书城童书你不了解的太阳系之谜
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第2章 太阳篇(1)

太阳的起源假说

灾变学说

这个学说是法国的布封首先提出的。认为太阳是最先形成的,然后在一个偶然的机会中,一颗恒星(或彗星)从太阳附近经过(或撞到太阳上),它把太阳上的物质吸引出(或撞出)一部分。

这部分物质后来就形成了行星。根据这个学说,行星物质和太阳物质应源于一体,它们有“血缘”关系,或者说太阳和行星是母子关系。他们都把太阳系的起源归结为一次偶然的撞击事件,而不是从演化的必然规律去进行客观的探讨。由于银河系中行星系是普遍存在的,太阳系绝不是唯一的行星系,只有从演化的角度去探求才有普遍意义。就撞击来说,小天体如果撞击到太阳上,它的质量太小,不可能把太阳上的物质撞出来,反而会被太阳吞噬掉。1994年彗星撞击木星就是强有力的例证。21块彗核对木星发起连续的攻击,但在木星表面仅引起了一点小小的波动,如果说恒星与太阳相撞,这种把太阳上的物质撞出来的概率就更小了。因此,曾提出灾变学说的一些人,后来也自动放弃了原有的观点。

星云说

这种观点的首创者是德国伟大的哲学家康德。几十年以后,法国着名数学家拉普拉斯又独立地提出了这一问题。他们认为,整个太阳系的物质都是由同一个原始星云形成的,星云的中心部分形成了太阳,外围部分形成了行星。然而,康德和拉普拉斯在这个问题上也存在着分歧,康德认为太阳系由冷的尘埃星云进化演变而成,先形成太阳,后形成行星。拉普拉斯则相反,认为原始星云是气态的,且十分灼热,因其迅速旋转,先分离成圆环,圆环凝聚后形成行星,太阳的形成要比行星晚些。尽管他们之间有这样大的分歧,但是大前提是一致的,因此人们把他们捏在一起,将这种观点称为“康德-拉普拉斯假说”。

俘获学说

这个学说认为太阳在星际空间运动中,遇到了一团星际物质,太阳靠自身的引力把这团星际物质捕获了。后来,这些物质在太阳引力作用下开始加速运动,就像在雪地里滚雪球一样,由小变大,逐渐形成了行星。

尽管各种假说都有充分的观测结果为依据和理论根据,但也都有致命的不足,所以迄今为止仍然没有一种假说被普遍接受。

太阳是什么样子

光芒万丈的太阳是自己发光、发热的炽热的气体星球。它表面的温度约6000益,中心温度高达1500万益。太阳的半径是696000千米,是地球半径的约109倍。它庞大的身躯里可以容纳130万个地球。太阳的质量为1.989伊1027吨,是地球质量的332000倍,是八大行星总质量的745倍。知道了太阳的体积和质量,你能不能知道太阳的密度呢?先想一想。太阳的平均密度是每立方厘米1.4克,约为地球密度的1/4。太阳与我们地球的平均距离约1.5亿千米。这是一段多么遥远的空间距离啊!光的速度每秒约30万千米,从太阳上发出的光到达地球需要8分多钟。这段距离在天文学家们的眼里,认为并不遥远,他们常常把这段距离当做测量太阳系内空间的一把尺子,给它一个名称叫“天文单位”。拿这把尺子去衡量水星与太阳的平均距离是0.387个天文单位。木星与太阳的距离是5.2个天文单位。

你看,这是多么大的一把尺子啊!正因为如此,我们从地球上看到的太阳才好似“圆盘”

大小,它在天空中对我们的张角大约半度。然而,我们已充分感受到了太阳强烈的光芒和酷热的照射。你可以静静地想一想,地球上的动物、植物和微生物,不都是靠太阳来维持生命吗?埋在地下的煤、石油和水,不也是太阳能量的转换产物吗?地球大气和海洋的活动现象不也是太阳能量的作用吗?地球上除原子能以外,太阳是一切能量的总源泉。“万物生长靠太阳”确有它深刻的内涵。说到这里,不知你有没有想到这样的问题:太阳慷慨无私,向我们免费提供如此巨大的能量,整个地球接收的太阳能有多少呢?太阳发射出的能量有多大呢?科学家们设想在地球大气层外放一个测量太阳总辐射能量的仪器,使它垂直太阳的光束,这样测得的辐射不受地球大气影响,在每平方厘米的面积上,每分钟接收的太阳总辐射能量约是8.25焦耳。这个数值叫太阳常数。这个能量足以使1立方厘米的水温升高约2益。如果将太阳常数乘上以日地平均距离作半径的球面面积,这就得到太阳在每分钟发出的总能量,这个能量约为每分钟2.273伊1028焦耳。如果再把这个热辐射能换算成机械功率,约为3.68伊1023千瓦。然而,太阳虽然做出如此惊人的奉献,但是地球上仅接收到这些能量的二十二亿分之一。可是,就是这微乎其微的能量,足以使地球上享受到温暖和充足的阳光。太阳每年送给地球的能量约相当于100亿亿度电的能量。比全世界总发电量要大几十万倍,太阳能取之不尽,用之不竭,又无污染。随着科学技术的飞速发展,人类必将在利用太阳能方面再创辉煌。

