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万物生长靠太阳,其实科学的发展也离不开对于太阳的研究。太阳物理学是天文学中的一个重要分支。

挪威太阳物理学家保罗•布雷克这父亲也从事太阳研究,实际上他从刚开始学走路的时候,就在挪威的哈勒斯图亚太阳天文台生活了,长大之后又成为了一位专业的太阳天文学家,成为挪威和欧洲空间局、美国国家航空航天局的太阳研究项目的领军人物。

他为公众写成的《我们的太阳》图文并茂,浅显易懂,从古老的极光传说,到最新的太阳物理之谜,把太阳方方面面的秘密抖了个遍,一定会让你拿得起,放不下。

如今春分已过,太阳回到了北半球,让我们在春暖花开的季节,一边晒着太阳,一边了解这位年龄已经45亿岁,既温柔又暴躁的太阳老公公吧。

有句话说,“一个民族需要仰望星空的人”,不过呢,夜晚的温柔我们对宇宙有一种迷思,让我们以为宇宙是如此的静谧安详。我们之所以有这样的感觉,是因为我们居住在地球上。我们的地球是太阳系里的一颗行星,在这颗行星上,我们自由地呼吸,享受着和煦的阳光。这一切都是因为地球特别的环境,以及它与太阳的微妙关系。

太阳是个超级土豪

我们居住在地球大气层的底部,大气层就像厚厚的毯子盖在我们身上,为我们保持了合适的温度,它还跟地球磁场一起,替我们挡住了来自宇宙的危险。如果没有大气层,裸露的地球直接面临温度接近绝对零度(零下273摄氏度)的太空,那会是什么情形,看看月亮就知道了——白天接受太阳照射“发高烧”达到127摄氏度,夜晚降到零下183摄氏度。

处在离太阳1.5亿千米的我们,接收到太阳的能量是每平方米1366瓦,这是垂直于阳光方向的数值,也就是进入地球大气层的能量密度。因此,地球接收到的太阳光总能量是1.740×1017瓦,这个数字是非常恐怖的,为什么呢?因为目前我们人类每年消耗的总能源大约是年5×1017千焦,也就是只相当于3000秒也就是8.3小时的太阳光能量。人类辛辛苦苦一年干的力气活儿,只相当于太阳的一个工作日!更何况,我们接收到的太阳光能量,又仅仅是太阳本身辐射出来总能量的20亿分之一!这就相当于太阳往宇宙中撒了两千万人民币,我们地球只接住了其中一分钱!

看到这里,你可能想到,哇!我们应该更积极地利用太阳能,即使不能亩产万斤,至少可以缓解世界上的能源危机了。不过天文学家看到这些数据,会想到另外一件事儿,太阳是如何产生如此的巨大能量的?

表现太阳内部结构的艺术剖面图

表现太阳内部结构的艺术剖面图,摘自《我们的太阳》一书。图片来源:NASA

从太阳来的诺贝尔奖

太阳的巨大能量从而来,也就是“太阳发光之谜”,曾经令天文学家们苦苦困扰了上百年。一直到1920年代,英国物理学家爱丁顿才提出猜想,应该是太阳内部发生的核聚变反应,提供了源源不断的能量,1938年贝特(Hans Bethe)完成了关于太阳内部氢聚变成氦的热核反应过程的计算。这个贡献解决了恒星能源之谜,从而让他获得了1967年的诺贝尔物理学奖。

在核聚变过程中,除了发出光、正电子之外,还会发射出来一种“看不见摸不着的”的粒子,称为中微子。天文学家约翰•巴考尔(John Bahcall)建立了“标准太阳模型”,他预言每秒钟就有数以万亿的中微子穿过我们身体,但我们没有任何感觉,也就是中微子几乎不会跟我们发生任何作用(要是作用显著的话,那就变成灾难大片《后天》的情景了),但是在随后美国Homestake金矿和日本神冈地下实验的测量中却发现,测量到的太阳中微子流量只是预期中的三分之一。这个问题被称为“太阳中微子丢失之谜”(solar neutrino problem)。

一直到1998年和2002年,日本超级神冈和加拿大SNO实验室才观测到确切证据,证明中微子没有丢失,中微子其实有三种,它们可以相互转化。从太阳里出来的时候,只有一种电子中微子,在飞行过程中,它有三分之二转化成了另外两种。

这下我们可以放心了,太阳这个巨大的能量之源,还是牢牢地掌控在科学家的方程之中。有意思的是,在2002年,雷•戴维斯与小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)由于发现“太阳中微子丢失”而被授予诺贝尔物理学奖(其实在这时,“丢失之谜”的答案刚刚被找到,正因为“丢失之谜”被解决,人们才注意到这个问题的重要性)。到2015年,解决“丢失之谜”的科学家梶田隆章(小柴昌俊的学生)及SNO实验室的亚瑟•麦克唐纳也拿到了(慢了半拍的)诺贝尔物理学奖。看来诺贝尔奖委员会还真是“不见兔子不撒鹰”啊!

