正文 第九章 太陽的外層(2)(2 / 3)

關於色球我們還要特別提到它的反常增溫。我們知道,太陽中心產能,越往外溫度越低,到光球頂部溫度約4600K。按常規來說,在光球之外的色球本應溫度更低。但是,出人意料的是它的溫度卻越往外越高。色球層約厚2萬千米,到色球頂部溫度猛增到了幾萬度。為什麼會增溫呢?近年來認為這是由於對流層中產生的一些波動向外傳播時,把內部能量帶出來的結果。

太陽表麵的能量爆發過程

地球上猛烈的爆發要算火山噴發了。大的火山爆發可以毀掉整個城市。但這比起太陽上的大爆炸就微不足道了。通過色球望遠鏡觀察色球時,有時會發現一個亮點在幾分鍾甚至幾秒鍾內突然增亮,亮點迅速擴大,麵積超過3億平方千米。然後很快減弱、消失。這是色球層中劇烈的活動現象一一耀斑。特大耀斑白光中也能看到。一次大的耀斑爆發,可以釋放出1023~1026焦耳的巨大能量,它相當於太陽每秒放出的全部能量,比上百萬次強火山爆發放出的全部能量還要多。而且耀斑爆發時,不僅可見光突然增亮,其他波段的輻射更大輻度地增強了。比如X射線能量會猛增幾十、幾百倍,射電輻射可以猛增上千倍以上。同時還釋放出大量的高能帶電粒子,這些粒子主要是質子(氫核)、電子,速度可達每秒1000千米,比炮彈的速度(1000米/秒)要快1000倍。可見其爆發的猛烈。這些粒子能量很高(10~10000百萬電子伏特),對正在太空從事航天工作的宇航員有生命威脅。如果沒有地球的磁場和大氣作天然屏障,恐怕我們人類也難於幸免。盡管如此,這多種突1然增強的輻射從太陽出發,浩浩蕩蕩傾瀉在地球周圍,必然要對地球產生一係列影響。

太陽吹來的風

如果我們看一幅日食照片。會發現被遮住的太陽外麵;那淡淡的清白色的光是什麼?那就是太陽最外麵的大氣源——日冕。日冕的亮度隻相當於滿月的亮度,平時我們肉眼很難看到。日冕的形狀與太陽活動有關,在黑子多的年份,日晃接近圓形;黑子少的年份,日冕變扁,兩旁沿赤道向外延伸,極區有羽毛狀光芒。古代埃及人把太陽繪成.有大羽翼的鳥,也許就是這個現象的啟示吧。日冕直徑大致等於太陽視圓麵的1~3.5倍。在可見光照片上,日冕各處亮度相差並不懸殊,而在大氣外拍攝的太陽X光照片上就大不相同了。它上麵有大片條形的暗黑區域,從太陽的極區一直延伸到赤道附近,這些暗區叫冕洞。冕洞的溫度比一般日冕溫度低得多。那裏的磁力線向空間張開,大量的帶電粒子順著磁力線跑了出來,成為太陽風。太陽風是個很形象的名詞。

地球上空氣流動形成風。從太陽流來的是日冕高溫等離子體,稱為太陽風。太陽為什麼會不斷地向四麵八方吹風呢?這要涉及到日冕的物質狀態。日冕溫度極高,在色球之上繼續增溫達到一二百萬度。而日冕物質卻極其稀薄,隻相當於大氣密度的1萬億分之一。在這極高的溫度和極稀薄的狀態下,日冕物質全部電離。這些帶電粒子運動速度極快,有一部分掙脫了太陽的引力,像脫韁的野馬奔向四麵八方。這樣日冕就穩定地向外膨脹,形成太陽風。

太陽風都是高溫的電離氣體。用人造衛星捕獲太陽風質點,得知太陽風的化學成分主要是質子(氫原子核),占91.3%;其次是氦核,占8.6%;還有各元素的高度電離的離子和自由電子。

太陽風跑得有多快呢?在地球軌道附近,衛星測得太㈱陽風速約為450千米/秒,比步槍子彈還快500倍。質子溫度約為4萬度。電子溫度約10萬度。這樣高的溫度,地球不會被烤焦了嗎?這點不必擔心,因太陽風密度太低了,大約每立方厘米隻有8個粒子。它總體帶來的能量是微不足道的。

