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第9章 太阳之谜(3)

可是,如果这种说法成立的话,那么要想维持太阳发出的巨大能量,在近2000年内坠落在太阳表面上的流星应该使太阳的质量显著增加,而这就会影响行星的运动。但从8大行星目前的运动情况来看,它们的变化并不显著。况且按照牛顿的万有引力理论,流星是不会在太阳上空漂浮的,也不会大量落在太阳上,它们绕太阳运行都是遵循的闭合轨道。因此,流星说也是不成立的。

收缩说

关于太阳能量的来源,第一个可称得上“理论”的是太阳“收缩说”,这是天文学家亥姆霍兹在1854年提出的。

亥姆霍兹认为,像太阳那样发出辐射的气团因为冷却必定会收缩。在收缩中当气团分子向太阳中心坠落时,就会转变成动能,进而再转变为热能,从而维持太阳所发出的热量。

但是,通过科学计算我们可以发现,如果这样下去太阳的寿命超不过5000万年的,而现今太阳已经45亿岁了。面对事实,连亥姆霍兹自己也要对他提出的的“收缩说”摇头了。

核燃烧说

我们根据光谱分析,早已知道太阳中含有丰富的氢以及少量的氦。可见,这两种元素一定与太阳能有密切的关系。1911年人们发现了原子核,然后开始猜测太阳能量也可能是源自原子核反应中的释放。比如,通过核反应,已知几个组成原子核的核子结合在一起,就会放出能量。例如通过核反应,4个氢结合成1个氦,就能放出20兆电子伏特以上的能量。爱因斯坦曾提出过著名的质能关系式“E(能量)=m(质量)×C2(光速)”,按照这个公式,我们可以计算出,4个氢核质量约等于4000兆电子伏特的能量,核燃烧后的“质量亏损率”为Am/m=20/4000=5×10-3。而通过质能关系,从太阳的辐射功率同样可以估计出太阳每秒减少的质量为4×106吨,与太阳总质量(2×1027吨)之比是2×10-21,这就是太阳的“质量亏损率”。

比较两者后得出的结论就是:太阳的寿命为几百亿年。于是人们总算明白了:原来太阳中的燃料就是氢,而氦则是它燃烧后的余烬,氢的聚变反应产生了太阳能。而科学家们从太阳光的光谱分析,也证实了太阳里确实存在氢气和氦气。

目前疑团还是远未解开,尽管人类对太阳能量的来源认识在不断步深化。因为作为瞬息之间发生的事,氢弹爆炸反应是在顷刻之间完成的,对于这种聚变反应人们至今无法控制(像裂变反应那样持续进行)。假设太阳真的进行了“氢弹爆炸”,那所有的氢气为什么不是都一起参加反应呢?如果反应的过程所有的氢都参加了,那么反应一次完成之后就理应逐渐冷却了。但是研究证明,太阳光的强度数百万年来并没有丝毫减弱的趋势。如果太阳是在进行大规模的有控制的热核反应,那使太阳中的氢能局部、持续地参与聚变反应需要什么条件呢?由此看来,太阳能量的来源问题,仍是科学家们努力探索的一个未解之谜。

相关链接——太阳的公转与自转

在太阳系中,地球和所有的行星都是在自转的同时绕着太阳公转的。那么太阳作为太阳系中心,是不是也在自转和公转呢?古人是无法对这个问题做出解答的。直到1609年,伽利略发明了望远镜,才使得对太阳是否也在自转着这个问题进行观察成为可能。

与地球自转方向一样,太阳也是自西向东旋转,因此从地球上,我们会看到太阳黑子在日面上的移动方向是自东向西的。作为一个气态球体,太阳的表面不同纬度的地方有着不同的旋转速度,赤道区的速度最大,转一圈只要25天。而旋转速度也随着纬度的增高,越来越慢。到了纬度80度的地方,转一圈就要35天了。

太阳在自转的同时,还率领着整个太阳系绕着银河系的中心飞转(以每秒钟250千米的速度),我们把这种运动称为“太阳的公转”。太阳公转一周大约需要2.5亿年。而太阳在绕银河系的中心公转的同时,还以每秒20千米的速度向着武仙座方向大踏步地飞奔。

太阳黑子为何物

在太阳的光球层上,有一些如同一个浅盘一样的旋涡状的气流,中间下凹,呈现黑色。这些旋涡状的气流就是太阳黑子。

事实上,太阳黑子本身并不会发出黑色,之所以我们看到的是黑色,是因为比起光球来,它的温度要低1000~2000℃,在更加明亮的光球衬托下,它就成为看起来如同没有亮光的、暗黑的黑子了。

