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太阳ABC

2019-11-05  爱雅阁
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    人类对太阳的崇拜由来已久,由农耕文明而形成的“太阳图腾”等信仰,广泛存在于各民族文化之中。太阳所代表的光明、辉煌等积极意义也广为人们所接受。乌拉圭1856年发行的第一枚邮票以及此后四年间发行的4套1 7枚邮票,均采用太阳为主图案,继承了南美印第安人的太阳崇拜,还因为乌拉圭独立战争是由1810年5月25日阿根廷“五月革命”引发的,太阳象征着自由与黎明,所以乌拉圭以“五月的太阳”为国家象征。

    早在人类文明的伊始,我们的祖先就已经掌握了利用太阳辨别方向和测量时间的方法。他们通过观察直立的杆子投在地上的日影来判断时间,由此形成了各种形式的日晷。直到钟表发明前,太阳一直为人类测量时间提供着便利,日晷也是一种准确的计时器。时至今日,参加野外生存训练的人往往会被告知一些利用太阳辨识方向的小技巧,一个带有指针的手表在太阳的帮助下可以用来寻找方向。你看,将表盘上的时针对准太阳,12点刻度和时针的中分线就对着正南方,它的反向延长线则指向北极星。如果手表没有指针,可以观察就近的树木或植被。在北半球,向南的一面因日照充沛而干燥、丰茂,向北的一面则因缺乏日照而阴湿,但有时却也因为湿润的土壤而形成特殊的绿色植被。这都是太阳造就的天然“指南针”。

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    太阳还是多才多艺的魔术师,极光和日全食便是两项最激动人心的天象作品。日冕不断向外膨胀,使得带电粒子持续地被从太阳向外吹出而形成太阳风,吹遍行星际空间,充满整个太阳系。当强大的太阳风抵达地球附近时,高能带电粒子流与地球高层大气作用,在高纬度地区产生美丽的极光。

    在欣赏宇宙中所有奇妙天象时,可能没有任何一个会比日全食更能使人震撼。那些曾经目睹过日全食美丽景象的人,会将它描绘成大自然中最能激发敬畏之心的天文事件,任何一种语言都无法完全表达出这种敬畏。1999年8月11日,20世纪最后一次日全食横扫欧洲大陆,著名男高音歌唱家帕瓦罗蒂在匈牙利布达佩斯——欧洲唯一能看到全食的首都——举办了一场声势浩大的日全食现场演唱会。想象一下,天空黑暗的瞬间,歌王唱起了《我的太阳》,这该是多么震撼的一幕啊!

    作为与人类生活关系最密切的天体,太阳很早就是人类观测和研究的对象。那么今天我们所了解的太阳究竟是什么样的呢?

    人类对太阳的观测和记录至少可以追溯到公元前2000年,在中国古代的典籍《尚书》中,就记载了发生在夏代的一次日食。在西方,也早已有关于太阳和太阳黑子的记录,如伽利略的手绘黑子图等。1239年,俄罗斯的编年史中曾提到过日珥,称其为“火舌”。在1842年的一次日食中,人类留下了最早的、明确的日珥观测记录。1843年,德国天文学家施瓦贝发现了太阳活动的11年周期,并在1851年的一次日食中拍摄到了第一张日冕的照片,而日冕物质抛射则在100多年后的1 973年由美国的“太阳极大使者”卫星发现。1859年,卡林顿等人在—个大黑子群附近第一次发现了太阳耀斑。

    19世纪光谱学的兴起使太阳研究有了重大发展。牛顿通过三棱镜分光,发现阳光是由各种不同的颜色组合而成,而赫歇尔在1800年发现了太阳的红外辐射。1824年,夫琅禾费首度发现光谱中的吸收线,发现了太阳上存在氢元素。1868年,英国和法国的天文学家又在太阳光谱中发现了—种地球上尚未发现的新元素,取名为氦(Helium,意为太阳神)。这又为太阳能量来源的研究奠定了基础。

    随着科学和技术的不断发展,人类已经进入了精细天文学的时代,对于太阳的结构、能量来源和演化也有了更加清晰的认识。

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太阳的特征

    在地面上的人看来,太阳和月亮是差不多大的,但实际上,太阳的大小却与月亮不在同一个数量级上,性质也截然不同。
    太阳距离我们有1.496×108千米,质量有约1.989×1030千克,就是大约在2的后面加30个零那么多千克!

    太阳内部分为三个区域:核心区、中介层(辐射区)和对流层。对流层之外的部分是太阳大气层,又分为光球层、色球层、过渡区和日冕。核心区太阳在自身引力的作用下,将物质向核心聚集,形成了高温、高压状态。这一区域的质量仅为太阳质量的一半,体积约占太阳的1/50,但温度却高达1570万度,压强更是超过地面大气压的2500亿倍。在太阳的核心区发生着非常激烈的热核反应,产生了约99%的太阳能量。
    中介层从大约0.25至0.7太阳半径处,太阳物质是热且稠密的。太阳核心产生的能量,在中介层会以热辐射的方式充分地向外转移。这层中的气体温度约为700万度。
    对流层从0.7太阳半径向上,到光球底部,温度为50万度。这一层中,自内而外存在着巨大的温度差,从而将太阳内部的热量以对流的形式进一步向外传输。

