21世紀了-人類的這抷土知多少呢？(7-1)
21世紀了-人類的這抷土知多少呢？(7-1)
在1989年春天一個寧靜的夜晚，美國亞利桑那州基特峰國家天文臺天文學家阿弗拉正在悠閒散步。突然，他發現一片紅光出現在夜空之中。最初他還以為是森林大火映紅了天，刹那間，滿天紅色又變成綠色的北極光，就像一塊巨大的幕布懸掛在天上，甚至能看到這塊“幕布”下面還有流蘇呢!
阿弗拉看到的情景原來是太陽玩的把戲。太陽距離地球大約1.5億公里，它的直徑約為140萬公里，大小約為地球的333000倍。在這個巨大的星球的組成成分中，氫占了絕大部分，約為72%，氦占27%，1%是其他物質。
太陽核心的溫度高達1500萬攝氏度，每秒鐘有6億噸的氫在那裏被聚變成氦，然後被送到太陽表面。太陽表面又叫光流層，那裏的溫度較低，只有5500~C。太陽是懸浮在空中的天然核反應爐，它通過核聚變釋放出驚人的能量。這些能量造成太陽上的風暴，能量的一部分被高速粒子帶到太空之中。當風暴吹向地球的時候，地球磁場由於受到它們的幹擾而變成淚球的形狀。
來自太陽表面的能量還以可見光、紫外線和X射線的形式向地球輻射，它們的力量足以穿透地球的大氣層，其功率竟高達100萬千瓦!也就是說，地球上每平方米都受到1.35千瓦來自太陽的輻射，科學家把這個數字稱為太陽常數。
有了太陽能，植物賴以生長的光合作用才能進行；也正是這種太陽能儲存在已經變成礦物燃料的古生物中，為我們提供了煤和石油。陽光給地球送來了熱量，促使大氣迴圈、海水蒸發，形成雲和雨。在大氣層中，太陽能撞擊2個氧原子組成的臭氧分子，使它們變成由3個氧原子組成的臭氧分子。臭氧層擋住了來自太陽的大部分紫外線，那一小部分透過臭氧層的紫外線，雖能使愛健美的人曬得黝黑，但若照射的時間過長，卻會誘發皮膚癌。
陽光是地球最可靠的熱源，35億年以來，它使地球溫度的變化範圍很小。這對維持生命的存在是十分必要的，因為來自太陽的能量無論變多了還是變少了，都會對我們居住的行星產生深刻的影響。
在人類歷史長河中，太陽被尊崇如神，因為它給地球帶來光明和生命。聞名於世的埃及吉薩地區的金字塔，每當春分這一天，它們的一個底邊剛好指向太陽升起的地方。太陽享受的尊敬不僅來自古埃及人，太陽神阿波羅的大名直到今天還被用到宇宙飛行器的命名上。
多少世紀過去了，很少有自然現象能像日食那樣引起人們既恐懼、又崇敬的心理。古時，中國人每逢日食便燃放爆竹、敲打銅鑼，恐嚇驅趕吞吃太陽的妖精。在馬克·吐溫的筆下，日食卻救了一個康涅狄格的美國佬。那個人知道要發生日全食，於是趁太陽消失之機，從亞瑟王的騎士手中逃了出來，逃脫了被燒死在火刑柱上的厄運。至於當今美國眾多的天文愛好者，更是富有大無畏的精神。他們乘飛機、坐輪船、開汽車，從爪哇到西伯利亞，從歐洲到非洲，哪兒出現日全食就湧向哪兒。
人類對於太陽的觀測已有幾千年的歷史，然而至今太陽的許多秘密仍未被揭開。天體物理學家對太陽的測量結果與理論模型之間存在著的很多不相容性提出了質疑。人類將借助於未來的宇宙探測器去解開一些太陽之謎。