太阳黑子是什么

作为一种太阳活动,太阳黑子是在太阳光球层上发生的,是太阳活动中最基本、最明显的活动现象。通常认为,太阳黑子是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡。因为比太阳光球层表面温度低(温度约为4500摄氏度),所以看上去更像一些深暗色的斑点。

通常来说,太阳黑子很少单独活动,而常常会成群出现。黑子由本影和半影构成,它们都是由许多纤维状纹理组成的,并具有漩涡状结构,本影特别黑,半影则不太黑。当黑子群结构呈现漩涡状时,就预示着太阳将有剧烈的变化。

黑子的活动周期为11.2年,届时地球磁场和各类电子产品和电器会受到损害。在开始的4年左右时间里,黑子会不断产生,并越来越多,活动也会逐渐加剧。而所谓的太阳活动峰年,就是在黑子数达到极大的那年。在随后的7年左右时间里,黑子活动会逐渐减弱,黑子也越来越少;所谓的太阳活动谷年,也就是黑子数极小的那一年。

太阳黑子的特性

一个发展完全的黑子由两部分构成:较暗的核和周围较亮的部分,中间凹陷大约500千米。黑子由两个主要的黑子组成居多(通常成对或成群出现),而位于西面的称为“前导黑子”,位于东面的称为“后随黑子”。一个小黑子大约有1000千米,而一个大黑子则可达20万千米。

太阳黑子的形成与太阳磁场密切相关,但至今也没找到它的形成原因。科学家推测,极有可能是强烈的磁场使某片区域的物质结构发生了改变,太阳内部的光和热从而不能有效到达表面,从而形成这样的“低温区”。

太阳黑子产生的带电离子会使地球高空的电离层遭到破坏,使大气发生异常,还会干扰地球磁场,从而使电讯中断。

太阳黑子的周期性

天文学家对黑子周期从1755年开始标号统计,规定太阳黑子的平均活动周期为11.2年。黑子最少的年份为一个周期的开始年,称作“太阳活动宁静年”,黑子最多的年份则称作“活动峰年”。

太阳黑子对地球的影响

作为地球上光和热的源泉,太阳的一举一动都会对地球产生各种各样的影响。既然黑子是太阳上物质的一种激烈活动现象,所以对地球的影响也很明显。

如果太阳上有大群黑子出现,地球上的指南针就会抖动,无法正确指示方向;不仅如此,就连平时善于识别方向的信鸽也会迷路;无线电通讯也会受到严重阻碍,甚至会中断一段时间。飞机、轮船和人造卫星的安全航行、电视传真等方面都会因为这些反常现象而受到很大威胁。

此外,黑子还会引起地球上气候的变化。100多年前,一位瑞士天文学家就发现了在黑子多的时候地球上气候干燥,农业丰收;而黑子少的时候则气候潮湿,暴雨成灾。我国的著名科学家竺可桢也发现,凡是中国古书上记载的黑子多的世纪,中国范围内特别寒冷的冬天也相应的出现得多。还有人对一些地区降雨量的变化情况做了统计,发现每过11年这种变化也会重复一遍,也很可能跟黑子数目的增减有关。

研究地震的科学工作者发现,地震在太阳黑子数目增多的时候也会增加。而次数的多少也有大约11年左右的周期性。

植物学家也发现,树木的生长情况的变化也与太阳活动的11年周期相符合。黑子多的年份树木生长得快;黑子少的年份就生长得慢。

有趣的是,黑子数目的变化甚至还会使我们的身体受到影响,人体血液中白血球数目的变化也存在11年的周期性。

新知博览——太阳耀斑

1859年9月1日,两位英国的天文学家分别用高倍望远镜观察太阳,在一大群形态复杂的黑子群附近同时发现了一大片明亮闪光,它发射出的耀眼光芒掠过黑子群,亮度逐渐减弱,直至消失。这就是耀斑,太阳上最强烈的活动现象。

这次耀斑又被称为“白光耀斑”,因为它非常强大,在白光中也能看到。白光耀斑极为罕见,仅仅在太阳活动高峰时才可能出现。耀斑一般只存在几分钟,个别耀斑能持续几小时。

耀斑出现的时候会释放出大量能量,一个特大的耀斑释放的总能量通常高达1026焦耳(相当于100亿颗百万吨级的氢弹爆炸产生的总能量)。耀斑先在日冕低层爆发,后来下降传到色球。用色球望远镜观测到的称为次级耀斑,是后来的耀斑。