    我们平时可以见到的太阳表面就是光球层,厚约500千米,温度约为5800开,并随着半径增加而降低,到了光球顶部则降为4500开。在光球上可以看到许多太阳黑子,用大型望远镜还可以看到像米粒—样的组织。目前科学家们认为,这些米粒组织实际上是太阳大气的对流造成的。在研究光球可见光谱的早期,人们发现有些吸收谱线不能符合地球上任何已知的化学元素。1868年,英国天文学家洛克耶和法国天文学家让桑,假设这些吸收谱线是一种新元素造成的,他们以希腊的太阳神为依据,将之命名为氦,而时隔25年之后在地球上才分离出氦元素。
    色球厚约2500千米,温度自色球底部4500开向外依次升高到5万开。它发出的可见光非常弱,所以只有在日全食的食甚时刻,太阳光球被全部挡住的几秒内,可以在日面边缘看到一条有着鲜明颜色的发光弧带。色球中还可以看到日珥和耀斑。
    过渡区和日冕在色球之上,是一层过渡区,温度上升至100万开以上。日冕是太阳向外扩展的大气层,它的体积比太阳本身大了许多。不断扩展的日冕在太空中形成太阳风,充满了整个的太阳系。日冕的温度虽然很高,但密度非常低。

太阳的产能机制

    在现代科学时代的初期,太阳能量的来源是个难解之谜。英国的开尔文爵士曾经认为太阳是一个正在冷却的液体球,不断地向外辐射出储藏在内部的热能。他和亥姆霍兹共同提出了引力收缩机制来解释能量的输出。但由此产生的年龄估计只有2000万岁,远短于当时以地质上的发现所估计出的至少3亿年的时间尺度。1904年,卢瑟福提出太阳辐射是由内部的热源提供的,并认为放射性衰变是辐射热能的来源。但直到爱因斯坦提出质能方程后,太阳能量来源的研究才可能有了进一步突破。核聚变的概念于上世纪30年代由天体物理学家钱德拉塞卡和贝特发展出来。后者仔细计算了两种太阳能量主要来源的核反应,在1938年提出了恒星内部质子一质子链反应和碳一氮一氧循环两种核反应过程,阐明了太阳的能源机制。

    在太阳的结构中,核心区是太阳内唯一产能的区域,99%的能量都产生在太阳半径的24%以内,而在30%半径处,聚变反应几乎完全停止。太阳的外层只是被从核心传出的能量加热,到达光球层后,化为光波或粒子的动能,散逸到外层的宇宙空间去。

    核聚变产生的γ射线(高能量的光子流),只要经过几微米就会被太阳中的等离子体吸收,然后再以较低的能量随机地辐射向各个方向。因此,在不断反复的吸收----再辐射中,光子流要经过10000年至170000年的漫长时间才能到达太阳表面。

    太阳的核心区内,每秒大约进行着9.2×1037次质子一质子链反应。这个反应是将4个自由的质子(氢核)融合成氦核(α粒子),每秒大约有3.7×1038个质子成为α粒子。每次氢核聚合成氦时,大约有0.7%的质量转化成能量。因此,太阳的质能转换速率为每秒钟426万吨,释放出3.846×1026瓦特的能量,这相当于每秒钟产生9.192×1012万吨TNT炸药爆炸的能量。核聚变还存在着一定的平衡机制。核反应速率只要略微提升,就会造成核心温度上升、压强增大,更能抵抗外围物质的压力,因此核心会膨胀,从而降低核聚变速率;而反应速率下降后,核心的温度又会略微下降,导致压强降低,从而核心会收缩,使核聚变的速率又再提高,回复到它之前的水平。

太阳的生命史

    恒星都有自己的生命史,它们从诞生、成长到衰老,最终走向死亡。太阳也不例外。

    太阳和太阳系产生于一个原始星云,这个原始星云开始引力塌缩。当中心温度和密度达到一定程度时,就开始了氢聚变成氦的核反应,太阳进入了主星序。在这个阶段,太阳稳定地燃烧氢元素,这相当于太阳的青壮年期。当太阳中心的氢元素消耗殆尽,太阳进入了老年期,开始大规模膨胀,成为了一颗红巨星。当太阳的主要燃料氢和氦全部燃烧尽后,太阳就逐渐走向了它的坟墓----白矮星时期。最后,当剩余的热量全部扩散完毕,太阳就变成了一颗完全不发光的恒星——黑矮星。此时,太阳终于走到了生命的尽头。

我们身边的太阳光

    太阳,在天文学家眼里,是宇宙中千千万万颗恒星中再普通不过的一员,但对于地球来说,它却是独一无二的生命之母。它为我们带来了光和热,滋养着地球上种种生灵,更为人类带来了取之不尽、用之不竭的清洁能源。

    人类从能够思考大自然伊始,就开始思考为什么我们的世界是色彩斑斓的,为什么阳光是白色的,天空是蓝色的……直到牛顿通过三棱镜,发现阳光是由不同颜色的光组成的,人类才逐渐地解开了阳光之谜。

