从太阳到地球

2015-04-18乔小海

天文爱好者 2015年6期

□ 乔小海

从太阳到地球

□ 乔小海

2976态淅奖刀巯卖咕×可幂绒啥表了小说《从地球到月球》，讲述三位冒险家从美国佛罗里达乘坐炮弹飞到月球的故事。当年的人们可能不曾想到，一百余年后，这本科幻小说的内容竟成为现实。1969年7月16日，巨大的土星5号火箭从佛罗里达的肯尼迪航天中心点火升空，将搭乘了三名宇航员的阿波罗11号飞船送往月球。7月21日，宇航嘲幻幂×镙寺朱獐桃好徭炮幌奸眯核甜表面迈出了人类探索宇宙的一大步。现在，借助旅行者号等探测器，人类探索的脚步已远达太阳系的边界，是时候回过头来对太阳本身做一番探究了。太阳是离我们最近的一颗恒星，-26.7等的视星等让其他天体都黯然失色，虽然它只是银河系千亿颗恒星中一颗普通的主序星，但对人类来说，它是一个直径140万千米的巨大的炽热等离子体球，集中了99.86%的太阳系物质，孕育了地球上的万物。

太阳结构示意图

我们将像当年凡尔纳所做的一样，用科学和想象打造一艘超级宇宙飞船——海洛斯号*，并乘坐它进行一趟从太阳到地球的奇妙旅程。海洛斯号具有耐高温、高压的坚固外壳，飞船的强劲动力使得1.5亿千米的日地距离也不再遥远。既然有了如此强大的飞船，不妨从太阳中心开始我们的探险吧。从太阳的中心到约四分之一太阳半径处的区域叫作日核，也就是太阳的核心。日核的温度高达1.57×107开尔文，密度约为1.51×105千克/立方米，超高的温度和压力形成了一座天然的核电站。在这座核电站里一系列核聚变反应持续发生，最终四个氢原子核合成一个氦原子核，并放出高能光子和中微子。这座巨大的核电站每秒大约消耗500万吨氢燃料，考虑到太阳2×1027吨总质量中有71%的是氢，日核部分的氢燃料还可以继续支持太阳稳定地发光发热数十亿年。

本图由@easynight提供

从日核往外到约四分之三个太阳半径的区域叫作中层，又称辐射层。中层虽然没有壮观的核电站，但光子在这一层会耽搁很久，如果我们驾驶飞船跟随一个从日核核反应中产生的高能伽玛光子的脚步的话，那么我们这趟旅途的绝大部分时间都会花在中层上。光速虽然是宇宙中最快的速度，但是光子尤其是高能光子会和物质发生作用。因为中层的物质温度、密度仍然很高，所以高能光子的平均自由程很短（自由程是指一个光子能自由地跑上多远而不与其他物质发生作用）。高能光子在中层中的运动有点像通过拥挤的火车站售票大厅，即使是短跑健将也没法迅速穿越，往往没走两步就会碰到旁边的人，需要改变方向，不断地绕来绕去，不仅所花的时间比穿过空旷的大厅要长得多，而且体力消耗也会大得多。日核中核反应产生的高能光子在向外扩散的过程中，很容易被中层物质吸收，再以较低能量光子的形式发射出来，随后再次吸收，再次发射，经过反反复复的吸收和再发射，光子能量逐渐降低（波长变长）。另外一种日核核电站产生的粒子——中微子，则不会绕这么多弯路，这种粒子极难与其他物质发生作用，所以可以如入无人之境一般快速地通过中层。

地球磁层示意图

从中层出来，大家一定要系好安全带，因为从这里往外到太阳表面附近是对流层，该层温度和密度条件造成了强烈的对流，飞船会剧烈地上下颠簸，好像穿越雷雨区的飞机一样。不过虽然颠簸了点，但这一层的景色却非常的壮观。前面说到，太阳内部不是固体而是等离子体状态的，所以太阳赤道附近的等离子体会比极区的转得快，这种自转角速度随纬度的变化称为较差自转。在较差自转和科里奥利力的共同作用下，在太阳的两极和赤道之间形成了巨大的子午环流。因为等离子体中包含了大量的带电粒子，所以向各个方向以各种尺度流动的等离子体形成了一台巨大的发电机，产生了太阳磁场和太阳上丰富多彩的活动现象。

上左：泰德峰天文台(Teide Observatory)的望远镜（ChroTel）拍摄的太阳像；上右：德国太阳物理研究所（Kiepenheuer）研究人员在观测太阳；下：日本日出太阳卫星（Hinode）拍摄的AR 12192。

从发电机里出来，我们就完成了太阳内部的旅程，飞船开始进入太阳的底层大气——光球。之所以叫光球，是因为我们看到的可见光几乎都来自这一层，日核产生的伽玛光子经过千辛万苦、兜了很多圈子来到光球的时候，已经变成能量小得多的紫外、可见光和红外辐射了。跟前面几层相比，光球虽然只有薄薄的几百千米，但十分重要。太阳的半径和太阳的表面都是以光球外边界为标准定义的。通常说的太阳的有效温度为5770开尔文，对应的就是光球的温度。太阳辐射一半左右的能量集中在可见光，我们的肉眼和植物的叶子对可见光都很敏感，这也是为什么这个波长范围被称为可见光的原因。