太陽風能吹多遠?從理論上推算出它的邊界可能達到日地距離的50倍。從日冕膨脹的角度來講,可以說我們的地球以至整個太陽係其它行星都在太陽的懷抱之中。

太陽耀斑

在太陽黑子周圍,往往可以看到一大片明亮的區域,這稱為光斑。光斑在日麵中心區甚為罕見,而在邊緣經常露麵。為什麼是這樣呢?日麵中心區的輻射屬於光球的較深氣層,而邊緣的光主要來自光球上層。不難了解,光斑比太陽表麵高一些,可以算是光球層上的“高原”。

光斑比寧靜光球略亮一些,亮度相差約10%。按斯特凡定律,輯射強度和輻射體溫度的四次方成正比。不難算出,光斑的溫度比光球高100~300度。許多光斑與黑子結下不解之緣。它們環繞著黑子,包含許多明亮的纖維。至於與黑子無關的光斑,出現在70度高緯區,平均壽命僅半小時。

如果用單色分光儀或色球望遠鏡在強的夫琅和費線的中心頻率進行觀察,就可以看到在單色太陽像上也有一片片的明亮區域。它們在日麵上的位置與光斑大致吻合,因此稱為色球光斑(也有人把它們叫做譜斑)。回頭來說,前麵談到的光斑應當稱為光球光斑。這兩種光斑實際上是一個整體,隻是高度不同。這就像一幢樓房,光球光斑在樓下,色球光譜在樓上。

色球光斑是太陽上最強烈的風暴——耀斑——的活動園地。太陽的X光和微粒流都有很大部分來自色球光斑。一般把Ha單色像上看到的色球光斑稱為氫譜斑,而在隻或K單色像上與之對應的是鈣譜斑。這兩類譜斑大同小異,鈣譜斑對周圍背景來說反襯度大一些,也更清楚一些。兩類譜斑都有很複雜的精細結構,蘊藏著許多值得發掘的珍貴知識。

1859年9月1日,這在太陽研究史上是一個值得紀念的日子。在這一天,人類破天荒第一次看見了太陽上最強烈的也慰地球影響最大的活動現象一一耀斑。那一天有兩位英國天文學家分別用望遠鏡觀察太陽,他們同時在一大群黑子附近,都看到一大片新月形的明亮閃光。閃光以每秒100多千米的速度掠過黑子群,然後很快消失了。這個令人目瞪口呆的現象發生不久,出現了電訊中斷,地磁台記錄到強烈的磁暴。在當天和第二天,許多高緯度地方看到非常明亮的極光。這一連串戲劇性的突然事件,使科學家感到震驚。太陽上出了什麼亂子?為什麼對地球有這樣大的影響?……為了解答這些問題,耀斑研究的序幕拉開了。

那次看見的耀斑是罕見的特大耀斑。它在連續光譜區域也能看見,稱為白光耀斑。一般耀斑隻發出某些譜線(例如Ha)因此隻能在單色像上出現,而在白光照片上渺無蹤跡。

耀斑最突出的特征是來勢猛、能量大。在短短一二十分鍾內可以釋放1025~1026焦耳的巨額能量。這比整個太陽大氣所蘊藏的能量總和還多,它相當於十萬至百萬次強火山爆發的能量總和。就太陽局部區域來說,這確是一件驚天動地的大事。

耀斑還有一個顯著特征,就是它的輻射品種繁多。除可見光外,有紫外線和紅外線、X射線和γ射線以及射電輻射,還有衝擊波、高能粒子流,甚至宇宙射線。這許多令人眼花繚亂的輻射,在一刹那間從耀斑區域浩浩蕩蕩,傾瀉而出,聲威烜赫,煞是壯觀。耀斑對地球有巨大影響,對正在太空遨遊的宇航員是致命的威脅。耀斑研究受到特殊重視,絕非偶然。

耀斑的發現向我們提出一係列難題。首先,它們的浩大能量從何而來?天文家們認為,唯一可能的源泉是磁場。不難算出,一個強度約100高斯,體積為1029立方厘米的磁場一旦土崩瓦解,它釋放的磁能就足以供給一次大耀斑爆發而綽縛有餘。可是磁場這個“魔術師”,怎能像變戲法一樣把耀斑這個“怪物”弄出來呢?其次,存儲在磁場中的能量怎麼會在一瞬間突然放出?是怎樣一隻神秘的手指頭在“扣扳機”?還有,許多種性質懸殊的輻射怎麼能一起進發出來?像Ha這樣的可見光,大約是在1萬度的氣體中產生的。可是有的輻射卻需要極高的溫度。例如波長為1.8埃的一條X發射線屬於25度電離的鐵,而這樣極高度的電離竟要求3000萬度的高溫!