    太阳可以发出许多不同波段的光线,包括了从无线电波段到高能γ射线的整个电磁波谱,而人眼所能看到的波段只是其中很小的一部分。可见光部分的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等颜色的光混合在一起,就形成了白色的阳光。我们平日里见到的彩虹就是大气将阳光分解成了七色光。地球万物呈现出来的颜色,则是由于它们吸收了一部分波段的阳光,而将其余的阳光反射后的混合效果。比如我们看到的黄绿色树叶,实际上只吸收了波长为400纳米~435纳米的紫光,显示出的黄绿色是反射的其它光的混合结果,而不只是反射黄绿色光。
    天空的蓝色,则是因为白色的太阳光进入大气层以后,蓝色等较短波长的光会更多地被空气分子所散射,较长波长的红光部分则很少被散射,于是大气中充满了被散射的蓝色部分的阳光,所以我们便看到天空是蓝色的。
    太阳在正午时分显示黄白色,而在日出和日落的时候却又变成了红色。这是因为,包围着地球的大气层就像一个巨大的棱镜,将位于地平线附近的太阳光分解成各色光线。波长越长,折射也就越小。而太阳的七色光中,红光波长最长,这也就说明了为什么我们平时见到的日出和日落是红色的。而正午时分,太阳在头顶上,阳光直射,穿透的大气层也最薄,所受到的折射最小,因而显现出了黄白色。
    除了黄白色和红色的太阳,在历史上还出现过蓝色和绿色的太阳。其实,这也是大气折射产生的自然现象。当大部分太阳表面都落到地平线以下时,由于折射作用,显露出来的只是太阳的绿光和蓝光(紫色光已完全被折射掉了),而蓝光又极易被大气散射掉,所以人们就看到绿色的太阳了。当然,绿色太阳出现的条件非常苛刻,必须是在空气能见度非常好,大气中水汽含量少,地平线平直而且非常清晰的条件下才可以看到,出现的时间也很短。而蓝太阳则是空中必须存在直径0.6到0.8毫米的悬浮物,因为它们散射红、黄光的能力强于蓝光,红、黄光被散射掉之后,自然就可以看到一轮蓝色的太阳了。
    在一些接近南北极的高纬度地带,有时还会出现四边形的太阳。四边形太阳的出现同样非常罕见,要同时满足零下20度的低温、晴朗的天气和没有云的地平线这三个条件。有人认为这也是一种大气折射现象,不过目前仍然没有被普遍认可的解释。

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 广义相对论的一个可用实验检验的结论是太阳使经过它附近的光线偏转

太阳活动和太阳黑子

    在北京天文馆的太阳大厅里,有一个圆形的好像“水池”的装置,里面却没有水,而是一个水平放置的直径为1.8米的屏幕,其上显示着实时的太阳像,它实际上是一个太阳望远镜的终端,只要天气好,参观者就可以在这里用肉眼直接地很仔细地观察太阳黑子的情况。在太阳像上,就经常有太阳黑子出现。

    太阳黑子是太阳光球上出现的或大或小经常变化的暗斑。在可见光下,它们显得比周围区域暗。太阳表面的温度是接近6000度,而有黑子的区域是大约3000度-4500度,这就是这些区域变暗的原因。但是黑子区域的磁场非常强,有的强度达到了4000高斯。正是强烈的磁场削弱了正常的物质对流,使这里的温度比周围区域变低。

    比较小的太阳黑子尺度有数百千米,大黑子尺度可以达到20万千米,这相当于10多个地球叠在一起的大小了。正因为如此,在地球上用肉眼也可以看到太阳黑子。当然,一定要记住,千万不可以不加任何防护地直接去看明亮的太阳,那样会造成眼睛的永久性损害。

    多数黑子存在的时间小于11天,有的小黑子只存在几个小时,但也有大黑子存在时间达到几个月甚至一年以上的。因此,黑子可以作为太阳表面的“标记”,连续几天观察太阳黑子,还会发现太阳的自转。

    太阳黑子不仅是太阳表面磁场最强的区域,也是太阳活动可观测的最直接线索。中国保存着世界最早的太阳黑子记录。在欧洲公元807年有了关于太阳黑子的观测记录,但被误解为水星凌日。1612年,伽利略对太阳黑子给出了正确的解释。

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 2014年10月23日下午,北美地区日偏食,巨型黑子清晰可见

    太阳从诞生之初至今,在其看似平静的表面之下就从未停止过剧烈的活动。太阳活动的强弱以太阳黑子活动作为代表。当黑子活动比较活跃的时候,太阳上也会出现各种活动爆发,如耀斑爆发、日珥爆发、日冕物质抛射等,俗称太阳风暴。

    太阳是一个高温高压的大火球,它的内部时刻进行着剧烈的核反应,极端的高温将太阳上的气体电离,从而产生了大量的带电粒子。这些带电粒子会因太阳活动而进入太阳系空间。当它们到达地球附近时,就会冲击地球附近的各种人造航天器。这些带电粒子会造成航天器的电路板短路、阻断天地间的通信,还会给航天员的出舱活动带来潜在的辐射威胁。它们进入大气层后,会与大气或是地球磁层发生作用,产生磁暴,还会给地面的电力设备带来很大的破坏作用。
    1859年8月28日到9月2日,太阳上出现了有记录以来的最强烈的超级太阳风暴,又称为“超强太阳风暴”。但由于当时人类社会还未全面进入电气化时代,所以这次的太阳风暴危害较为有限,仅在加拿大、美国和法国的一些城市,使电报业务以及电报站间的通信受到了严重阻碍或中断。这次风暴最先是由英国天文爱好者卡林顿发现的,所以也称为卡林顿事件。1989年3月13日至14日发生的特大太阳活动爆发,造成加拿大魁北克省电网在不到90秒内全部瘫痪,600万居民停电长达9小时,仅电力损失就达200亿瓦,直接经济损失达5亿美元。这次太阳耀斑爆发也使多国的卫星系统受到了影响:美国GOES-7卫星损失了一半的太阳能电池;日本CS-3B卫星备用电路损坏;美国SMM卫星轨道寿命缩短,提前陨落。2000年7月14日发生的巴士底事件,是几十年来发生的最大的太阳耀斑和日冕物质抛射事件,导致的地球物理效应非常明显。这一现象造成了巨大的地磁暴,地球轨道附近出现了流量巨大的高能粒子流,地球的电离层受到强烈干扰,短波通信中断。在事件中丢失了一颗科学卫星,还有许多卫星一时无法正常工作。人类发射的空间探测器“旅行者”1号和“旅行者”2号也观测到了这一事件,这也是人类在最远距离上观测到的太阳风暴。
    2003年10月28日至11月4日期间发生的万圣节事件,太阳耀斑级数高达×28级,这是有记载以来发生的最大太阳耀斑,所幸当太阳耀斑爆发时,因为太阳自转,耀斑位置已转到日面边缘,否则对空间和地面技术系统造成的损害不堪设想。尽管如此,这次爆发活动还是造成全球短波通讯中断、民航通讯出现故障、伊拉克战场美英联军通讯受到影响等,NASA的火星探测卫星上的观测设备被粒子辐射彻底毁坏。此外,我国北京、满洲里等地的无线电观测短波信号也曾因此一度中断。

