從太陽(yáng)到地球

□ 喬小海

從太陽(yáng)到地球

□ 喬小海

2976態(tài)淅獎(jiǎng)刀巰賣咕×可冪絨啥表了小說《從地球到月球》，講述三位冒險(xiǎn)家從美國(guó)佛羅里達(dá)乘坐炮彈飛到月球的故事。當(dāng)年的人們可能不曾想到，一百余年后，這本科幻小說的內(nèi)容竟成為現(xiàn)實(shí)。1969年7月16日，巨大的土星5號(hào)火箭從佛羅里達(dá)的肯尼迪航天中心點(diǎn)火升空，將搭乘了三名宇航員的阿波羅11號(hào)飛船送往月球。7月21日，宇航嘲幻冪×鏍寺朱獐桃好徭炮幌奸瞇核甜表面邁出了人類探索宇宙的一大步?，F(xiàn)在，借助旅行者號(hào)等探測(cè)器，人類探索的腳步已遠(yuǎn)達(dá)太陽(yáng)系的邊界，是時(shí)候回過頭來(lái)對(duì)太陽(yáng)本身做一番探究了。太陽(yáng)是離我們最近的一顆恒星，-26.7等的視星等讓其他天體都黯然失色，雖然它只是銀河系千億顆恒星中一顆普通的主序星，但對(duì)人類來(lái)說，它是一個(gè)直徑140萬(wàn)千米的巨大的熾熱等離子體球，集中了99.86%的太陽(yáng)系物質(zhì)，孕育了地球上的萬(wàn)物。

太陽(yáng)結(jié)構(gòu)示意圖

我們將像當(dāng)年凡爾納所做的一樣，用科學(xué)和想象打造一艘超級(jí)宇宙飛船——海洛斯號(hào)*，并乘坐它進(jìn)行一趟從太陽(yáng)到地球的奇妙旅程。海洛斯號(hào)具有耐高溫、高壓的堅(jiān)固外殼，飛船的強(qiáng)勁動(dòng)力使得1.5億千米的日地距離也不再遙遠(yuǎn)。既然有了如此強(qiáng)大的飛船，不妨從太陽(yáng)中心開始我們的探險(xiǎn)吧。從太陽(yáng)的中心到約四分之一太陽(yáng)半徑處的區(qū)域叫作日核，也就是太陽(yáng)的核心。日核的溫度高達(dá)1.57×107開爾文，密度約為1.51×105千克/立方米，超高的溫度和壓力形成了一座天然的核電站。在這座核電站里一系列核聚變反應(yīng)持續(xù)發(fā)生，最終四個(gè)氫原子核合成一個(gè)氦原子核，并放出高能光子和中微子。這座巨大的核電站每秒大約消耗500萬(wàn)噸氫燃料，考慮到太陽(yáng)2×1027噸總質(zhì)量中有71%的是氫，日核部分的氫燃料還可以繼續(xù)支持太陽(yáng)穩(wěn)定地發(fā)光發(fā)熱數(shù)十億年。

