书城自然宇宙演进
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第22章 太阳系(2)

4)太阳大气。我们能够直接观测到的是太阳的大气层,像地球的大气层一样,按照不同的高度和不同的性质太阳的大气层可分成各个圈层,从里向外分别是光球、色球和日冕三层。光球是我们平常看到的太阳表面,是太阳大气的最底层,温度约是6000开。光球的表面是气态的,其平均密度只有水的几亿分之一,但由于它的厚度达500千米,所以光球是不透明的,因此我们不能直接看见太阳内部的结构。光球层的大气中存在着激烈的活动,用望远镜可以看到光球表面有许多密密麻麻的斑点状结构,很像一颗颗米粒,称之为米粒组织。它们极不稳定,一般持续时间仅为5~10分钟,其温度要比光球的平均温度高出300~400℃。目前认为这种米粒组织是光球下面气体的剧烈对流造成的。色球位于光球的外围,厚2000~3000千米,密度稀薄,光度较低。平时由于光球的强烈光线的影响,看不见这层大气,仅在日全食时,这层大气呈玫瑰色并显示出来,色球的温度随高度上升从底层的几千摄氏度升高到几万摄氏度。色球有突然爆发的现象,我们观察时可以发现特别明亮的斑点,叫作耀斑。日冕是色球之上更为稀薄的太阳最外层大气,可延伸到几倍太阳直径的地方,日冕的温度为106~107开,随高度的增加温度剧增,日全食时出现的一片银白色光辉,就是日冕的形象。由于日冕离太阳远、引力小、温度高、能量大,因而形成脱离太阳引力向外高速度流出的高速电离气体粒子流,这就是太阳风。太阳风的速度很快,5~6天就可到达地球。

(3)太阳活动

太阳发出的不仅是能养育生命的光和热,也发出能杀戮生命的可怕射线和物质粒子。由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光线组成的太阳光只是太阳辐射的一部分,叫作可见光。除可见光外,太阳还发出无线电波、红外线、紫外线、X射线和γ射线等。过量的紫外线、X射线和γ射线都是危及生命的杀手,幸亏地球有大气层保护,把它们挡在大气层外面了。到外层空间去的宇航员,都要穿上特制的宇航服才能避免这些射线的伤害。

太阳大气经常发生大规模的运动,称为太阳活动,表现为黑子、光斑、耀斑、日珥、日冕瞬间变化等现象。太阳活动扰动了太阳系的空间环境,其中最显著的标志是太阳黑子,黑子多的时候,其他活动也会比较频繁。

太阳黑子是指光球不规则的黑色区域,直径约10000千米,黑子并非绝对的黑,只是由于它比周围区域的温度低大约1500开而显得黑。黑子实际上是具有强磁场的低于光球温度的旋涡,它持续的时间为几个小时到几个月。太阳黑子很少单独活动,常是成群出现。黑子的数目时多时少,黑子大量出现的期间,称为太阳活动峰年;黑子很少的期间,称为太阳活动谷年。两个峰年之间的平均周期为11年。

1904年,英国天文学家爱德华·蒙德发现了一幅奇异的景象,记录太阳黑子周期变化的图表竟然呈现出一幅展翅欲飞的蝴蝶图案。蒙德以纬度为纵坐标,以时间(年份)为横坐标,绘出太阳黑子的分布图后,发现渐渐靠近赤道的太阳黑子就像蝴蝶的两只翅膀。如果把几个太阳黑子周期的图案绘制在一起,就组成了一连串翩翩起舞的“蝴蝶”。

太阳黑子活跃时会对地球的磁场和电离层造成干扰,对人们的生活造成很大影响,如指南针不能正确指示方向,动物迷路,无线电通信受到严重影响甚至中断,直接危害飞机、轮船、人造卫星等通信安全。太阳黑子活动对人体健康也有一定危害。在1173~1976年的803年间,地球上发生了56次流行性大感冒,这56次大感冒都出现在太阳黑子活跃的年份,而且在太阳黑子活动高峰期,死于心肌梗死的病人数量也急剧增加。这可能是由于在太阳黑子活动峰年,太阳发射的大量高能粒子流与X射线引起地球磁暴现象导致气候异常,地球上的微生物因此得以大量繁殖,为流行性疾病提供了温床。