太阳“斑点”——太阳黑子

太阳的表面并不是无瑕的,有时也会出现或多或少的黑斑,这就是太阳黑子。我国对黑子的观测可以说是源远流长。各国学者公认的世界上最早的太阳黑子记录,详细地记载在我国古书《汉书·五行志》里:“汉成帝河平元年三月乙未,日出黄,有黑气大如钱,居日中央。”据专家考证,乙未应为己未。这指的是公元前28年5月10日的一次大黑子。这条记录不仅说明了黑子出现的日期,还描述了黑子的大小、形状和位置。其实,我国还有更早的黑子记录,公元前140年前后成书的《淮南子·精神训》中有“日中有踆乌”的记载,踆乌就是黑子。再往前推,甚至可以上溯到3000多年前的殷代,殷墟出土的甲骨文中就不乏太阳黑子的记录。近些年来,我国天文工作者从公元前781至1918年约2700年的历史典籍中,查出数百条有关黑子的记载,它们是极其宝贵的科学遗产。现代太阳物理学创始人、美国着名天文学家海耳曾高度赞扬说:“中国古人测天的精细和勤勉,十分惊人。”

远在欧洲人之前约2200年,就有黑子观测,历史记载络绎不绝,而且记录得比较详细和确实,毫无疑问是可以通过考证而得到确认的。欧洲人观测太阳黑子开始于意大利天文学家伽利略。1610年,伽利略用望远镜在雾霭中观察太阳,并看到了太阳黑子。与他同时使用望远镜观测太阳黑子的还有德国的赛纳尔、荷兰的法布里修斯和英国的哈里奥特。从肉眼直接观测到使用望远镜观测,标志着人类对太阳黑子现象的研究逐渐走向科学阶段,伽利略之后,人们对太阳黑子的研究如雨后春笋,蓬勃开展,不但揭示出太阳活动奇妙的规律,而且就太阳活动对人类环境和人类自身的影响,有了越来越多的了解。特别是进入20世纪以来,天文学家对黑子磁场、黑子光谱、黑子物理状态做了大量研究,建立了完整的黑子形成和演化理论。

太阳黑子很可怕吗

2005年3月下旬,太阳表面出现了一个庞大的黑子,面积比地球表面积大13倍,是近十几年来最大的太阳黑子。据了解,黑子所在区域已经出现了4次耀斑以及两股朝向地球的强大日冕喷射。

谈到太阳黑子首先要了解太阳的基本层面。我们把太阳发光的圆形球面称为光球层,光球层以上称为色球层,再往上是过渡层,最外围是日冕层。

太阳黑子是指太阳光球上的黑色斑点。若干黑子组成黑子群。黑子看上去黑是因为那里的温度比周围低。通常太阳光球面的温度为6000益左右,而黑子的温度只有4500益左右。因而黑子就显得黑了。

黑子往往成群出现,而且大多数是成双成对的,每一对黑子的极性相反。

黑子的聚集的区域称为太阳活动区。为什么把黑子的聚集区域称为太阳活动区呢?那是因为这些区域中往往出现能量巨大的活动现象,如太阳耀斑,暗条爆发等。太阳耀斑是太阳上常见的太阳活动现象。耀斑的能量很大,一个普通耀斑的能量也可能相当于数百亿个氢弹的爆炸能量。

除了耀斑和暗条爆发之外,还有一类称为日冕物质抛射的现象。日冕物质抛射起因于太阳磁场的变化。

太阳活动的实质就是太阳在短时间内向周围的空间释放巨大的能量。这些能量以电磁波、高速等离子体流、激波、高能粒子流等方式进入日地空间,进而引发日地空间的剧烈变化。当这种变化波及地球附近的空间时,就与地球的磁场、地球的大气发生相互作用,引起地球周围的空间环境发生剧烈变化。太阳活动具有11年左右的周期。在这个周期内,太阳黑子数目发生变化,太阳活动的激烈程度也发生变化。通常黑子数量多的时候,太阳活动发生的次数就多。

在地球磁场内部和地球大气层外部,有大量的人造卫星和航天器,还有宇航员。太阳活动触发的日地空间环境的巨大变化对他们不利。

不过由于地球大气的保护,太阳活动对地球上人的身体没有过多的直接伤害。只是太阳紫外辐射流量随太阳活动周期变化,而紫外线流量的变化对人类皮肤有一定影响。因此气象部门也发布紫外线强度预报。这是为提高人类的生活质量服务的。