    太阳活动爆发产生的粒子与地球的磁场作用,会造成地球表面的微粒和磁场的变化,有可能导致地球上某种云层数量的增加,影响地球的反照率。碳元素的放射性同位素碳14(14C)的生成,也与太阳活动相关。14C是在大气上层产生的,当带电粒子轰击大气层的氮(14N),就会导致氮元素衰变为14C。带电粒子的强度和14C的生成呈反比关系。在地球高纬度地区出现的极光是太阳活动、地球磁场和地球的大气层相互作用的结果,而这几者中的任何变化都会影响极光的类型。

    太阳活动爆发的能量有—部分是通过紫外线传输出去的,这对地球气候来说尤其重要。紫外线会被大气同温层中的臭氧吸收,当太阳活动剧烈时,同温层会被加热,从而影响到该层下部对流层中风的形成和运动。有研究表明,这些增加的热量正是太阳活动高峰期欧洲升温的幕后推手。而在太阳活动低潮期,欧洲的天气又会被来自西伯利亚的北极风主宰。

    太阳活动与人类健康也有着密不可分的关系。曾经有统计结果显示,交通事故与太阳活动有明显的正相关性。事实上,神经系统对地磁变化特别敏感。当磁暴发生时,人的心情烦躁、血压升高、注意力分散,容易造成事故频发;精神病人的发病率增高;心血管病死亡率也有所上升。人的免疫系统功能也受太阳活动的制约,有研究发现,流感和其它传染病的发病率与黑子数相关。近来还有研究表明,太阳活动的强弱间接地与地球资源的消耗、农作物的收成,甚至是人们的投资走向都有一定的相关性。

    太阳活动周期,又称为太阳磁活动周期,是太阳黑子数及其它现象的准周期变化,大约每11年为一个周期。

    太阳黑子是太阳活动最显著的特征,也是太阳磁场存在的直接证据。太阳黑子大多成群出现,每个黑子群由几个到几十个黑子组成,最多可达100多个。黑子大小不一,小的黑子直径约有1000千米,大的黑子约20000千米,特大的直径可达245000千米,相当于地球直径的19倍!黑子的形状像一个暗的浅碟,中间凹陷。发展完全的黑子分本影和半影两部分,黑子中间的暗核部分叫做本影,本影周围较浅的边框叫做半影。本影是黑子的核心,黑子的亮度约是光球亮度的三分之二。

    1843年,德国业余天文学家、药剂师施瓦贝最先发现了太阳活动周期。起初,施瓦贝只是希望在太阳附近发现一颗新的行星,在它从太阳圆面前方经过时候“逮住”它。1826年,他开始用一架小望远镜注视太阳,但除了注意到太阳黑子外,其余什么都看不见。之后,施瓦贝开始放弃寻找行星而专注描绘黑子,并一直坚持了17年。在这些年的详细观测中,施瓦贝发现,每经过大约10年,就会出现黑子数目增加的现象,经过了极大期,太阳黑子数又进入极小期,太阳表面几乎没有黑子。这样,每约10年就是一个太阳活动周。1 843年,施瓦贝把一篇题为《1843年间的太阳观测》的论文,投到德国《天文通报》,起初并未被发表,1851年,施瓦贝的发现才终于被公之于世。瑞士苏黎世天文台台长沃尔夫读了施瓦贝的论文后,开始用望远镜观测太阳黑子。除进行观测外,还搜集整理了此前太阳黑子的观测资料,其中包括伽利略及其同时代观测者留下的。经过整理,可供研究使用的每日太阳黑子数记录可推前至1749年,年平均值资料可推前至1610年。经过几年仔细观测和精心的资料整理,沃尔夫发现太阳黑子数的平均变化周期为11.1年。观测到的最短黑子周期为9年,最长黑子周期为14年。到1852年,他还发现地磁活动和极光与太阳活动有关。沃尔夫提出将太阳黑子数从一个极小到另一个极小之间的时间定为一个周期,并将1755年至1766年的周期定为第一个太阳活动周。

    国际天文学界规定,以1755年作为太阳黑子周期的开元年,从1755年3月到1766年为第一个太阳周期。一个太阳活动周期开始和结束的标准是:每月太阳黑子相对数的平滑值达到极小值。从1766年以后,按11年周期排列序号。1755年是一个太阳活动谷年。

    既然太阳活动会在很大程度上影响地球的环境,那么在久远的历史上太阳活动的情形是怎样的呢?人类对太阳活动的系统观测和记录,乃是近几百年来才有的,对于更早的太阳活动,怎样才能知道呢?近年来,已有很多科学家进行了这方面的研究和探索。他们了解更早的太阳活动所依赖的方法中,就有树木年轮法以及与之相关的放射性碳14分析。

有重要科学意义的放射性碳14

    要了解放射性碳14,先要明白什么是同位素。我们知道地球上有很多种元素,例如氢、碳、铁、铜、金等等,它们都是由原子构成的,原子内部有原子核以及电子,原子核内部有质子和中子。同—种元素,原子核里的质子一样多,中子数目却可能不一样多,这就是这种元素的同位素。但是,对一种元素化学性质有直接影响的,是它原子核内的质子数。以氢为例,它有氕(氢-1)、氘(氢-2)和氚(氢-3)三种同位素,它们的原子核内都只有一个质子,但分别有0个中子、1个中子及2个中子,所以都是氢的同位素。

