從太陽到地球

　　時間: 2001年9月13日周四晚7點

　　地點: 理教121

　　主講人:陳嘉勝, 波士頓大學博士, 美國波士頓大學太空物理中心教授、北大校友（78級本科生）.

　　講座內(nèi)容:

　　人類的生活與太陽息息相關(guān)，除了原子能和地熱以外，人類利用的所有的能量，都是直接或間接從太陽獲得的。但我們對太陽的認識又有多少呢？我們一般都認為太陽是一個非常安靜、光亮的火團，沒有什么變化。太陽真正的結(jié)構(gòu)是怎么樣的呢？

　　1、太陽的結(jié)構(gòu)。

　　太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有三層（有內(nèi)至外）：太陽核、輻射層、對流層。太陽核的溫度很高、壓力很大，會產(chǎn)生核聚變。核聚變主要是由氫聚變成為氦，從而釋放出巨大的能量。這些能量到達輻射層后會有一部分被折射回去。能量從太陽核到達對流層需要100萬年。對流層的作用在于將磁場、熱量等直接對流到太陽表面。太陽的外部結(jié)構(gòu)包括：日珥、日冕、黑子、日冕質(zhì)量拋射、耀斑、日冕洞。太陽黑子事實上是一種強磁場區(qū)，它們的數(shù)目會變化，一個太陽黑子可以吞下整個地球。黑子呈現(xiàn)11年的變化周期，黑子數(shù)目的多少象征太陽活動的強度。黑子區(qū)的溫度大約為4000度，黑子區(qū)周圍其他地區(qū)的溫度大約為6000度。黑子溫度比較低的原因在于：黑子地區(qū)的磁場很急，這使從對流層過來的熱流放慢了速度，從而使溫度下降。太陽耀斑是如何產(chǎn)生的呢？黑子區(qū)有很多磁場，當其中的兩條磁力線的方向相反時，它們就會“淹沒”（即消失掉）。而太陽黑子的磁場區(qū)內(nèi)能產(chǎn)生很大的磁張力。這種張力平時將很多的物質(zhì)和能量束縛在其中。當“淹沒”現(xiàn)象出現(xiàn)，即磁力消失時，這些物質(zhì)和能量就被突然被釋放出來。這在紫外光的觀測下就是太陽耀斑，也可以稱為太陽龍卷風。太陽耀斑除了能夠向外拋射出大量紫外線輻射以外，還能拋射出大量高能帶電粒子，相當于1千萬個火山口噴出的能量。太陽的高能活動都沿著赤道方向，而在太陽的南北兩極則存在這兩個黑色的日冕洞。日冕洞和太陽拋射出來的高能物質(zhì)（即太陽風）之間有什么關(guān)系呢？在日冕洞存在的高緯地區(qū)，太陽活動密度較低，太陽風活動的速度比較大；
而在低緯地區(qū)，太陽活動密度較強，則太陽風活動的速度就比較小。

　　2、地球的“磁層”與輻射帶

　　地球?qū)嶋H上是一塊有南北兩極的大磁鐵。當沒有太陽物質(zhì)拋射過來的時候，在真空當中，地球磁場應(yīng)該是對稱的。但由于太陽風拋射的壓力，地球的磁場就會變形，從而形成位于地球高空中的“地球磁層”，它也應(yīng)被包含在地球的外太空區(qū)域中。從太陽來的帶電粒子經(jīng)過磁層力的作用，會被折射回外太空，而不直接射到人類的身體上，從而起到對人類的保護作用。帶電粒子在地球的外太空中有三個運動模式，即回旋周期、彈跳周期、飄移周期。地球的赤道附近有一個充滿了這種帶電粒子的輻射帶。這一輻射帶被發(fā)現(xiàn)于1958年。當時，人類第一次向太空發(fā)射衛(wèi)星，衛(wèi)星在赤道附近發(fā)現(xiàn)大量帶電粒子。當時的科學家最初還以為是觀測儀器出了問題，最終才確認這是個新的太空現(xiàn)象。這是太空時代的第一個重大發(fā)現(xiàn)。但輻射帶高能粒子的起源何在呢？這一直是40年來科學界沒有解決的問題。

　　3、太陽活動對人類活動的影響

　　當前全球各地發(fā)射的商業(yè)衛(wèi)星都定點在地球的赤道附近。人們使用的通訊工具、收看的電視節(jié)目信號都來自于這些商業(yè)衛(wèi)星。商業(yè)衛(wèi)星的軌道正好處在地球的外輻射帶。如果太陽發(fā)生變化，就會影響到外輻射帶，從而影響到這些商業(yè)通訊衛(wèi)星。全球地位衛(wèi)星系統(tǒng)（GPS），其軌道也通過輻射帶，所以太陽的活動對它們也會有一定影響，造成定位不準確。日冕質(zhì)量拋射統(tǒng)稱太陽風暴，太陽風暴輻射出太陽風。當由北向南的太陽磁場和由南向北的地球磁場發(fā)生磁重疊時，就會發(fā)生“淹沒”的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生“地磁暴”。地磁暴也會對地球衛(wèi)星產(chǎn)生影響。在太空時代之前，人們主要通過對極光的觀測了解地磁暴的產(chǎn)生。如果出現(xiàn)地磁暴，地磁暴就會使極光向赤道附近飄移。從太陽來的高能帶電粒子對衛(wèi)星的影響有三種可能性：如果是低能的離子撞擊衛(wèi)星，它們就會聚集在衛(wèi)星的表面上，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，從而對衛(wèi)星產(chǎn)生一定的破壞影響；
如果是高能的帶電電子撞擊衛(wèi)星，就會穿過衛(wèi)星表面保護層，打擊衛(wèi)星內(nèi)部電路，損壞衛(wèi)星的內(nèi)部線路；
如果是高能的離子撞擊衛(wèi)星，它們除了能過穿過保護層外，還會在衛(wèi)星的集成電路上儲存能量，從而破壞衛(wèi)星的邏輯線路。這樣一來這個衛(wèi)星很可能就完全損壞了。

