太阳温度、太阳活动周期对地球的影响

伤我心太深

　　太阳温度、太阳活动周期对地球的影响：太阳是太阳系的中心天体，也是距地球最近的一颗能自身发光发热的恒星。它是地球上万物生长所需要的光和热的源泉。在人类历史上，太阳一直是世界上许多民族顶礼膜拜的对象。中华民族的先民把自己的祖先炎帝尊为太阳神。而在古希腊神话中，太阳神则是万神之王宙斯的儿子阿波罗。在天文学中太阳的符号是⊙，象征着宇宙之卵，是生命的源泉。对我们地球上的人类来说，太阳是最重要的天体。我们对太阳的研究，主要是探明它对地球的影响，此外，以它作为一个典型来认识恒星的一般特征。


　　一、太阳的体积、质量和温度


　　太阳是一个直径为地球109倍的气体球。因此，它的体积约为地球的130万倍，但它的质量只是地球的33万倍，其平均密度约为地球密度的1/4，或为水的密度的1.4倍。太阳的表面温度约为5700℃。太阳的温度随深度的增加而增加，恒星结构理论估算太阳的中心温度约为1500万℃，在这样的温度下能提供太阳能源的热核反应便发生了。目前，太阳每秒钟辐射出的能量为3.86×1026焦耳。




　　二、太阳的结构


　　太阳从结构上可分为两大部分：内部为稠密的气体，处于高温高压之下，是我们无法看到的;外部是可见的稀薄气体，通常称为太阳大气。

　　1.太阳的内部结构

　　太阳的内部从里往外由核反应区、辐射区和对流层三个圈层所组成。

　　(1)核反应区：从太阳中心到1/4太阳半径范围内是进行热核反应产生能量的区域。这个区域体积约占太阳体积的1/64，密度约为水的150倍，质量占太阳质量一半，温度高达1500万度，压力高达2500亿个地球大气压，不断进行着将氢聚变为氦的核反应，释放出巨大的能量。它是太阳辐射和太阳活动的主要能量来源。太阳发射的能量99%是从这里产生的。

　　(2)辐射区：中心核反应区之外是能量辐射传输区，简称辐射区。它的范围约从0.25至0.8太阳半径，其体积约占太阳体积的一半。热核反应产生的辐射能量在这里通过太阳各层物质的吸
收、发射、再吸收、再发射的过程向外输送。热核反应产生的高能γ射线经过这个过程逐步降低频率，最后成为太阳向空间辐射的较低能量的可见光和其他形式的辐射。

　　(3)对流层：对流层是太阳内部大气的最外层，其体积也约占太阳体积的一半。由辐射区输送的能量使这里温度达几万至几十万度，稠密炽热的气体处于升降起伏的对流状态。在太阳大气中产生的各种活动(如黑子、耀斑等)都与对流层有关。





　　2.太阳的外部结构

　　太阳的外部由光球、色球层和日冕三层大气所组成。

　　(1)光球：肉眼所见的光芒夺目的太阳视表面，叫做光球，是太阳大气的最低层，厚约500千米。通常所说的太阳直径和太阳表面温度也都是指光球而言的。从光球发出的光产生连续光谱。非常明亮的局部区域，即光斑是经常出现的。太阳的黑子也不时可见。此外，太阳表面呈现有宽为1600千米这个量级的米粒。米粒形状的不断变化表明了太阳表面总的扰动状态。米粒被解释成是一种让热的物质往外涌、冷的物质住里流的流管。

　　(2)色球层：在光球上面有一个叫做色球层的稀薄气体区域。它的厚度各处不一，平均约2000千米，主要是由氢、氦和钙所组成。

　　平时由于光球的强烈光线的影响，看不到这层气体。只有在光球被月球遮住发生日全食时才可以看到这层玫瑰色的色球层。色球层的温度随高度而升高，由底层的几千度升高到10万度。色球层的结构是不均匀的，其边缘不像光球那样清晰整齐，由许多细小的“火舌”组成，致使它的边缘成锯齿状。

　　色球产生突然爆发现象，在仪器观察中表现为特别明亮的斑点，叫耀斑。耀斑多半位于黑子群的上方。这些耀斑持续时间范围是从几分钟到几小时。紫外辐射和带电粒子从这些耀斑处喷射出来，穿过宇宙空间，显著影响着地球上层大气和地球磁场。

　　色球层中，有时有巨大的气柱升腾而起，称作日珥。形成日珥的气体的状态是由错综复杂的内部磁场、太阳引力场和太阳辐射的相互作用所决定的。日珥上升的高度可达几万至100多万千米，然后回落日面，或脱离太阳引力，消散在宇宙中。