    自然界的碳,以三种同位素的形式存在,即碳12、碳13和碳14。其中碳12和碳13所占比例为绝大多数,碳12就占去了几乎98.89%,碳14所占比例微乎其微。但是,碳14具有放射性,“半衰期”是5370年。碳14的来源与宇宙线有关。宇宙射线轰击地球大气层里的氮原子,使其变成碳14,随后通过长期的释放B粒子的衰变,碳14原子还会还原为氮原子。

    碳是构成地球上有机物的主要元素。一种生物(包括动植物)在它生存的时候,由于需要呼吸,维持正常新陈代谢,它体内有机物的碳14含量大致不变。然而在生物死去后会停止呼吸,新陈代谢过程终止,此时体内的碳14就开始减少。因此,科学家发现可以通过测量一件样品内的碳14含量,来估计它的大概年龄,这种方法称之为碳14测年法,由美国科学家利比于1947年创立。利比是一位物理化学家,也是放射化学、热原子化学、同位素示踪技术方面的专家。因为发明碳14测年法,利比荣获了1960年的诺贝尔化学奖。

    在埃及,人们发现了一座年代久远的谷仓,在谷仓里发现了小麦,经科学方法测定,这些小麦大约生产于6000多年前。这个结果就是用碳14测年法获得的。常用于碳14测年法的样品,包括骨骼、毛皮、木材、木炭、泥炭、甲壳以及某些沉积碳酸盐等等。碳14测年法能较为准确地测出时间在五、六万年以内样品的年代。

    科学家已经知道,当太阳活动增强时,到达地球的高能粒子流会对到达地球的宇宙线起到一定的屏蔽作用,进而会使大气中的碳14生成量改变,这种改变会使当年树木年轮中的碳14的浓度有反常的降低。因此,通过考察和比较树木年轮中的碳14与碳12两种同位素的比值,就能判断某一年的太阳活动是否经历了增强。天文学家正是用这种方法研究太阳活动的长时标变化。

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中国古代的太阳黑子记录

吴蕴豪

    从久远的古代开始,中华民族的先民们就开始关注太阳。起初,他们将太阳当作神灵膜拜,在一些重要日期的清晨和薄暮举行迎送太阳的宗教仪式,并对太阳进行观察。后来,出现了一种文化理念,就是将太阳当作人间帝王的象征,因此历代的皇家天文机构更加重视对于太阳的日常观察,并根据日面及其周围的天文现象和大气现象来占卜军国重事。在常年累月的实际观测中,很早就发现了太阳黑子。

黑子还是黑子群

    值得注意的一点是,古代文献中的黑子记录一般不是大黑子,而是黑子群。一般黑子的直径仅有数千至上万千米,在1.5亿千米外的太阳上,这样的普通黑子看起来真是比蚊蚋还小,肉眼根本无法分辨。只有少数特大的单个黑子能够达到可被肉眼看清的地步,例如2012年5月,日面上出现了一个直径达10万千米的黑子,其活动区编号为AR1476,NASA的天文学家称之为“太阳黑子怪兽”,地球上的人类不必借助望远镜即可看到它。有记录的最大黑子直径超过245000千米。

    但是黑子有着成群结队出现的习性,一个黑子群往往由十几个甚至数十个黑子组成。如果黑子群的结构紧凑,且色泽深黑,就较易为地球上的人以肉眼发现。1946年太阳上曾出现历时3个月的大黑子群,最大时长32万千米,面积91亿平方千米。人眼要察觉亮背景中的暗点,所需的最小视角为2角秒,比一般情况下所能分辨的最小视角大一倍。据实测所得的经验数据,黑子群只有在面积达太阳面积的百万分之500以上时,才能用肉眼观测到,而这么大的黑子群也仅在太阳活动的峰期才会频繁出现。

    众所周知,阳光是非常耀眼的,不可直视。那么古人又是如何发现黑子的呢?从文献上看,古人观测到黑子多是在早晚时分,那时太阳的高度较低、大气消光作用较强。据推测,在扬尘、浓雾天气观日,或靠油盆反射法,或通过观日玉(半透明的玉石片或墨色水晶),也都是古人发现黑子的有效途径。

西汉以前的疑似记录

    西周末年至春秋战国的文学著作和历史文献中,可能就有黑子的记录。《周易》一书传说作于西周初年,曾经过孔子的修订,其中有不少文字被认为是商代和西周时的真实史事。《周易,丰卦》中有“日中见斗”和“日中见沫”的说法。有学者认为,这里的“斗”原意是小型的量器,“沫”则是小星。这两句话的意思是,日面上出现了形如小斗小星的暗斑。另据《通鉴外纪》和清康熙《陕西通志》记载,在周幽王末年,曾观察到一条上下贯穿日面的黑气。而《开元占经》则转引战国时星占家石申夫的观测记录:“日中有立人像。”这些都有可能是太阳黑子的记录。遗憾的是,这些记载文辞简略,无法确证其为黑子而非大气现象,而且也没有具体的年份和日期。

    西汉的天文观测记录远较前代丰富具体。据《古微书》记载,前166年(或前165年)春,曾观察到日面上出现了一个形如“王”字的斑痕。《汉书》则记载,公元前43年农历四月,日面上有一块无光的阴影。虽然学者们对于这两条文献仍有不同解读,也无法排除实为大气现象的可能性,但它们很可能也是太阳黑子的记录。