透過天文望遠鏡，人們可以看到太陽的表面是一片色彩多變、廣闊而又可怕的景象：有的區域像是地球上成蔭的樹林，有的區域像地球上正在起火的大草原，有的則像地球上微風吹拂下的麥田。在半徑為70萬公里(約為地球半徑的100倍)的太陽上，到處是氫的海洋，那裏氫的密度是地球上水的千分之一。而“粘附”在太陽表面上不斷抖動著的“微細纖維”，實際上是正在噴射到30萬公里高處的數以10億噸計的物質，那些豎立著的“骨針”是比喜瑪拉雅山還高的山。
太陽的活動，如熱核反應等，直接影響著地球的氣候。而依靠太陽生存的古老地球，在50億年以後將會隨著太陽上大部分物質被耗盡和被稀釋到極限而消失。根據太陽的顏色和發出的光，人們可以估計出太陽的溫度。目前已知的太陽內部溫度高達1500萬攝氏度，其內核密度為每立方釐米
今天，人類對於太陽的認識還不是很深刻，實際上，人們原先對於太陽的認識存在著很多錯誤。例如，太陽的實際轉速要比理論推算的慢得多。太陽赤道上某一質點以
太陽輻射是呈週期性的。在週期開始的時候，太陽相對“平靜”，這時太陽磁場明顯地出現偶極性，這種偶極性與地球磁場極性相似，但磁強度比地磁強得多。如果能把一隻盤放在太陽表面，其磁鍼會指向磁北。幾年以後磁鍼又指向西，爾後又指向東。大約11年以後，磁鍼指向南。經過22年的偏轉，磁鍼回到原先的磁北。為什麼會出現這種奇特的現象呢?其實，太陽上某一質點運行的速率在兩極要比在赤道慢得多。太陽磁場的磁力線先是南北向分佈，隨後發生偏移，重新聚合，強磁場形成一個磁“管”，最後出現螺旋形磁場。太陽黑子活動有週期性增多的現象，週期長度為11年。太陽黑子好像東西向放置的磁鐵，擋住了太陽偶極磁場，這些磁鐵雖小但能量很大，此時羅盤不僅不能指出方向，而且就連磁鍼都將被黑子吸走。
為瞭解釋這種週期現象，科學家們已經開始憑藉空間實驗站進行探究。他們在宇宙中發現了呈香蕉形狀的對流捲繞著太陽轉軸運行，但這種現象並不總是可以被直接探測到，它們是隨磁場的週期變化而交替出沒的。他們把圖像資訊轉化為數位，借助電腦處理後得出太陽黑子的運行規律，最終發現：太陽黑子是由對流卷引起的。
1991年3月初，太陽黑子的活動十分頻繁。有一個黑子很大，上面足以放得下70個地球。黑子比它周圍的溫度低2000攝氏度，所以，在明亮的太陽上看起來就像一個汙點或一塊黑斑。有時候，黑子或它的旁邊也會出現極明亮的斑點，就像草原野火一樣，很快就籠罩了幾十萬平方公里的面積。這就是不常見的太陽耀斑，它的溫度高達2000萬攝氏度，所以顯得格外耀眼。耀班是發生在黑子區域的大爆炸，它把光和熱以及幾十億噸物質射人太空。
黑子和耀斑是太陽表現不安份的信號，預示太陽活動高峰即將來臨。使人們感到慶倖的是，當年3月份的耀斑發生在太陽最東端，因此，它產生的最大力量偏離了地球。不過，3月10日，由於太陽旋轉使黑子的位置直接面對地球，那時恰好又出現了一個不太強的耀斑。8分鐘後，X射線和紫外線以光速光臨地球大氣層；大約1小時左右，高能質子開始到達；3天之後，低能質子和電子也輻射到地球。
最先體驗太陽暴怒的是裝置在人造衛星上的測量太陽活動週期的儀器。觀察站工作人員說：“它們好像被人打暈了，一分鐘後才蘇醒過來。”對地球來說，耀斑效應是具有破壞性的。短波廣播被幹擾長達24小時，導致衛星通訊無法正常進行。耀斑在大氣層產生強有力的瞬變磁場，在廣播線和電力傳輸線中誘發新電流。
