知博览——探测太阳中微子

中微子是一种非常奇特的粒子,它不带电,质量很小,大约只有电子质量的几百分之一。早在20世纪30年代初期,科学家就根据理论推测出,在原子核聚变反应的过程中,不仅会释放出大量的能量,而且还一定会释放出大量的中微子。到了50年代中期,科学家通过实验证实了中微子的存在。

太阳的能量,来自4个氢原子核合成一个氦原子核的聚变反应。在太阳内部,时刻都在进行着大规模的核反应,因此中微子也会时刻从太阳内部大量产生出来。中微子具有极强的穿透能力,任何物质都难以阻挡,不论碰上地球还是月球,都可以轻易地一穿而过。而大量的中微子从太阳内部产生后,就浩浩荡荡、畅行无阻地射向四面八方。因此,地球表面每平方厘米的面积上,每秒钟就要遭受到几百亿个太阳中微子的轰击。

经过科学家们多年的努力,1968年终于探测到太阳中微子。然而,出乎人们意料的是,科学家们所探测到的中微子数目要比最初预期的少得多,仿佛有大量的太阳中微子失踪了。这是为什么呢?难道太阳根本没有产生这么多的中微子吗?这个问题引起了科学家的极大重视,成为著名的中微子失踪之谜。

关于太阳中微子失踪的原因,目前科学家认为有好几种可能。第一种可能是目前人们对太阳内部状态的认识有差错,很多天文学家对标准太阳模型提出了很多修改方案,但是始终还没有哪一种修改意见能圆满解释这个问题。第二种可能是现有的原子核反应理论尚有问题。第三种可能是人们对中微子本身的认识并不全面。还有一种可能是太阳内部产生的中微子有很大一部分迅速地改变了本来的面目的,所以人们没能探测到它们。

太阳系中的行星

太阳系中有几颗行星?大多数人都会毫不犹豫地回答:9颗。内行一点的人甚至能更进一步,明确地说出这9大行星的名称来。

然而,太阳系有9颗行星的说法今天已经成为一个过去时了。

新的行星定义

根据国际天文联合会2006年8月24日通过的新的行星定义,新的行星必须满足两点:一是行星必须是围绕恒星运转的天体;二是行星的质量必须足够大,它自身的重力必须和表面力平衡,使其形状呈圆球。一般来说,行星的直径必须在800千米以上,质量必须在50亿亿吨以上。

按照这一定义,太阳系内目前有12颗行星,分别是水星、金星、地球、火星、谷神星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星,以及 “卡戎”(原先被认为是冥王星卫星)和一颗暂时编号为“2003UB313”的天体。

近年来,一些较大的天体先后在太阳系边缘被发现,大小与冥王星相当,有的甚至比冥王星还大,这冲击了传统的行星定义。国际天文学联合会为此专门成立了一个星定义委员会,由天文学家、作家和历史学家共7人组成。经过长达两年多的讨论后,委员会终于就新的行星定义达成一致,并向国际天文学联合会大会提交了相关决议草案。