西汉以后的黑子记录

    在已发现的200多条中国古代黑子记录中,《汉书,五行志》河平元年三月的一条是现今公认的世界上最早的有具体日期的太阳黑子记录:“(河平元年)三月乙未,日出黄,有黑气大如钱,居日中央。”据考订,“乙未”当为“己未”,这条记录的日期应为公元前28年5月10日。文字虽不长,但是这条记录却提供了丰富的信息,包括黑子群的大小、在日面上的位置、出现日期和观测时间、太阳当时的颜色等,堪称后代记录的一个范例。

    在中国古代文献中,常称黑子为“黑子”或“黑气”。对于黑子的形态和大小往往采用比喻的手法加以生动形象的描摹,按照由大至小的顺序,瓜(应指香瓜等小瓜)、握拳、梨、鹅子、杯、鸭卵、鸡卵、桃、大钱、鸟卵、李、弹丸、枣、钱等物体常被用来描摹圆形或卵形的黑子,最小者仅可辨识其为一黑点,则可称“日中见星”。

    对于不规则的黑子,则往往以飞禽形容之,如“日色赤黄,中有黑气如飞鹊”,“日中有若飞燕者”,“日暴赤如火,中有三足乌,形见分明”,“日中乌见”;还有的黑子酷似人形,如“日中有黑子,状如人”。

    日面上往往并不仅有一个黑子群,古代文献中就有许多日面上出现多个黑子或黑子群的记载。如公元355年4月4日,“日中有黑子,大如桃,二枚”;374年4月6日,“日中有黑子二枚,大如鸭卵”;506年4月7日,“日中有黑气三”。1112年5月2日的几个微小黑子,看来令观测者无法辨认清楚数目,就留下了这样有趣的记载:“日中有黑子,乍二乍三,如粟大。”当有多个黑子出现时,它们往往还予人以相互“摩荡”、“动摇”、“相斗”的感觉。

    尤其是有些记载表明,古人的观测是每日坚持不断,而所见的黑子,也有一个短者数日、长者数月的消失过程。如180年3月的黑子“数月乃销”;299年正月的黑子“数日乃消”。有些记载甚至记录了黑子的消失日期,如342年正月,“日中有黑子,丙子乃灭”;1078年,闰正月庚子“日中有黑子如李,至二月戊午散”。这些记录基本上可以排除实际为大气现象的可能性,较之其它记录具有更高的可靠性。

    在明清以前,太阳黑子的记录主要是来自于二十四史等官修正史或《文献通考》、《通志》等政书,也有极少数记录来自《观象玩占》等星占书。明代后期,私家著述中也开始有了黑子的记录,如《国榷》、《二申野录》等。清代,地方志更是一举取代了官修正史作为黑子记录主要来源的地位。而且各地方志对于同一黑子会做可以互相参证的记录,进一步提高了黑子记录的可靠性和全面性。

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古人对于黑子的有趣认识

    黑子是什么?中国古人首先认为它是气,故而称之为“黑气”。如果黑子很小,则古人易于将它与星星相混同,常说“日中有星”。不过这二者也并不矛盾,因为在中国古人的观念中,星星就是由宇宙中的“气”所积聚而成。西方古代对于黑子的认识与东方有一点很相似之处,也认为黑子是小星。西方最早的可靠黑子记载是公元807年,西方学者长期认为这是水星凌日的记录。这一认识应当源自古希腊宇宙观的影响。古希腊人认为,宇宙是完美的、不朽的,太阳也是如此。因此太阳上不会发生任何变化。伽利略发现太阳黑子,无疑是对这种在中世纪的欧洲占据统治地位的思想的沉重一击。

    中国古人首先是用神话来解释太阳黑子。“日中乌”和“阳乌载日”这两则古代神话,究其实质,很可能就是来源于古人对于太阳黑子的观察。传说太阳的本体实则是三足乌,也就是有三条腿或三趾的乌鸦。而在很遥远的东方有旸谷,10个太阳栖息在一棵巨大的扶桑神树上,每天轮流着由阳乌背负一个太阳出来巡行于天,给大地带来光明。这两则神话流播甚广,影响极大。在屈原的千古名篇《天问》中,就有“出自汤谷,次于蒙汜。”和“羿焉彃日?乌焉解羽?”的诗句,而在汉代的《淮南子》中,也有“日中有踆乌”的说法。

    到了两汉,阴阳学说和天人感应学说盛行,当时的人们就用阴阳二气相互作用的理论来解释黑子。太阳当然是阳气聚集而成,黑子则是阴气干扰阳气所致。王莽篡汉时,出现了黑子,王莽感到很厌恶,在诏书里说,最近出现了黑子,这是阴气逼迫阳气,因而“黑气为变”,就反映了这种观点。有意思的是,大天文学家张衡还用阴阳理论来解释“三足乌”的神话。他认为太阳是阳气之精聚集成的鸟。按阴阳观念,日、鸟、奇数均为阳,因此用三足乌来象征太阳,而鸟的脚也只能取单数,才能与阳性自恰。

    而按照天人感应的学说,太阳象征着人世间的君王,如果太阳上出现了黑子,那是上天在太阳上涂抹黑点,表达对人间君王的不满。如果君王拒不悔改,上天就会降下种种灾异和祸殃。因此需要及时发现黑子,并采取措施,挽回天意。历代君王为了维护自己的统治地位,无不对此万分重视,要求皇家的天文机构坚持不懈地观测和记录黑子。