本圖由@easynight提供

從日核往外到約四分之三個(gè)太陽(yáng)半徑的區(qū)域叫作中層，又稱輻射層。中層雖然沒有壯觀的核電站，但光子在這一層會(huì)耽擱很久，如果我們駕駛飛船跟隨一個(gè)從日核核反應(yīng)中產(chǎn)生的高能伽瑪光子的腳步的話，那么我們這趟旅途的絕大部分時(shí)間都會(huì)花在中層上。光速雖然是宇宙中最快的速度，但是光子尤其是高能光子會(huì)和物質(zhì)發(fā)生作用。因?yàn)橹袑拥奈镔|(zhì)溫度、密度仍然很高，所以高能光子的平均自由程很短（自由程是指一個(gè)光子能自由地跑上多遠(yuǎn)而不與其他物質(zhì)發(fā)生作用）。高能光子在中層中的運(yùn)動(dòng)有點(diǎn)像通過擁擠的火車站售票大廳，即使是短跑健將也沒法迅速穿越，往往沒走兩步就會(huì)碰到旁邊的人，需要改變方向，不斷地繞來(lái)繞去，不僅所花的時(shí)間比穿過空曠的大廳要長(zhǎng)得多，而且體力消耗也會(huì)大得多。日核中核反應(yīng)產(chǎn)生的高能光子在向外擴(kuò)散的過程中，很容易被中層物質(zhì)吸收，再以較低能量光子的形式發(fā)射出來(lái)，隨后再次吸收，再次發(fā)射，經(jīng)過反反復(fù)復(fù)的吸收和再發(fā)射，光子能量逐漸降低（波長(zhǎng)變長(zhǎng)）。另外一種日核核電站產(chǎn)生的粒子——中微子，則不會(huì)繞這么多彎路，這種粒子極難與其他物質(zhì)發(fā)生作用，所以可以如入無(wú)人之境一般快速地通過中層。

地球磁層示意圖

從中層出來(lái)，大家一定要系好安全帶，因?yàn)閺倪@里往外到太陽(yáng)表面附近是對(duì)流層，該層溫度和密度條件造成了強(qiáng)烈的對(duì)流，飛船會(huì)劇烈地上下顛簸，好像穿越雷雨區(qū)的飛機(jī)一樣。不過雖然顛簸了點(diǎn)，但這一層的景色卻非常的壯觀。前面說到，太陽(yáng)內(nèi)部不是固體而是等離子體狀態(tài)的，所以太陽(yáng)赤道附近的等離子體會(huì)比極區(qū)的轉(zhuǎn)得快，這種自轉(zhuǎn)角速度隨緯度的變化稱為較差自轉(zhuǎn)。在較差自轉(zhuǎn)和科里奧利力的共同作用下，在太陽(yáng)的兩極和赤道之間形成了巨大的子午環(huán)流。因?yàn)榈入x子體中包含了大量的帶電粒子，所以向各個(gè)方向以各種尺度流動(dòng)的等離子體形成了一臺(tái)巨大的發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生了太陽(yáng)磁場(chǎng)和太陽(yáng)上豐富多彩的活動(dòng)現(xiàn)象。

上左：泰德峰天文臺(tái)(Teide Observatory)的望遠(yuǎn)鏡（ChroTel）拍攝的太陽(yáng)像；上右：德國(guó)太陽(yáng)物理研究所（Kiepenheuer）研究人員在觀測(cè)太陽(yáng)；下：日本日出太陽(yáng)衛(wèi)星（Hinode）拍攝的AR 12192。

從發(fā)電機(jī)里出來(lái)，我們就完成了太陽(yáng)內(nèi)部的旅程，飛船開始進(jìn)入太陽(yáng)的底層大氣——光球。之所以叫光球，是因?yàn)槲覀兛吹降目梢姽鈳缀醵紒?lái)自這一層，日核產(chǎn)生的伽瑪光子經(jīng)過千辛萬(wàn)苦、兜了很多圈子來(lái)到光球的時(shí)候，已經(jīng)變成能量小得多的紫外、可見光和紅外輻射了。跟前面幾層相比，光球雖然只有薄薄的幾百千米，但十分重要。太陽(yáng)的半徑和太陽(yáng)的表面都是以光球外邊界為標(biāo)準(zhǔn)定義的。通常說的太陽(yáng)的有效溫度為5770開爾文，對(duì)應(yīng)的就是光球的溫度。太陽(yáng)輻射一半左右的能量集中在可見光，我們的肉眼和植物的葉子對(duì)可見光都很敏感，這也是為什么這個(gè)波長(zhǎng)范圍被稱為可見光的原因。