除了黑子和耀斑，太陽上白熱化的氣體還能形成巨大的環，射向幾萬公里的空中。這就是日餌，也就是太陽戴的“耳環”。日餌現象有時可以持續幾個月才消失。在日全食的時候，還可以觀察到日冕。由幾十億噸白熱體組成的日冕偶爾也能脫離太陽的控制，以每小時320萬公里的速度飛向太空。
本文開頭提到使阿弗拉及成千上萬目擊者讚歎不已的北極光，就是太陽耀斑的一個傑作。耀斑噴射的高能電子來到大氣層後，在地球磁場的作用下偏離了原來的方向。因為磁力線對南北兩極的保護作用很小，所以電子聚向這兩個地區的上空。和人類設計的霓虹燈原理相同，電子撞擊氧原子，使它們發出紅光和綠光。
在太陽活動高峰期，地球大氣層受到大量來自太陽的粒子的衝擊。它們以100萬安培的電流強度強行突破大氣層，產生的強磁場給地球居民帶來了麻煩和災難。太陽上一次活動高峰出現在1991年，天文學家預計2001年將再次出現活動高峰。不過，太陽是變幻莫測的，許多科學家都認為太陽活動高峰的週期平均為11年，但短的時候只不過7年，長的時候卻可達17年。
觀察太陽可為尚未解決的問題提供線索。太陽的活動週期是否影響地球的氣候?控制這個週期的機制是什麼?太陽是在變冷還是在變熱?單靠歷史文獻研究過去的太陽活動是很不夠的，幸好大自然給我們留下了可靠的記錄，那就是樹木的年輪。很多人知道年輪每一圈表示樹木生長一年，通過年輪可以看出自然環境和樹木營養條件的變化，但知道年輪與黑子和耀斑有關的人就不多了。
來自外太空的宇宙線和高速粒子經常與大氣層中的分子發生衝突，產生一種放射性同位素——碳14。植物通過光合作用吸收二氧化碳時，一些帶放射性的二氧化碳也摻雜在裏面。有人在檢測年輪上放射性碳14的強度時發現，當黑子多的時候，碳14被吸收的數量就顯著減少。科學家的解釋是，太陽活動期黑子出現頻繁，它們的磁場迫使一些宇宙線偏離地球。因此，大氣層中產生的碳14也就少了。
研究年輪只能知道太陽活動的過去，那麼用什麼方法瞭解現在甚至推測將來呢?科學家建立了一門叫作“太陽地震學”的學科。他們發現，黑子最暗的中心部分磁場特別強，邊緣較亮的部分(又叫半影)磁場相對較弱。極性不同的兩個黑子半影偶爾也會互相吸引，融匯在一起。可惜我們不能直接收到太陽的地震波，因為太空中沒有傳播聲音的空氣和其他媒介。
地震波從太陽內部傳到表面，因為前面無路可走，於是又被彈回內部，太陽內部的高溫又迫使它們返回表面。如果把太陽比作一個鈴，地震波就像鈴舌一樣，不斷地敲打它。這些聲波雖然無法直接監測，但它們在太陽表面引起氣體上下翻騰的振盪作用卻是可以測量的。
科學家還預測，當太陽上的氫消耗得所剩無幾之時，它將膨脹成一個巨大無比的紅色“氣球”。脹出的部分將會吞沒水星或許還有金星，即使地球還不至於被火葬，強烈的熱輻射也足以使海洋沸騰蒸幹，地球上將不復有生命存在。不過，這場宇宙大劫難在50億年內並不會發生，這就給科學家足夠的時間揭開離我們最近的恒星的奧秘，尋找拯救地球的諾亞方舟了。
儘管太陽是距離我們最近的一顆恒星，但是由於太陽的高溫狀態，人類不可能像探測月亮一樣到太陽表面去進行實地考察，要想深入地瞭解太陽，主要就得依靠太陽發出的光。