耀斑按面积可以分为4级,由1级至4级逐渐增强,小于1级称为亚耀斑。其显著特征是辐射品种繁多,除了可见光,还有X射线、红外线、紫外线、射电波和伽玛射线。耀斑向外辐射出的大量紫外线、X射线等在到达地球后,会使电离层对电波的吸收和反射作用受到严重干扰,使部分或全部短波无线电波被吸收掉,短波衰弱甚至完全中断。

太阳风是怎么回事

太阳风是从恒星上层大气射出的超声速等离子体流,或者叫带电粒子流。在不是太阳的情况下,这种带电粒子流也常被叫做“恒星风”。作为一种连续存在,太阳风是来自太阳的以200~800千米/秒的速度运动的等离子体流。

虽然这种物质不是由气体的分子组成(与地球上的空气不同),而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成,但它们流动时所产生的效应类似于空气流动,所以称它为太阳风。

发现太阳风

1850年,一位名叫卡林顿的英国天文学家在观察太阳黑子时,发现太阳表面出现了一道持续了约5分钟左右的小小闪光。卡林顿认为自己或许碰巧看到了一颗大的陨石落在太阳上。

到了20世纪20年代时,随着研究太阳仪器的不断更新,更精致的探测仪器出现了。通过观察人们发现,这种“太阳光”其实非常普通,它的出现往往与太阳黑子有关。在1899年,美国天文学家霍尔就发明了一种“太阳摄谱仪”来观察太阳发出的某种波长的光,这样通过太阳大气中发光的氢、钙元素等的光,人们就能拍摄到太阳的照片。结果查明,太阳的闪光并不是所谓的陨石落在太阳上,而不过是炽热的氢的短暂爆炸而已。

小型的闪光非常普通,尤其在太阳黑子密集的地方, 一天就能看到不下100次,特别是在黑子“生长”过程中更是如此。但很少见到像卡林顿看到的那种巨大的闪光,那种闪光一年也只发生几次而已。

不过,因为这种闪光爆发的方向正冲着地球,它也会对地球产生影响。在这种爆发过后,地球上就会一再出现奇怪的事情,比如罗盘的指针会发狂似地摆动,变得不安分起来,因此这种效应也被称为“磁暴”。

天文学家通过更加仔细地研究,发现在这些爆发中显然有炽热的氢被抛出去很远,其中有些还会克服太阳的巨大引力,射入空间。众所周知,氢的原子核就是质子,太阳的周围也有一层质子云以及少量复杂原子核。1958年,美国物理学家帕克就把这种向外涌的质子云叫做“太阳风”。

太阳风的成因

那么太阳风究竟是怎样形成的呢?这就需要我们先了解一下太阳大气的分层情况。

我们通常情况下把太阳大气分为6层,由内往外依次为日核、辐射区、对流层、光球、色球和日冕。日核的半径约占太阳半径的1/4,它集中了太阳质量的大部分,而且太阳99%以上的能量都发生在这个地方;光球也就是我们平常所见到的明亮的太阳圆面,太阳的可见光全部都是由光球面发出的;日冕属于太阳的外层大气,位于太阳的最外层。太阳风就是在这里形成并发射出去的。

从用X射线或远紫外线拍下的日冕照片中,我们可以看到在日冕中,有着大片的暗黑区域(呈长条形或不规则形状),通过人造卫星和宇宙空间探测器拍摄的照片,可以发现在日冕上这些黑暗区域长期存在着,与其他区域相比,这里的X射线强度要低得多,从表观上看就像日冕上的一些洞,我们将其称为“冕洞”。

作为太阳磁场的开放区域,冕洞的磁力线会向宇宙空间扩散,而顺着磁力线大量的等离子体也会跑出去,形成高速运动的粒子流(就是我们前面所说的太阳风)。太阳风从冕洞喷发出去后,会向四周迅速吹散(夹带着被裹挟在其中的太阳磁场)。因此我们可以肯定,太阳风至少可以吹遍整个太阳系。

太阳风从太阳“吹”向地球,一般只需要花费5~6天的时间。它一直可以“吹送”到冥王星轨道以外“日冥距离”(约合50个天文单位,即50×1.49亿公里)的4倍处,才被星际气体所制止。

太阳风对地球的影响

强劲的太阳风“吹”向地球时,也会对地球产生一系列的影响:

首先,它会对地球磁场产生影响。强大的太阳风能把原来条形磁铁式的磁场破坏掉,将它压扁而不对称,形成一个固定的区域——磁层。磁层的外形像一只 “蝉”(头朝太阳,而“尾部”则会拖得很长)。