有趣的是,一位瑞士天文学家发现,太阳黑子多的时候,气候干燥,农业丰收;黑子少的时候,暴雨成灾。地震工作者发现,太阳黑子数目增多的时候,地球上的地震也多。植物学家发现,植物的生长也随着太阳黑子的出现而呈现11年周期的变化,且黑子多的年份生长快,黑子少的年份生长慢。医学工作者则发现,人类白细胞数目的变化也呈现出11年的周期。

耀斑是色球的某些区域有时会突然出现大而亮的斑块,又叫作色球爆发。1859年9月1日,有两位英国天文学家在观测太阳时,看到一大片新月形的明亮闪光以每秒一百多千米的速度掠过黑子群,然后很快消失了。不久以后,通信中断,地磁台记录到强烈的磁暴,这就是人类第一次观测到的太阳耀斑现象。

耀斑是太阳大气高度集中的能量释放过程,一个大的耀斑可以在几分钟内发出相当于10亿颗氢弹爆炸所产生的能量,射出很强的无线电波、紫外线和X射线,并抛出大量的高能粒子。耀斑对地球有巨大影响,它对地球上的通信有强烈干扰,也对在太空遨游的宇航员构成致命的威胁。

太阳风是太阳发出的高温、高速、低密度的物质粒子,呈螺旋状轰击地球,也是危及生命的杀手,幸亏地球有磁层保护,才使它们无法接近地球。磁层是由地球磁场形成的,在太阳风的冲击下,顶部总是迎着太阳方向,距地面距离为5~10倍地球半径;尾部总是背向太阳,延伸到100~200倍地球半径。磁层像拖着尾巴的彗星,随地球公转不断改变位置。磁层像一条防护林带,阻挡着太阳风吹向地球的大部分高能粒子,使地球上的生命免遭伤害。只有极少量粒子穿过磁层屏障,到达两极上空,同电离层中的大气原子和分子碰撞而发出荧光,使地球的两极地区出现独特而美丽的景观——极光。极光千变万化,有时像飘逸天际的云朵,有时候像横空出世的彩虹,更多时候像高悬天宇的巨大帷幕,发出幽幽的蓝绿色的荧光。

5.2内太阳系

内太阳系在传统上是四颗类地行星——水星、金星、地球、火星和小行星带区域的总称,主要是由硅酸盐和金属组成。这个区域在靠近太阳的范围内,半径比太阳到木星的距离还短。四颗行星共同的特点是密度很高、由岩石组成、只有少量或没有卫星,也没有环系统。它们由高熔点的矿物如硅酸盐类矿物组成表面固体的地壳、半流质的地幔,由铁、镍构成的金属组成核心。四颗行星中的三颗(金星、地球、火星)有实质的大气层,行星的表面都有撞击坑和地质构造的表面特征(地堑和火山等)。

5.2.1水星

在远古的时候,人们就注意到天上许多星星的相对位置是恒定不变的。但有5颗亮星却在众星之间不断地移动。因此人们把“动”的星星称为“行星”,“不动”的星星称为“恒星”,并给5颗行星各自起了名字,即水星、金星、火星、木星和土星。在肉眼能看见的这五大行星中,有一颗是最难以捉摸的,因为它离太阳最近,躲藏在强烈的阳光里令人难以一睹它的容貌,它只会短暂地出现在黎明或者黄昏的霞光之中。也正因为如此,在公元前4世纪以前,希腊天文学家甚至认为它是两个不同的天体,一个出现在日出前,一个出现在日落后。一年到头能看见水星的机会只有几次,每一次也就持续几周。就连鼎鼎大名的天文学家哥白尼也因未曾见到过它而遗憾终身,它就是水星。

按照距日远近,水星在八大行星里排在第一位,是太阳家族的“老大”,但这个老大却是个“武大郎”。水星的直径比地球小60%,地球内部可以放下大约18个水星。但是它的密度却达到5.43克/厘米3,除了地球之外,比太阳系其他行星的密度都要大。水星与地球类似是一颗岩质行星,它由高密度铁质核心和很薄的地幔与岩石外壳构成。据推算,其铁质核心半径达1800~1900千米,而其地幔和地壳加起来只有500~600千米。其内核质量甚至可以占到其总质量的2/3,而相比之下,地球的内核区质量只占地球总质量的1/3。这可能是由于在太阳系早期的狂暴撞击时代,水星曾遭遇严重撞击,导致其失去了密度较低的一部分外壳,从而留下了密度相对较大的铁质内核部分。