　　(3)日冕：日冕在色球层之上，是愈来愈稀薄的太阳大气，平时看不见。在日全食时，日冕呈现为一片银白色的光辉，形状不规则，密度极小，为地球大气密度的100万分之一，是由离子和自由电子所组成，称为等离子体，它伸展到离太阳800万千米远的地方。日冕的温度随高度上升而剧增，上部达一、二百万度。可见，太阳的表面和大气总呈现出各种程度不一的活动。但整个日面上的平均变化很小，如果在星际距离上观测太阳，那么太阳就难以归入变星之列。


　　三、太阳黑子及其活动周期


　　1.太阳黑子概貌把太阳的像投射到一张白纸上，通常会发现在太阳表面上有一些黑子，有的黑子的直径可达10万千米，比我们的地球还大，而大多数黑子要比这小得多。这些黑子随着时间的推移而变化，它们向前运动穿过日面，显示出太阳有自转。太阳的自转是一种较差自转，其周期是一个纬度的函数，从25天起变化到34天为止，随太阳纬度的增高而增大。


　　当一个黑子接近太阳边缘时，它呈现为太阳表面的一个洞穴。这个现象就是以格拉斯哥大学首席教授的名字命名的威尔逊效应。研究黑子在一年不同时期所走的路线可知，太阳赤道与黄道的交角为7°。太阳自转的验证是从这样一种事实得到的：来自太阳的一个边缘的太阳光的谱线的多普勒位移移向红端，从相对的另一边缘辐射的太阳光的谱线则移向紫端。前者说明太阳的一个边缘在远离我们，后者说明相对的另一边缘在接近我们，两者合起来说明太阳在自转。太阳黑子只是同光球背景相比较才是黑的。即使在黑子的本影里，其温度也在4500℃左右。本影的周围是半影，它是一个几乎像光球一样亮的区域，由一些围绕黑子中心的、大致是径向排列的、扭曲的亮纤维所组成。


　　黑子通常成群出现。在各个黑子群中的黑子数随时间的变化而变化。一般的，一个黑子群分为两部分。相对太阳自转的指向而言，前导部分以一个大黑子为主，后随部分照例拥有一个大黑子，伴随有一些小黑子。


　　相应于一个太阳黑子就有一个磁场，其磁场强度取决于这个黑子的大小，变化幅度是从100高斯到几千高斯。利用塞曼效应能够测量在黑子不同部分中的磁力线指向。在黑子本影中心，磁力线的指向是垂直的，而在黑子边缘处则几乎是水平的。这里也存在一个从本影向外涌的气流，它为半影谱线的多普勒位移所揭示，在黑子位于日面边缘时被观测到。测量塞曼分裂谱线能确定太阳表面上任一点的磁场。通过做一次光栅扫描，就可以获得一张太阳表面附近的总磁场图。太阳的总磁场强度一般为几个高斯。它的情况与一个偶极子的磁场相类似，其极轴与自转轴的交角不过几度。


　　太阳黑子的一个有趣的特性是，如果一个黑子群的前导部分呈现出正的磁极性，那么后随部分就呈现为负的磁极性。更值得注意的是，在称为太阳北半球的那个半球上，所有的黑子群都呈现相同的磁极性分布，而在南半球的所有黑子群则呈现出相反的磁极性，前导部分是负的，后随部分是正的。对所谓的太阳黑子周期中的成员来说，这种情况在整个周期中是始终维持着的。




　　2.太阳黑子活动周期


　　太阳黑子周期是德国药剂师亨利·施瓦布经过对太阳20年的系统观测于1943年发现的。在各天观测到的太阳黑子平均数表明，有一个11年的周期变化。当一新的周期开始时，一些小的黑子出现在两个半球纬度30°或30°以上的地方，这些黑子变得越来越大，越来越多。它们出现之处的纬度渐渐向赤道移动，经过半个周期后，恰好处于太阳黑子活动高峰，纬度15°左右黑子最多。在一个周期将近结束时，老周期里的黑子已很少，而且通常出现在纬度5°左右的地方，下一个周期的第一批黑子出现在较高的纬度处。表明了从1881到2000年的太阳黑子数的曲线图，展示出这个周期的不规则变化的性质。描绘出所谓的蝴蝶图，表明了在不同纬度处的太阳黑子分布状况。

　　值得注意的是，对每一个新周期来说，都有一次磁极性的反转。当新周期的第一批太阳黑子群出现在纬度约为+30°和-30°的地方时，那些在老周期里具有正的磁极性的黑子群现在则具有负的磁极性，而那些原来是负的现在则成了正的。如果把这样的磁现象考虑进去，那么基本的太阳黑子活动周期除去大家熟知的11年周期之外，还有一个22年周期。



　　四、太阳辐射和太阳风


　　1.什么是太阳辐射?太阳辐射的能量如何测定?