這里也許有人要問，既然光球以下的部分我們看不到，那又是如何知道里面的情況的呢？這就是物理定律的威力了，通過萬(wàn)有引力定律和行星的運(yùn)動(dòng)我們可以計(jì)算太陽(yáng)的質(zhì)量，通過三角測(cè)量我們可以知道日地距離和太陽(yáng)半徑，通過太陽(yáng)光譜可以估計(jì)化學(xué)組成，加上基于等離子體物理特性而構(gòu)建的方程組，再參考其他恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，最后就得出了描述太陽(yáng)內(nèi)部的物理模型。近年來(lái)人們?cè)谔?yáng)表面發(fā)現(xiàn)了經(jīng)由太陽(yáng)內(nèi)部傳播的波動(dòng)的蛛絲馬跡，就像地面上的地震臺(tái)站可以監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部的震動(dòng)信號(hào)一樣，這門新學(xué)科被稱為日震學(xué)**。通過日震學(xué)等方法，可以對(duì)太陽(yáng)模型進(jìn)行限制和修改，使得我們對(duì)太陽(yáng)內(nèi)部的了解更加深入。

從光球往外分別是色球、過渡區(qū)和日冕，太陽(yáng)磁場(chǎng)好像一位魔術(shù)師，變化出種種神奇的景象，使得這段旅程變得妙趣橫生。大量強(qiáng)磁場(chǎng)聚集的地方會(huì)形成太陽(yáng)黑子，黑子的個(gè)頭常常比地球還大，2014年十月下旬出現(xiàn)在太陽(yáng)南半球的一個(gè)活動(dòng)區(qū)（編號(hào)為NOAA AR 12192）中的黑子就大到在地球上肉眼可見的程度?；顒?dòng)區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)上千高斯，由于強(qiáng)磁場(chǎng)的存在，黑子的溫度比光球平均值要低，所以它們看起來(lái)顯得暗黑。相鄰的多個(gè)不同極性的黑子會(huì)組成黑子群，黑子成群之后，往往就不安分起來(lái)，常常會(huì)有爆發(fā)活動(dòng)，成為太陽(yáng)上的活躍區(qū)域，也就是太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)。活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)不僅強(qiáng)而且復(fù)雜，有些磁力線像麻花一樣扭在一起、有些則像過山車軌道一樣高高地延伸到日冕。就像一根扭緊的橡皮筋，扭纏的磁力線也能儲(chǔ)存能量，當(dāng)它松開的時(shí)候，大量的能量就被釋放出來(lái)，于是一次太陽(yáng)耀斑就爆發(fā)了。從地球上看，耀斑是太陽(yáng)上突然出現(xiàn)并快速變化的一塊亮斑，但是如果乘坐海洛斯號(hào)抵近觀察，耀斑會(huì)比地球上最猛烈的風(fēng)暴還要驚心動(dòng)魄。太陽(yáng)黑子數(shù)目有一個(gè)約十一年左右的變化周期，叫作太陽(yáng)活動(dòng)周，活動(dòng)周峰年的時(shí)候太陽(yáng)上可以同時(shí)出現(xiàn)十幾個(gè)活動(dòng)區(qū)，活動(dòng)周谷年的時(shí)候有時(shí)一個(gè)活動(dòng)區(qū)甚至一個(gè)黑子也沒有。

太陽(yáng)黑子數(shù)變化

美國(guó)SDO衛(wèi)星拍攝的極紫外304埃波段的太陽(yáng)像，圖中右下的亮斑即為發(fā)生耀斑的AR 12192，左上方的黑色暗帶是一個(gè)巨大的暗條。