这里也许有人要问，既然光球以下的部分我们看不到，那又是如何知道里面的情况的呢？这就是物理定律的威力了，通过万有引力定律和行星的运动我们可以计算太阳的质量，通过三角测量我们可以知道日地距离和太阳半径，通过太阳光谱可以估计化学组成，加上基于等离子体物理特性而构建的方程组，再参考其他恒星的观测数据，最后就得出了描述太阳内部的物理模型。近年来人们在太阳表面发现了经由太阳内部传播的波动的蛛丝马迹，就像地面上的地震台站可以监测地球内部的震动信号一样，这门新学科被称为日震学**。通过日震学等方法，可以对太阳模型进行限制和修改，使得我们对太阳内部的了解更加深入。

从光球往外分别是色球、过渡区和日冕，太阳磁场好像一位魔术师，变化出种种神奇的景象，使得这段旅程变得妙趣横生。大量强磁场聚集的地方会形成太阳黑子，黑子的个头常常比地球还大，2014年十月下旬出现在太阳南半球的一个活动区（编号为NOAA AR 12192）中的黑子就大到在地球上肉眼可见的程度。活动区的磁场强度可达上千高斯，由于强磁场的存在，黑子的温度比光球平均值要低，所以它们看起来显得暗黑。相邻的多个不同极性的黑子会组成黑子群，黑子成群之后，往往就不安分起来，常常会有爆发活动，成为太阳上的活跃区域，也就是太阳活动区。活动区的磁场不仅强而且复杂，有些磁力线像麻花一样扭在一起、有些则像过山车轨道一样高高地延伸到日冕。就像一根扭紧的橡皮筋，扭缠的磁力线也能储存能量，当它松开的时候，大量的能量就被释放出来，于是一次太阳耀斑就爆发了。从地球上看，耀斑是太阳上突然出现并快速变化的一块亮斑，但是如果乘坐海洛斯号抵近观察，耀斑会比地球上最猛烈的风暴还要惊心动魄。太阳黑子数目有一个约十一年左右的变化周期，叫作太阳活动周，活动周峰年的时候太阳上可以同时出现十几个活动区，活动周谷年的时候有时一个活动区甚至一个黑子也没有。

太阳黑子数变化

美国SDO卫星拍摄的极紫外304埃波段的太阳像，图中右下的亮斑即为发生耀斑的AR 12192，左上方的黑色暗带是一个巨大的暗条。

美国SDO卫星拍摄的极紫外171埃波段的太阳图像

日冕物质抛射

活动区之外的区域也不是非常的宁静，比如有些区域某一种极性的磁场占多数，该区域温度、密度比周围要低，在极紫外和X射线波段看来就像太阳上的一个大而且形状不规则的黑洞，因此被称为冕洞。因为冕洞是单一极性占主导的，其上的磁力线是开放的，太阳上高能粒子可以通过冕洞跑到行星际空间去。有时候磁场这个魔术师会将一些低层的物质托举到很高的地方，并且保持几天甚至几周，因为这些物质温度较低，会吸收掉一些从背景来的光，于是在色球图像上就表现为暗的条带状结构，被称为暗条。暗条如果出现在日面边缘，会显得比黑暗的太空更亮，成为太阳边上的一个明亮的突起，就被称为日珥。所以暗条和日珥其实是一对双胞胎兄弟，一旦爆发起来威力一样大，会把大量的物质抛到行星际空间，形成所谓的日冕物质抛射。日冕虽然很稀薄，但是温度非常高，高温中隐藏着一个巨大的谜团。光球作为太阳大气的低层，温度较低、密度较高，从色球开始，密度不断下降，但是温度却一路上升，到了日冕已达上百万度。日冕当中并没有核反应释放能量，那为何会比里面更热呢？这就是太阳物理中的一大难题——日冕加热问题。时间所限，让我们把这个难题和太阳上其他一些活动现象，比如针状体、喷流、冕雨等，留给将来的旅行进行探索吧。

随着我们的飞船远离太阳表面，物质变得越来越稀薄，逐渐进入行星际空间。虽然行星际空间接近真空，每立方厘米空间里可能只有几个粒子，但也并不是空无一物的。太阳风以数百千米每秒的速度常年吹拂，直至太阳系的边缘；有时日冕物质抛射抛出的磁化等离子体以每秒上千千米的速度呼啸而过，横扫行星际空间。至此我们的旅程已接近尾声，打开太阳风帆和太阳能板作为辅助动力，海洛斯号踏上了回家的路。地球——我们的蔚蓝的行星静静地悬挂在黑暗的天空，外层淡蓝色的大气圈若隐若现，保护着地面上的人免受来自太阳和其他天体的伽玛射线、X射线等高能辐射的伤害。在可见的大气圈的外部，还有肉眼看不见的磁层在保护着我们，来自太阳风和日冕物质抛射的高速粒子被地球磁层所阻挡，有时会有意外的惊喜——出现绚丽多彩的极光。在美丽的极光的光辉中，海洛斯号缓缓降落，但是人类对太阳的探索才刚刚开始。通过太阳这个巨大的实验室，我们可以得到地球上无法获得的数据；通过对这颗离我们最近的恒星的研究，我们可以了解遥远星系的奥秘，这也许就是天文学的魅力所在吧。

*海洛斯（Helios）

是希腊神话中的太阳神，Helio-这个前缀被用在很多和太阳有关的词汇中，比如日球层（Heliosphere），就是Helio加上Sphere（球体）组成。

**日震学（Helioseismology）

即Helio+seismology（地震学）。