我们与太阳

蓝色
绿色
红外线
红色
没有找到项目。

对地球上的我们来说,没有什么比太阳更重要。没有太阳的热量和光线,地球将是一个毫无生气的冰雪覆盖的石头球。太阳温暖了我们的海洋,搅动了我们的大气层,产生了我们的天气模式,并为不断生长的绿色植物提供能量,为地球上的生命提供食物和氧气。

我们通过太阳的热量和光线了解太阳,但太阳的其他不那么明显的方面也影响着地球和社会。太阳耀斑和太阳上的其他干扰所产生的高能原子粒子和X射线常常影响到在地球电离层中传播的无线电波,对远距离无线电通信造成干扰甚至停电。太阳现象对地球磁场的扰动,有时会引起电力线的巨大电压波动,有可能使城市停电。即使是诸如归巢鸽的飞行、跨大西洋的电缆交通、阿拉斯加输油管的油流控制等看似不相关的活动,显然也受到了太阳上事件引起的磁干扰。因此,了解这些变化↪Zs_200A↩--↪Zs_200A↩和引起这些变化的太阳事件↪Zs_200A↩--↪Zs_200A↩,对于科学、社会和经济都是很重要的。

我们早已认识到太阳的重要性,并密切注视着它。原始人崇拜太阳,害怕它在日食期间消失。自十七世纪初以来,科学家们用望远镜研究太阳,分析能够穿透我们的吸收性湍流大气的光和热。最后,我们发射了太阳仪器和我们自己--到太空中去观察太阳及其令人敬畏的喷发的各个方面。

一旦我们通过到达地面的可见光观察太阳,它似乎是一颗普通的、相当稳定的恒星。它并不是完全恒定的,但它似乎是以一种相当规律的方式变化的,太阳黑子的周期大约是11年一来一去。现在,太空时代给了我们一幅完全不同的太阳图景。我们已经看到了太阳的其他形式的光--紫罗兰、X射线和伽马射线,这些射线从来没有从太空到达地面。这种辐射对耀斑喷发和其他所谓的太阳活动的反应更为强烈。

我们现在看到的太阳是一个剧烈骚动的地方,在其可见表面之上和之下都有疯狂和突然的运动。此外,太阳活动的影响似乎延伸到比我们认为可能的更远的地方。对长系列历史记录的新研究显示,太阳在过去曾以奇怪和无法解释的方式变化。科学家们想知道这种变化会如何影响地球上未来的气候。

我们对太阳效应的范围有了更清晰的认识。它的磁场穿过行星际空间,延伸到太阳系的外围。稳定的原子粒子流和强烈的风暴从太阳向外吹,经常遇到我们地球的大气层和其他行星。从太空拍摄的地球壮观照片只展示了部分画面。卫星上携带的仪器揭示了各种各样的不可见现象↪Zs_200A↩-↪Zs_200A↩线的磁力、原子粒子、电流,以及围绕地球的氢原子的巨大地晕↪Zs_200A↩-↪Zs_200A↩。每一个都像地球的可见面一样复杂多变。地球的磁场延伸到数万英里的空间,许多不同的电子和质子流在其中循环。巨大的电流在地球周围流动,影响着高空周围的环境以及我们地面的环境。

空间观测大大扩展了我们观察太阳、行星际空间和地球周边环境的能力。我们现在可以"看到"许多从地球表面完全无法探测到的现象,我们现在对太阳系一个部分的事件与另一个部分的活动之间的关系有了更好、更完整、更连贯的了解。

太阳是一颗星

我们有时会忘记,有一颗恒星在白天很容易看到:我们的太阳。太阳是唯一一颗足够近的恒星,可以进行详细的研究,但我们相信,太阳的所有过程一定也发生在整个宇宙中数十亿颗遥远的恒星中。为了了解其他恒星的性质和行为,我们必须首先了解我们自己的恒星。同时,对其他种类恒星的观测也有助于对太阳的观察。

太阳是银河系大约1000亿颗恒星中比较典型的一颗恒星,我们看到的大多数其他恒星的质量从太阳质量的十分之一到30个太阳质量不等。我们看到的大多数其他恒星的质量从太阳质量的约十分之一到约30个太阳质量不等。大多数恒星的表面温度从大约2000℃到40000℃不等,虽然太阳在6000℃左右的温度上有些偏冷,但热恒星很少,大多数普通恒星都比太阳冷。与天空中有时出现的一些爆炸性恒星↪Zs_200A↩-↪Zs_200A↩新星、超新星↪Zs_200A↩-↪Zs_200A↩相比,太阳是稳定而普通的。

太阳的这种长期稳定性可能对地球上生命的发展至关重要。生物学家认为,在过去的30亿年里,地球上必须有一个相对稳定的平均温度,生命才能进化到现在的状态。太阳的相对稳定性对于天文学家试图了解太阳和其他恒星的基本性质也很重要。太阳中的剧烈活动可能会掩盖更微妙和持久的过程,而这些过程是我们恒星的基本能量传输机制。幸运的是,它们并没有被掩盖,我们已经能够绘制出太阳特性随可见面以上高度变化的趋势。