美國(guó)SDO衛(wèi)星拍攝的極紫外171埃波段的太陽(yáng)圖像

日冕物質(zhì)拋射

活動(dòng)區(qū)之外的區(qū)域也不是非常的寧?kù)o，比如有些區(qū)域某一種極性的磁場(chǎng)占多數(shù)，該區(qū)域溫度、密度比周圍要低，在極紫外和X射線波段看來(lái)就像太陽(yáng)上的一個(gè)大而且形狀不規(guī)則的黑洞，因此被稱為冕洞。因?yàn)槊岫词菃我粯O性占主導(dǎo)的，其上的磁力線是開放的，太陽(yáng)上高能粒子可以通過冕洞跑到行星際空間去。有時(shí)候磁場(chǎng)這個(gè)魔術(shù)師會(huì)將一些低層的物質(zhì)托舉到很高的地方，并且保持幾天甚至幾周，因?yàn)檫@些物質(zhì)溫度較低，會(huì)吸收掉一些從背景來(lái)的光，于是在色球圖像上就表現(xiàn)為暗的條帶狀結(jié)構(gòu)，被稱為暗條。暗條如果出現(xiàn)在日面邊緣，會(huì)顯得比黑暗的太空更亮，成為太陽(yáng)邊上的一個(gè)明亮的突起，就被稱為日珥。所以暗條和日珥其實(shí)是一對(duì)雙胞胎兄弟，一旦爆發(fā)起來(lái)威力一樣大，會(huì)把大量的物質(zhì)拋到行星際空間，形成所謂的日冕物質(zhì)拋射。日冕雖然很稀薄，但是溫度非常高，高溫中隱藏著一個(gè)巨大的謎團(tuán)。光球作為太陽(yáng)大氣的低層，溫度較低、密度較高，從色球開始，密度不斷下降，但是溫度卻一路上升，到了日冕已達(dá)上百萬(wàn)度。日冕當(dāng)中并沒有核反應(yīng)釋放能量，那為何會(huì)比里面更熱呢？這就是太陽(yáng)物理中的一大難題——日冕加熱問題。時(shí)間所限，讓我們把這個(gè)難題和太陽(yáng)上其他一些活動(dòng)現(xiàn)象，比如針狀體、噴流、冕雨等，留給將來(lái)的旅行進(jìn)行探索吧。

隨著我們的飛船遠(yuǎn)離太陽(yáng)表面，物質(zhì)變得越來(lái)越稀薄，逐漸進(jìn)入行星際空間。雖然行星際空間接近真空，每立方厘米空間里可能只有幾個(gè)粒子，但也并不是空無(wú)一物的。太陽(yáng)風(fēng)以數(shù)百千米每秒的速度常年吹拂，直至太陽(yáng)系的邊緣；有時(shí)日冕物質(zhì)拋射拋出的磁化等離子體以每秒上千千米的速度呼嘯而過，橫掃行星際空間。至此我們的旅程已接近尾聲，打開太陽(yáng)風(fēng)帆和太陽(yáng)能板作為輔助動(dòng)力，海洛斯號(hào)踏上了回家的路。地球——我們的蔚藍(lán)的行星靜靜地懸掛在黑暗的天空，外層淡藍(lán)色的大氣圈若隱若現(xiàn)，保護(hù)著地面上的人免受來(lái)自太陽(yáng)和其他天體的伽瑪射線、X射線等高能輻射的傷害。在可見的大氣圈的外部，還有肉眼看不見的磁層在保護(hù)著我們，來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)和日冕物質(zhì)拋射的高速粒子被地球磁層所阻擋，有時(shí)會(huì)有意外的驚喜——出現(xiàn)絢麗多彩的極光。在美麗的極光的光輝中，海洛斯號(hào)緩緩降落，但是人類對(duì)太陽(yáng)的探索才剛剛開始。通過太陽(yáng)這個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)室，我們可以得到地球上無(wú)法獲得的數(shù)據(jù)；通過對(duì)這顆離我們最近的恒星的研究，我們可以了解遙遠(yuǎn)星系的奧秘，這也許就是天文學(xué)的魅力所在吧。

*海洛斯（Helios）

是希臘神話中的太陽(yáng)神，Helio-這個(gè)前綴被用在很多和太陽(yáng)有關(guān)的詞匯中，比如日球?qū)樱℉eliosphere），就是Helio加上Sphere（球體）組成。

**日震學(xué)（Helioseismology）

即Helio+seismology（地震學(xué)）。

使用NASA IMAGE衛(wèi)星拍攝紫外南極光圖像合成的假彩色圖