虽然有了“太阳标准模型”,实际上关于太阳还有很多未解之谜,比如太阳黑子周期是怎么回事儿,日冕温度为什么比太阳本体还高,太阳风是怎么被抛射出来的,太阳磁场究竟是怎么回事儿,太阳是怎么形成,又将在何时发生爆炸毁灭太阳系……有许多问题都是诺贝尔奖量级的难题。因此天文学家们正在动用地面、太空望远镜各种手段密切关注太阳。

极光之谜

其实从太阳而来的巨大能量早就有了征兆,只是我们不理解而已。在地球的高纬度地区,夜晚经常可以看见极光(Aurora)。极光异常壮丽,是横跨天空的巨大绿色、红色、蓝色光带,还会轻轻飘舞,令人心醉神迷。极光看上去很美好,但它却是太阳“脾气暴躁”的证据。

阿拉斯加熊湖上空的北极光

阿拉斯加熊湖上空的北极光。图片来源:USA Air Force,摘自《我们的太阳》一书

除了发出光和热,太阳还会发出高能的带电粒子流,其中主要是电子和质子。太阳风的速度非常大,可以高达160万千米每小时,有时候狂风速度还会更大。如此狂躁的太阳风会严重伤害生命,所以载人航天的防护非常重要,要能够把这些高能粒子屏蔽在飞船之外,要是出舱活动,宇航员要穿上厚厚的宇航服。

在地面上,幸好地球有一个厚厚的大气层保护我们,而且它还有一个隐形的帮手:地球磁场。地球磁场的磁力线从南北极出来,在地球周围形成像多层笼子一样一个场。来自太阳的带电粒子被地球磁场俘获,会在这个磁场中运动,输送到南北极区域。当这些粒子流在南北极冲进地球大气层的时候,跟高层大气原子发生强烈的摩擦,把能量传输给大气原子,会产生某些特定颜色的光。这就类似日光灯或者霓虹灯的发光机制,也就产生了我们看到的美妙的极光。在中国古代传说里,北方有一种神兽叫做“烛龙”,它的形体巨大,在空中摇摆。民俗学家认为,它可能就是源自古人看到的极光,或者听说过的北方极光传说。

磁层

地球磁层保护我们免受太阳粒子的危害。不过有些粒子依然能够从这个保护盾的“间隙”进入大气层,产生白日极光。来自太阳的大部分粒子在地球背向太阳一侧穿透磁层,然后沿着磁力线去往极地区域。图片来源:T.Abrahamsen/ARS,摘自《我们的太阳》一书

当太阳活跃,太阳风非常强烈的时候,有时候在中低纬度都可以看到极光,还可能会对我们的电气设备造成伤害,尤其是我们如今为数众多的卫星等航天器。所以在现代的天气预报之外,又加了另外一项“太空天气预报”,提前知道太阳的活动,尤其是那些被抛射出来的大团的高能粒子,进行防护或躲避。

庆幸地生活在地球上

所以我们能够生存在地球上,是由一连串的巧合条件造成的。我们离太阳的距离不太近,也不太远,正好适合液态水的存在。像水星离太阳太近,它的大气层已经被太阳给剥光了,像木星土星,离太阳又太远,如果地球位于这样的位置,行星也是冰冻的。如果没有地球大气层,我们就会像月亮一样,白天温度非常高,夜晚温度非常低。这种温度剧烈变化、冰火二重天的世界,是很难适合生命存在的。地球磁场帮我们抵挡了来自太阳的高能粒子,从而免于电离辐射的伤害。

我们所在的太阳系刚诞生时可能的样子

此图表现了我们所在的太阳系刚诞生时可能的样子。图片来源:NASA/FUSE/LynetteCook,摘自《我们的太阳》一书

所以宇宙环境对于生命来说并不友好,地球和太阳的关系微妙而复杂,地球的种种条件,让它成为难得的承载生命的一艘“宇宙飞船”。在这次飞船上,我们能够享受来自太阳的能量,却又不被它伤害。

我们日常所需要利用的也仅仅是太阳光中的可见光部分(还有部分紫外线和红外线)。而大气层的防护和我们在宇宙中的位置,又让我们可以非常安全的观测太阳,理解太阳。太阳是我们了解宇宙,尤其是了解恒星的非常好的样本。

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2 Responses to “我们的太阳:慈爱的长辈,还是残酷的暴君?”

  1. illusiwind说道:

    "看到这里,你可能想到,哇!我们应该更积极地利用太阳能,即使不能亩产万斤,至少可以缓解世界上的能源危机了。不过天文学家看到这些数据,会想到另外一件事儿,太阳是如何产生如此的巨大能量的?"
    你把freeman dyson放到哪里去啦?lol

  2. illusiwind说道:

    所以说,如果太阳风危害那么大,那么当磁极翻转的时候,地球上的生物圈受到了什么影响?造成大灭绝了么?还是反而促进变异,造成物种大爆发?
    查了一下,好像相关研究很难做,目前没有发现相关性。

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