　　太阳源源不断地以电磁波和宇宙线等形式向四周放射能量，这称为太阳辐射。太阳每秒辐射的能量可以通过测定太阳常数而得到。所谓太阳常数就是指：在地球大气外离太阳一个天文单位的地方，垂直于太阳光方向的单位面积在单位时间内接收的全部辐射能量。这个太阳常数为每分钟1.96卡/平方厘米。
　　大家知道，一个天文单位是指日地平均距离，等于1.496亿千米。不难理解，太阳每秒辐射的总能量应等于太阳常数乘上以日地平均距离为半径的球面积再除以60秒。球面积等于球半径平方乘4π。由此可以算得太阳每秒辐射的总能量等于3.86×1026焦耳。


　　2.太阳辐射的能量来源


　　太阳辐射的能量来自太阳中心进行着的两种将氢聚变为氦的热核反应：一种叫质子—质子反应，另一种叫碳—氮—氧循环。这两种反应总的结果都是4个氢核聚合成1个氦核并放出2个正电子和2个中微子以及几个光子γ。在碳—氮—氧循环中，碳只是催化物，氮和氧只是中间过程产物，都不发生质量亏损。只有氢在以上两种聚变为氦的热核反应中发生质量亏损。因为氢原子量为1.00812，氦原子量为4.00388，氢原子量的4倍是4.03248，比氦原子量多0.0286，所以每四个氢原子聚变为一个氦原子时将亏损质量0.0286原子量。


　　根据爱因斯坦的质能关系E=mc2，0.0286原子量的质量亏损相当于释放出4.279×10-12焦耳的能量。1克氢聚变为氦时其质量亏损为0.0072克，所释放的能量为6.5×1011焦耳。太阳每秒钟要辐射出3.86×1026焦耳的能量，相当于每秒亏损400多万吨氢。然而这对于太阳的巨大质量来说还是很小的。目前，在太阳的组成成分中氢占71%，氦占27%，其他元素占2%。太阳在过去50亿年的漫长时间中，只消耗了很少一部分质量。据估计，太阳的寿命(即稳定时期)可达100亿年，目前它正处于稳定而旺盛的中年时期。


　　3.太阳辐射的能量分布


　　太阳辐射的能量分布，可见光部分占48%，波长比紫光短的紫外区占7%，波长比红光长的红外区占45%。从1942年起人们已了解，在太阳发射的电磁波中辐射0.5米波长以下的辐射来自色球层的低层，而波长较长的电磁波的辐射则来自日冕。太阳除辐射红外光、可见光、紫外光和电磁波外，还辐射X射线和宇宙线。近年来通过安置在人造星上的望远镜拍摄到的太阳的高分辨率X射线照片，发现在太阳表面的局部区域，主要是在耀斑附近出现X射线的爆发。


　　4.太阳辐射对地球的影响

　　太阳辐射对地球的影响主要有以下三个方面：

　　第一，它向地球输送能量，为地球带来光与热，维持了地表温度。尽管，地球获得的太阳辐射仅为太阳总辐射的二十二亿分之一，相当于每分钟燃烧4亿吨烟煤所释放的能量，但对地球来说却是非常重要的。因为它是地球上的主要光热源泉，而且既不过多，又不太少。否则地球上就不复有生命存在。

　　第二，它是使地球上的地理环境发展变化的根本动力。地球上的地理环境包括大气、水文、生物等诸多方面。由于地球表面各地获得的太阳辐射不均匀，造成各地获得热量不同，而热量不同的地方之间会发生热量的传递和交换，于是就造成大气环流和地球上的水循环不止。植物靠光合作用制造养分而生，动物则依赖植物而生。正是太阳辐射为地球上的绿色植物提供了能量源泉，使其光合作用得以进行，从而维持了地球上生物的生存、发展和变化。尽管太阳辐射总的来说比较稳定，但还是有时强时弱的起伏，地球上交替出现的冰河期和温暖期与此直接相关。由此可见，正是太阳辐射促进了地球上的自然环境的形成和发展。


　　第三，太阳辐射能量是人类生活、生产的主要能源。除了原子能、地热能和火山爆发释放的能量外，地球上人类生产、生活中消耗的能量，都直接或间接来自太阳。各种燃料如石油和煤是储存在动植物中的太阳能，水能和风能也是太阳能所转化而来的。现在人们已开始直接利用太阳能，或把它转化为热能，或把它转化为电能来利用。




　　5.破解太阳中微子丢失之谜


　　在太阳内部不断发生的由氢聚变为氦的热核反应中，每4个氢核(即质子)转化成1个氦核、2个正电子和2个神秘的中微子，所以太阳的核聚变会产生大量的中微子。中微子是一种不带电、静止质量极小、以接近光速传播、穿透力极强的基本粒子，可自由穿过地球，几乎不与任何物质发生作用，因此很难发现和探测。对中微子研究是当前天体物理学领域的一大热点，因为由此可以检验太阳内部结构理论和核反应理论。自20世纪中叶以来，美国、加拿大、意大利、日本等国的科学家曾先后采取多种办法探测来自太阳的中微子，但探测到的中微子却比理论计算值少得多，前者仅为后者的1/3左右，这就是曾长期使人们困惑不解的“太阳中微子丢失”之谜。