据了解,随着太阳的转动,这个庞大的黑子会很快离开目前位置,不再朝向地球。

太阳耀斑的破坏力

太阳是地球能量的源泉,如果太阳打个“喷嚏”,地球都会“感冒”。那么,称为太阳上“惊天动地的爆炸”的耀斑,毫无疑问地会对地球造成强烈的影响。耀斑发射出强烈的短波辐射;严重地干扰了地球低电离层,使短波无线电波在穿过它时遭到强烈吸收,致使短波通讯中断。耀斑发射的带电粒子流与地球高层大气作用,产生极光,并引起磁爆。耀斑的高能粒子会对在太空遨游的宇航员构成致命的威胁。近些年来,科学家还把地球演变、地震、火山爆发、气候变化,甚至心脏病的发生率、交通事故的出现率与耀斑爆发联系起来。为了避免和减轻耀斑造成的危害,许多科学工作者正孜孜不倦地从事耀斑预报的研究。但像地震预报一样,这是一个十分艰深的课题,由于我们对耀斑产生的规律和机制知之不多,充其量只能预测在日面哪些区域可能出现耀斑,至于什么时候出现就很难预料了。

最近,北京天文台的艾国样等一些天文学家在观测中发现,在耀斑爆发出现前数小时,日面磁场图上呈现红移现象,这种耀斑前兆红移现象,反映出物质向下沉降的倾向。学者们认为,对这种现象的深入研究及获得更多的观测结果,有可能为太阳耀斑预报提供一种新的有力手段。太阳耀斑的研究具有重大的意义,其重要性不但在于日地关系的认识方面,也因为它的研究同天体物理学中其他领域的研究有着密切的关系。太阳耀斑现象只是自然界中所广泛发生的耀斑现象中的一个特殊情形。通过对太阳耀斑的研究,可以了解许多其他有关的恒星和星系。同太阳耀斑有关的物理机理也可能用来解释其他天体物理现象,如耀星、射电星系、类星射电源、X射线星和酌射线爆发等。这些都增加了太阳耀斑问题的重要性和天文学家对其研究的兴趣。

太阳内部未解之谜

太阳内部的样子,恐怕谁都不能完全说清楚。因为,人们平常对太阳的观测,不论用的是什么手段,是可见光还是射电波、紫外线、X射线等,基本上只能看到它的表面和大气中的一些现象。日震为我们提供了太阳内部的部分信息,但这种信息很有限,而且也不能深入到太阳最核心的部分。中微子,这种物质结构中的基本粒子之一,向科学家们伸出了支援之手。中微子是什么样的东西呢?它哪来那么大的本领?我们知道,小到纸张、铅笔,以及塑料、橡皮、布匹等,都是由无数分子组成的,而分子一般则是由两个或两个以上的不同化学元素的原子组成,譬如,我们生活中不可缺少的水,就是由两个氢原子和一个氧原子合在一起组成的。那么,原子是由什么东西组成的呢?是由比它还要小得多的基本粒子组成的。到目前为止,已经发现了好几十种基本粒子,如光子、电子、质子、中子等,中微子是其中的一种。中微子的存在早在20世纪30年代初就有人提出来了,20多年后从实验中得到证实。中微子是一种性质很特别的基本粒子,它的质量小得不能再小,几乎接近于零了。它不带电,也不与一般物质打“交道”,是个脾气孤僻又很难跟它“对话”的家伙。有意思的是,太阳中心在热核反应过程中,却产生出大量的中微子,每秒钟约200万亿亿亿亿个。由于它对别的物质概不理睬,浩浩荡荡迅速穿过太阳内部各层,直奔空间,其中一部分就直奔地球而来。

根据理论来推算,每秒钟每平方厘米的地面上大概落下600亿个中微子,我们的头顶上要承受多少中微子的袭击呀!比雨点密了多少倍呀!不过,我们一点都不必担心,中微子的质量实在是太小太小了,我们对它没有丝毫的感觉,也不会受到它任何的伤害。从太阳核心部分来的中微子,必然带着核心部分的宝贵信息,如此大量的中微子亲临地球,向人类报告太阳内部的温度、压力、密度和各种物理状况,这对人类来说,真是“踏破铁鞋无觅处”的绝好机会。

太阳为什么会发热呢

太阳表面的温度在6000益左右。炼钢炉里面的温度一般只有1700益,还不到太阳表面温度的1/3。太阳表面的所有物质都是电离的“等离子体”,太阳中心的温度据推算为2000万益以上。所以说太阳是个超大超高温的火球。太阳每秒钟散发出来的热量为380亿亿亿焦耳,相当于地球上每平方千米爆炸180个氢弹的能量。而我们地球只得到了太阳能量的二十二亿分之一,就可以造福苍生了。太阳为什么会有这么高的温度呢?它的能量来自哪里呢?美国物理学家、天文学家贝蒂提出了太阳能源的正确理论,指出太阳能源来自太阳内部的热核聚变。太阳内部充满了氢原子,它们在高温高压下发生激烈的碰撞,其中较轻的氢原子核形成较重的氦原子核,同时释放出大量的能量。这个过程就是“热核聚变”。