由于体积太小,水星没有足够大的引力来留住大气,所以水星上大气很少,只发现了少量气体,其中98%是氦气体,表面气压为10-15个大气压。

水星绕太阳公转仅需88个地球日,比太阳系的其他行星都要快。然而水星本身的自转速度却非常慢,需要59个地球日才能自转一周,这是由于太阳的巨大引力而产生的“潮汐摩擦”作用,减慢了水星的自转周期。水星在自转的同时也在绕着太阳公转,这样一来使得水星的一昼夜长达176个地球日。

因为距离太阳非常近,又缺少大气对太阳辐射的削弱和保温作用,加上缓慢的自转形成了水星上的特殊气候,水星受到太阳光照射的区域非常炽热,特别是受太阳光照射最强的水星赤道附近,这里的温度可以达到430℃,如此高的温度能够使铅熔化;而在极地附近,由于太阳光的入射角度接近于地平线,所以在圆坑般的洼地底部,就会形成一年到头都没有阳光照射的“永久阴影”,据计算,这一区域的表面温度约为210℃。

(2)水星的磁场

水星是太阳系类地行星中除了地球之外唯一一颗拥有显著磁场的行星(不过尽管如此,它的磁场强度也小于地球磁场强度的1%)。对于一颗行星来说,磁场的有无绝非小事,就拿地球磁场来说,它构成了地球上生命的保护伞,帮助抵挡有害的太阳射线和其他宇宙射线,从而造就了生命的乐园。所罗门博士将地球磁场称为“我们的辐射保护伞”,如果没有地球磁场,地球上的生命将很难出现和演化。

部分科学家认为水星在形成的早期阶段,它的液态核心还没有完全凝固,在这个时候产生了水星磁场并保留至今。不过这样的观点受到很多人的反对,认为是根本不可能的。因为在过去的几十亿年当中,放射性元素产生热能,或者其他像陨星袭击等原因,会使水星内部某些部位的温度上升到使物体丧失磁性所需的温度,从而使其残留下来的磁场完全消失。所以即使当时保留了部分磁场,现在也早已消失了。

还有部分科学家认为,水星的磁场是由于水星和太阳风持续不断地相互作用而产生的。但是这个观点被更多人反对,因为这种相互作用虽然会由感应而产生磁场,但不可能产生与自转轴平行的对称性磁场。直到现在,水星磁场的原因还是一个未解之谜。

(3)水星凌日现象

想要一睹水星的“芳容”,只能寄希望于偶遇而非强求,只有水星从太阳面前经过时,人们才可以看见在明亮的太阳圆盘背景上出现了一个缓慢移动的小黑点,这种现象叫作“水星凌日”。水星凌日现象每100年平均发生13次,需要用望远镜和掌握技巧的人指导才能看到,再加上阴雨天无法观测,真实观测机会更少。上两次看到的水星凌日发生在2006年11月8日和2003年5月7日,未来最近两次可能看到水星凌日将是2016年5月9日和2019年11月11日。

5.2.2金星

金星是一个美丽的行星,在天空很容易被观测到。古罗马人被她美丽的外表所征服,将她称之为维纳斯——爱与美的女神。中国古人称金星为“太白”或“太白金星”,也称“启明”或“长庚”(傍晚出现时称“长庚”,清晨出现时称“启明”)。由于金星的大气层太厚,吸收了太阳光线中的蓝色部分,所以金星是一个橙黄色的世界,天空、云、地表上的物体全是橙黄色的,这也是它名称的由来。

(1)金星的特征

金星是距离地球最近的行星,离地球最近时大约相距4200万千米,金星长期以来被当作地球的姐妹星,这是由于它与地球在体积、质量、密度和重量上都十分相似,以至于有人一直以为地球和金星是一个双子星系统。金星是太阳系中第6大行星,金星的面积与地球相似,半径6100千米,是地球半径的96%,如果地球像篮球这么大,则金星就像足球。金星的质量为4.87×1024千克,是地球的81.5%,平均密度约为地球的95%。金星有一层非常浓密的大气,表面气压相当于地球的90倍,主要由二氧化碳组成,此外还有少量的氮、氩、一氧化碳、水蒸气,氯化氢和氟化氢等。

长期以来,科学家们认为金星像地球一样拥有深海、大片雨林、还有悬崖,以至于太空时代以前,人们普遍认为金星上也有智慧生命。然而事实却并非如此,金星与其说是地球的好姐妹,不如说是个恶魔兄弟。