　　太陽風暴對人類的影響還有：首先，高能離子會威脅到太空人的安全，而太陽風暴放射的紫外線可以穿過在高空飛行的飛機，也有可能進入地球的大氣層，使飛機上的乘客和地球上的人類皮膚細胞產(chǎn)成癌變的可能。其次，當電離層產(chǎn)生變化時，會影響我們的無線電通訊。再次，當風暴出現(xiàn)時，在地球表面形成的電離有可能打破地球上的輸油管，導致石油泄漏，造成環(huán)境污染。此外，它還會破壞地球高緯度地區(qū)電廠的變壓器，使許多地區(qū)瞬間停電。最后，紫外線還會破壞地球的臭氧層。當空調(diào)等電器產(chǎn)生的氟氯化合物飄到臭氧層外時，由于太陽變化產(chǎn)生的紫外線可以將化合物中的氯分解出來。氯和臭氧發(fā)生化合作用，產(chǎn)生一氧化氯和氧，一氧化氯繼續(xù)和單氧發(fā)生化合作用，再次產(chǎn)生氧和一氧化氯。這一變化的結(jié)果就是：氯并沒有減少，但臭氧卻被破壞了。

　　4、 國際地日研究計劃

　　人類為了了解自然，訂立了一個雄心勃勃的計劃。它叫做“國際日地研究計劃”。即利用一群衛(wèi)星監(jiān)測太陽，發(fā)現(xiàn)太陽的變化。其目的有二：在科學上了解太陽的能量、動量、質(zhì)量怎么進入地球；
在運用上通過對太陽的檢測，了解太陽的變化如何影響人類日�；顒�。

　　因為這個計劃造價很大，所以沒有任何一個國家可以獨立完成，它必須是一個國際合作項目。這一計劃包括名為WIND、SOHO、GEOTAIL、INTERBALL、POLAR在內(nèi)的12枚衛(wèi)星。

　　以SOHO衛(wèi)星為例。通過它可以看到許多用現(xiàn)有的天文望遠鏡無法看到的太陽變化細節(jié)。太陽到地球的距離大約是1億5千萬公里，太陽風的速度是每秒450公里。它從太陽到地球需要2到4天。一旦SOHO衛(wèi)星測到有太陽風產(chǎn)生，它可以在8分鐘內(nèi)將此信息傳回地球，那么人們就可以有2到4天的時間做好準備。WIND衛(wèi)星將處于地球與太陽的引力零點，它可以測出太陽風的速度、密度、電子、離子數(shù)目以及太陽磁場的壓力等太陽的參數(shù)。POLAR是美國發(fā)射的極軌衛(wèi)星，上面裝備有12個用途不同的儀器。其中包括：測太空中的電場、磁場、電子和離子的流量、進行紫外線、X射線照像等。最新一代的科學探測儀不但可以區(qū)分出不同的元素，還可以進一步區(qū)分出同一元素的同位素。它們的分辨率可以達到0.1個原子質(zhì)量，這是目前最高的分辨率。

　　5、 對地球“磁口”的最新發(fā)現(xiàn)

　　地球的外太空存在著一個名為“磁口”（CUPS）的區(qū)域。根據(jù)國際空間界以往所有的理論模型分析，這是一個不存在任何物質(zhì)的真空區(qū)域。但這是一個錯誤的理解。美國發(fā)射的衛(wèi)星在經(jīng)過磁口位置時探測到磁口中有很強的離子、電子變化，并且有很強的噪聲存在。通過理論模擬發(fā)現(xiàn)，磁口區(qū)域也有與輻射帶相似的三種運動：回旋周期、彈跳周期、飄移周期。所以磁口可以被認為是類似輻射帶的第二個不穩(wěn)定的輻射帶。這是太空界新的發(fā)現(xiàn)，引起了為期4年半的爭論。直到今年1月，才在整個太空界達成了共識，確認了這一發(fā)現(xiàn)的真實性。也就是說，實際上地球整個外太空中繞動變化最激烈的區(qū)域不是地球磁層的磁尾區(qū)域而是磁口區(qū)域。這一發(fā)現(xiàn)有可能解決太陽的能量如何進入地球磁層這一問題，從而徹底改變太空研究界對地球磁場動力性的認識。即太陽的能量有可能是通過磁口進入地球的磁層，而不是通過磁尾區(qū)域地球的地磁暴或亞暴進入地球磁層。

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