對陽光的研究，最早可以追溯到17世紀。1672年，英國劍橋大學的一個青年學生做了一個非常有意義的實驗。他讓一束太陽光從窗洞射進暗室，並穿過一塊三棱鏡後，投射到一塊白色的螢幕上。這時奇跡發生了，原來的一束白光擴展成一條美麗的彩色光帶，就像雨後彩虹一樣，呈現出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種顏色。這個實驗說明白色的太陽光實際上是由上述幾種不同顏色的光混合而成的。這條美麗的彩色光帶就叫做太陽光譜。做這個光學實驗的青年學生就是牛頓，後來成為鼎鼎大名的物理學家。
光的本質究竟是什麼呢?牛頓認為光是一種微粒，一束光就是一連串小粒子，像連珠炮似地從光源射出。而與牛頓同時代的著名的荷蘭物理學家惠更斯卻認為光是一種波動，就像水面上蕩漾著的波浪，一起一伏地向前傳播。經過一代又一代科學家的不斷研究和探索，到20世紀初期，人們逐漸認識到光同時具有波動和微粒兩種性質。就傳播的方式來說，光是一種電磁波；但它所輸送的能量卻凝聚成一顆顆光子。
我們平時看見的太陽光，是人的眼睛所能感覺的光波，即可見光。事實上，除了可見光之外，太陽還發射出許多種看不見的光線，如紅外線、紫外線、無線電波、X射線、γ射線等等，這些都是電磁波。各種電磁波的傳播速度是一樣的，都等於光速C，在真空或空氣中約為每秒30萬千米；它們之間的不同之處在於它們的波長和頻率。在速度C、波長λ和頻率ν這三個物理量之間存在一個關係式：C=ν·λ。太陽可見光通過三棱鏡之後能夠分解成多種顏色的光，就是因為不同顏色的光具有不同的波長，不同波長的光在三棱鏡裏的折射角度不同，因此它們在穿過棱鏡之後就分道揚鑣，各走各的路了。
不同的電磁輻射，是由不同的物質或者是不同的物質狀態發出來的，並且各種物質又會對輻射產生反射、折射、吸收、散射等多種作用。輻射和物質有著不可分割的密切聯繫。天文學家通過研究太陽輻射的性質以及物質對輻射的影響，就可以得知太陽的物理狀態和化學成分了。因此，我們說太陽發出的輻射是向我們傳遞太陽資訊的忠實使者，而太陽光譜就是太陽輻射的真實記錄。
自19世紀末期以來，人們又製造了很多太陽光譜儀，專門用來拍攝太陽的光譜。20世紀中期人類進入空間時代以來，又從太空中拍到了太陽的X射線和遠紫外線的光譜。人們發現，太陽光譜裏的學問可多著呢。原來，它並不僅僅是一條簡單的連續光譜(即彩色光譜)，在連續光譜的上面還有許許多多的粗細不等、分佈不均的暗黑線，共有2萬多條。這些暗黑線叫做吸收譜線，它是在1814年由德國化學家夫琅和費首先發現的，因此也叫夫琅和費線。另外在連續光譜上還有成千上萬條明亮的譜線，叫做發射譜線。
天文學家剛剛看到如此錯綜複雜的太陽光譜時，就好像是面對一部神秘難解的天書，暗的吸收譜線和亮的發射譜線各說明了什麼問題呢?1870年，德國物理學家基爾霍夫經過反復的試驗和研究後發現了關於光譜的三條定律：① 熾熱的物體發出連續光譜； ② 低壓稀薄熾熱氣體發出某些單獨的明亮譜線； ③ 較冷的氣體在連續光源前面產生吸收譜線。有了基爾霍夫的三條定律，天文學家通過對太陽光譜的分析和研究，對太陽大氣的結構、物理狀態、化學成分以及太陽活動的性質等等，都有了越來越深入的瞭解。(續)