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对中国古代黑子记录的整理工作

    中外天文学家很早就注意到了中国古代太阳黑子记录所独具的完整性和科学性。1933年,朱文鑫先生即对中国古籍中的黑子记录做过系统整理,共得101条记录。1957年,程廷芳先生再做补充,共得106条。20世纪70年代中期,美国的天文学家艾迪重新提出“蒙德极小期”,进一步推动了这一文献整理工作。1976年,李维宝等整理出112条记录。北京天文台主持了对中国古代的天象记录的全面普查工作,于1978年汇编出《中国古代天象记录总表》,1988年正式出版《中国古代天象记录总集》,其中的“太阳黑子”部分比上述工作又大有增益。1982年,陈美东、戴念祖发表《中、朝、越、日历史上太阳黑子年表》;1990年,徐振韬、蒋窈窕发表《BCI 65~1 684AD世界古代太阳黑子记录一览表》,中国部分共计185项。在2009年出版的《中国天文学史大系,中国古代天象记录的研究与应用》一书中,庄威凤又在上述诸表的基础上,删去可疑记录,编制成“公元前165~公元1911年加权太阳黑子记录”表,再次整理了中国古代的太阳黑子记录。

    早有学者注意到,在中国古代,有几个时期的黑子记录特别丰富,即公元4世纪、12世纪和14世纪。也有一些时期特别稀少,除了引起广泛争议的蒙德极小期,7至8世纪的唐代也是一个明显缺少黑子记录的时期。个中原因,除了天文学家的勤谨程度有别,历史文献保存状况不一,是否也牵涉到了太阳黑子的长周期变化?这已是一个广为关注的重大科学问题。

    艾迪的“蒙德极小期”理论认为,1645年至1715年之间,太阳活动实际上停止了,太阳活动的十一年周期可能只是近二三百年来刚刚形成的暂时现象;在此期间没有发现中国的目视黑子记录。这些论断不但在世界太阳物理学界引起了激烈反响,也促使中国科学家积极参与论争,做出了许多扎实的史料爬梳整理和分析工作,在国际上产生了重大影响。从目前中国科学家的研究结果来看,艾迪所提出的时段内,1645年至1670年间共发现中、朝两国黑子记录15条,超出了历史平均水平;蒙德极小期实际起止于1670年至1730年,在此期间太阳活动虽处于极低的水平,但并未完全停止,并表现出了1 1年周期的基本规律。

    通过中国和东亚各国的黑子和极光记录,可以将12世纪以来的太阳活动分为几个阶段:12世纪极大期(1110年至1210年)、宋元极小期(1280年至1360年)、明初极大期(1360年至1390年)、15世纪极小期(1420年至1510年)、17世纪极大期(1590年至1670年)、18世纪极小期(蒙德极小期,1670年至1730年)、19世纪极大期(1835年至1885年)……最近,有俄罗斯学者发表了通过对冰川和树木化石的碳1 4分析重构万年来太阳活动状况的研究。已有国外学者将这一最新成果与中国古代的黑子记录进行了比对,认为两者之间有一些明显能够相互符合的极大期和极小期,例如8世纪的唐代极小期。

    可见,在人类对于太阳的研究进程中,中国古代的黑子记录仍将是一个不可或缺的工具,一份独一无二的财富。

假如没有太阳,地球会怎样

萧耐园

    太阳是我们赖以生存的基础,如果没有太阳,地球会是什么样的呢?

    太阳对于地球和人类生存至关重要的意义,可以说是人尽皆知的。不过对于天文学家来说,在回答“假如没有太阳我们的世界将是怎样”这个问题时,还有更大的想象空间。

    太阳系产生于一个尺度大到几十至几百光年的,主要由氢、氦和尘埃组成的星云中。其中某些物质分布相对密集、万有引力较强的部分会吸引周围的物质向这些部分集中。以这些凝聚中心为中心,这个大星云分裂成许多个尺度在1至几光年的小星云,其中一个就是原始太阳星云,地球与太阳就共同脱胎于这个原始太阳星云。

    太阳形成后,作为太阳周围“剩余物质”的星子,结合而形成地球等行星。人们常说的“太阳是地球的母亲”,其实并不确切,因为众行星不是从太阳里生出来的,太阳只是地球及其兄弟姐妹们的长兄,不过是极其强势的长兄。它以自己的强大引力,让这群兄弟姐妹们聚集在一起,又以自己的光和热照亮和温暖着它们。

    假如在形成太阳之前,这个凝聚中心周围的物质已经消耗殆尽,中心得不到进一步的物质补给,就不可能形成太阳,最终会形成一个类似木星的褐矮星。这里要强调,我们说的是假设或是想象的情况。从科学角度看,形成类木星天体是合理的。其实地球在刚形成的时候,也是一颗“木星”,和现在的木星类似,只不过现在的地球是这颗“木星”的核心。

    现代天文学告诉我们,木星、土星、天王星、海王星等这类类木行星的内部都有一个很大的岩石核心。如果把类木行星外面的气体(包括液态氢)层剥掉,那么这些类木行星也就成了类地行星了。而类地的水星、金星和火星由于离太阳近,所受到的太阳炙烤和太阳风吹刮十分猛烈,再加上岩石核的质量较小,引力不大,所以其外围的气体层逐渐挥发,终于丧失掉大气层,露出了岩石核心,就形成了有岩石外壳的行星,即类地行星。这层大气称为第一代大气。后来遍及整个行星的大规模火山爆发逸出的大量气体,构成了以二氧化碳为主要成分的第二代大气,如现在的金星和火星大气。现在,水星大气已经散逸,地球大气则因生物作用而变为如今的以氮、氧为主的第三代大气。可见,在没有太阳的情况下,“木星状地球”的第一代大气是不会消失的,更不用说形成第三代大气了。

    在“木星状地球”上也可能出现生命。现在人们知道,在许多以前认为不可能存在生命的严酷条件下,竟然活跃着许多不可思议的生物。如在几千米的大洋深处,终年不见阳光,但是从海底下冒出的温泉周围竟有许多鲜活的生命,它们靠温泉的热量和物质维持生命活动,显示了生物的多样性和生命的顽强性。