在光球的最低温度区域之上,我们已经测量了气体如何随着高度的变薄而变得更热。色球层和日冕,每一个都比下面的一层更热,通过仍未被很好理解的过程,从下面转移能量而变暖。

在空间观测成为可能之前,我们对任何其他恒星中的日冕一无所知,对恒星色球的特性也仅有少量信息。现在,空间观测已经向我们表明,天空中很大一部分的恒星都有色球和日冕。

在几十颗恒星上,我们甚至探测到了可能与太阳黑子(或"恒星黑子")周期有关的活动,如我们自己的太阳。卫星上携带的X射线望远镜记录了其他恒星上的耀斑,这些耀斑的威力远远超过了已经令人印象深刻的太阳耀斑。通过观察质量、年龄和自转率与太阳不同的恒星上这些事件的强度和频率,我们寻找到了一些基本问题的答案,比如:"太阳黑子周期是怎样的?"太阳黑子周期如何取决于恒星的自转率?"或"恒星日冕的温度和磁场强度之间有什么关系?"通过解读恒星特性的一般模式,我们可以更好地理解太阳上发生的事情。

太阳向我们展示了各种令人困惑的表面特征、大气结构和活跃现象。太阳黑子来了又走。整个太阳在同一时间以几种不同的方式摇晃和摆动。被称为突出点的大喷发在太阳表面高悬数周,在磁力的作用下,有时会从日冕中突然射入太空。被称为太阳耀斑的爆炸在短时间内释放出大量的辐射和原子粒子,通常很少或没有警告。

空间观测发现了太阳活动的许多新的方面,这些方面是地面观测站所无法发现的--太阳光最热的地方主要是紫外线和X射线,而不是可见光。因此,只有从太空中,我们才能绘制高温太阳耀斑的真实结构,并确定其物理条件。空间观测站向我们展示了太阳大气层中较高、较热的层数,而这些层数通常从地面上是看不到的。卫星上的仪器显示,在耀斑和其他剧烈扰动中,太阳就像一个原子加速器,推动电子和质子达到接近光速的速度。在如此高的速度下,这些粒子发出了我们的卫星所测量到的高能X射线和伽马射线。有时它们甚至会在太阳表面引起核反应。

我们对太阳知识的改进有两个方面值得特别注意。一个是磁场在决定太阳高层大气结构和行为的几乎所有方面的作用。另一个是发现太阳风,这是一股原子粒子流,它们不断地从太阳大气层中蒸发,并以每秒数百公里的速度加速,向四面八方逃逸到空间。

地球与太阳之战

任何太阳粒子要到达地球,必须先通过地球的磁场。在太阳风被发现之前,地球磁场被认为是对称的,就像一个巨大的条形磁铁,无限地消失在太空中。然而,我们现在知道,太阳风塑造了地球磁场的外围区域,并且是急剧的边界。边界外,空间由太阳风和行星际磁场主导。边界内是由地球磁场主导的区域或磁层。综合许多航天任务的测量结果,发现太阳风将地球磁层吹出水滴状。水滴的头部只向太阳"上风"延伸了约10个地球半径,即约65000公里(40000英里)。水滴的尾部向着与太阳相反的方向延伸,实际上已经超过了月球的轨道。这条长长的磁尾距离地球60多万公里(37万英里)。

在磁层的边界,地球的磁场和太阳的力量之间不断地进行着斗争。受太阳风速度和密度波动的影响,磁层的大小和形状不断变化。当太阳风撞击磁层时,冲击波的形状类似于超音速飞机前的音爆。在与太阳风的边界内,磁层仍然是一个活跃的区域。它包含两条能量极高的带电原子粒子带,被困在大气层上方数百英里的地球磁场中。这些带子是爱荷华大学的詹姆斯-范艾伦教授及其同事在1958年利用美国第一颗卫星"探索者1号"携带的简单辐射探测器发现的。

北方和南方的光。来自太阳的礼物

地球磁层的结构也控制着极光的行为,在我们的夜空中可以看到。前空间时代的教科书指出,极光是由太阳发射的光子产生的,并通过地球南北磁极磁场的缝隙到达地球的高层大气。根据该理论,这些质子撞击大气层中的氧原子,碰撞产生了光芒,我们称之为北极光。

这种观点在太空时代已经改变。许多航天器收集的数据表明,情况更加复杂。来自太阳风和地球大气层的粒子显然都储存在磁尾中。从那里,它们周期性地沿着地球磁场被猛烈地喷射到大气层的南北两极地区。它们被一个尚未完全解释的过程加速到高速。磁尾实际上是一个定期补充的粒子库。当太阳在太阳黑子最多的年份活跃时,这一过程特别强烈和频繁,极光也更明亮,并更接近赤道。