    现代的天文探测表明,木星辐射的能量比它从太阳吸收的能量更多,说明它的内部有热源,那么也可以合理地推断这个“木星状地球”也会有内部热源,可能为某些生命形态提供能量。当然,这种生物只能是低等生物,要说进化成高等生物,乃至智能生物,从而形成如今地球这般欣欣向荣的局面,那可就是超乎想象了。

    这个“木星状地球”,如果没有太阳引力的羁绊将怎样行动呢?它与从大星云中几乎同时形成的其它恒星或其它木星状行星形成了一个星协或疏散星团。它会与这个星协或星团一同运动,同时也有相对于其它成员的独立运动。有时,如果它的运动速度特别大,或者它处于这个星协或星团的边缘,受到其它天体的摄动时,也可能从星协或星团中逃逸出来,就成为了在宇宙空间漂荡的“孤立行星”。它有可能在经过某颗恒星附近时被俘获,于是便在“太阳”的温暖下,终于演化成真正的地球状行星;它也有可能被恒星吞噬而消失在宇宙中;也有可能与另一个同类相撞,并合成一颗更大的孤立行星,若这种碰撞继续进行下去,最终的质量或可达到或超过0.05倍太阳质量,就可能“发育”成恒星,因为在这样的质量条件下,氢核反应可以点燃了。但是,被俘获或相撞的概率其实是微乎其微的,因为星际空间实在太空旷了。须知,即使在两个星系碰撞时,星系内两颗恒星碰撞的情况也几乎不会发生。

    以上是从太阳系形成说起的。而事实是现在我们已经有了太阳,那么下面要来说说地球将怎样“失去”太阳。

    根据天文学观测,研究人员们预计在40亿年之后,仙女星系将与银河系相碰撞。两个巨大的星系碰撞,这是多么波澜壮阔的宇宙图景。其实,远在这两个星系接触之前很久,它们彼此巨大的引潮力就会使对方产生剧烈形变,每个星系外围的恒星、星际介质等物质会被引潮力拖曳而出,随着两个星系的逐渐接近,这种效应越发强烈,被拖出的物质越来越多,并被抛向茫茫无涯、沉沉黑暗的宇宙空间。

    太阳系在这场宇宙大变故中的真实遭遇,现在很难确切地预测。太阳系有可能被引潮力拖出银河系,但太阳本身的物理状态,如质量、光度等未必受多大影响,但太阳系内的行星轨道,如地球的轨道有可能被拉得很长。地球轨道的远日点到了几十天文单位之外,绕行周期达几十、上百年。地球在离太阳这么遥远的地方,就会冻成一个大冰球;而近日点也许在水星轨道处,在这么靠近太阳的地方,地球表面的温度高达二、三百度,大气和海水会大量地挥发和蒸发,原来生命宜居的地球就变成了受冰冻、火烤的地狱。在这种情况下,地球在其轨道运动70%~80%的时段上,不可能接受到足够的太阳辐射,太阳看上去只是一颗明亮的恒星,也可以说地球已经“离别”了太阳。更极端的情况,是地球的轨道被拉成了抛物线或双曲线,于是就上演了地球与太阳“生离”的悲剧。

    根据推算,从现在起大约50亿年之后,太阳会成为一颗红巨星。它的直径将会膨胀到火星轨道附近,表面温度由现在的约6000度降到约3000度。红巨星将继续膨胀,成为一个行星状星云。这个行星状星云还将不断扩散,最后露出一个孤零零的变成了白矮星的太阳。

    于是,有朝一日地球将被太阳变成的红巨星吞进肚子里,终于毁灭,走上“死别”的不归路了。其实,就在毁灭之前,地球已经惨不忍睹了。当太阳膨胀向红巨星演化时,它的表面不断向地球接近。虽然表面温度随着膨胀而下降,但由于表面积增大,总光度仍然很大,同时地球到它的距离缩小,于是传输到地球上的热量日渐增加。地球的大气挥发了,海水蒸发了,地面上的一切因灼热而燃烧起来了。待太阳膨胀到地球轨道处吞噬地球时,这个地球已面目全非,像一粒烧过的煤球。这时太阳的表面温度大概还在4000度上下。但即使是“煤球”,也经不住4000度高温的熔炼,已经成了融熔状态,这也许就是地球呈现于世的最后形象了。

    火星能否逃脱被太阳吞噬的厄运,现在很难预测。即使不被吞噬,那么火星以及木星、土星、天王星、海王星乃至柯伊伯带天体和奥尔特云等的命运将会如何呢?前面说红巨星将会继续膨胀成为行星状星云。星云物质的温度不至于很高,但是这些物质充斥于行星际空间,给行星的运动带来极大的阻力。太阳在向红巨星演化的过程中,整个太阳系的引力态势,基本上不会改变,因为引力还是集中在中心,火星等行星的运动状态也基本不变。但是,一旦红巨星向行星状星云演化,星云物质充满行星际空间后,行星运动受到阻尼,轨道收缩,行星会向中心下落。越向内部,阻尼越大,最终形成雪崩式的恶性循环。于是火星、木星、土星……等众星“躲过了初一,躲不过十五”,最后纷纷向中心的白矮星掉落下去。其实在它们掉落到白矮星上去之前,这颗新白矮星的高温早已经把它们熔融升华成气态了。

    太阳成为红巨星和行星状星云的蜕变是在完成自己最后的使命。它把物质归还到宇宙空间,最后结合进新的星云,为孕育下一代的恒星和行星准备材料。宇宙内的物质就以这样的方式进行着一种堪称伟大的循环。

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