　　1989年，欧洲核子研究中心证明存在且只存在三种中微子：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。太阳内部核反应产生的中微子是电子中微子。1998年日本科学家进行的超级神岗实验以确凿证据发现中微子振荡现象，使人们认识到三种中微子可以在传播过程中相互转换。在本世纪初，经过多国科学家的共同努力终于证实：虽然在地面观测到的电子中微子数量只占太阳中微子总数的三分之一，但是太阳中微子并没有减少;丢失的电子中微子并没有“消失”，只是转变成了难以探测的μ子中微子和τ子中微子。至此困惑了人们40多年的太阳中微子失踪之谜，终于大白于天下。美国科学家雷蒙德·戴维斯和日本科学家小柴昌俊正是因为在探测宇宙中微子上作出突出贡献，获得了2002年诺贝尔物理学奖。


　　6.太阳风


　　日冕物质极为稀疏，但温度高达几百万度。在高温下，日冕中的部分气体粒子的动能极大，足以摆脱太阳的引力，不断地向外涌流。这种太阳大气不断的物质外流叫做太阳风。太阳风吹拂到的范围几乎遍及整个太阳系的广阔领域。来自不同区域的太阳风的速度有明显差异。在日冕磁场开放处，即冕洞处的太阳风速度高达600至900千米/秒;而一般区域流出的是300至450千米/秒的低速太阳风。




　　而今，地球人造卫星，月球、行星际间探测器都被用来研究太阳风的性质。留在月球表面上工作的仪器也收集着有关太阳风的性质的资料。这样的测量证实了太阳风中的物质主要包含自由电子、质子和α粒子。磁强仪读数表明，行星际磁场强度约为1/100000高斯。由于太阳的自转，太阳风像水龙管中的水似的，沿着以螺旋的方式旋转的星际磁场磁力线方向，向外喷射。这种磁力线曲率越小，太阳风的能量就越高。


　　五、太阳活动对地球的影响


　　观测表明，太阳活动的强弱是不断变化的。当太阳活动处于低潮时，称为宁静太阳。当太阳活动处于高潮时，称为扰动太阳。这种变化的周期平均为11年。宁静太阳的辐射强度接近于根据日冕的黑体温度所料想到的强度。而扰动太阳则表现为有较多的黑子，日珥增加，并有明亮的大耀斑频繁出现和日冕物质抛射现象的出现等。在各种太阳活动现象中，对地球影响最大的是耀斑和日冕物质抛射。耀斑的出现是太阳大气高度集中性的、爆发性的能量释放过程。耀斑往往发生在大黑子群的上空。一个大耀斑能量相当10万至100万次强火山爆发的总能量，一个中等大小的耀斑能量相当于100亿枚百万吨级氢弹的爆炸;所发射的辐射种类繁多，除可见光外，有紫外线、X射线和伽马射线，红外线和射电辐射，还有冲击波和高能粒子流，甚至有能量特高的宇宙射线。



　　日冕物质抛射是发生在日冕中的一种激烈活动现象，是太阳系内规模最大，程度最剧烈的能量释放过程之一，抛射出来的物质主要是电子和质子组成的等离子体，加上伴随着的日冕磁场。一次日冕物质抛射可释放多达1026焦耳的能量，在一两小时内喷射出几亿吨到上百亿吨的等离子体物质。

　　那么，太阳活动究竟是如何影响地球的呢?若以产生影响的快慢顺序而论，分别以下面三种方式产生影响：


　　(1)由太阳耀斑和日冕物质抛射等激烈太阳活动产生的X射线和紫外线是一种电磁辐射，只需8分多钟就可到达地球，它引起电离层的电离度的急剧增强，称为电离层扰动。这时地面电台发射出的无线电波会受到强烈的吸收而不能传播到远处，导致无线电通讯的中断。

　　(2)由太阳耀斑或日冕物质抛射等激烈太阳活动产生的高能粒子，通常几小时或十几小时即到达地球，这些粒子能量很大，会危及人造卫星、宇宙飞船以及宇航员的生命安全。这些高能粒子以质子为主，由此产生的事件称为质子事件。

　　(3)由太阳耀斑或日冕物质抛射等太阳活动发射的低能等离子体通常在1至3天后到达地球，扰乱地球磁场，引起磁针剧烈颤动，称为磁爆。这时磁针就会失去指向作用，磁性探矿工作也就受到影响。它们还沿磁力线侵入两极高空，激发稀薄气体，产生绚丽多姿的极光。


　　通常，我们把由太阳活动对地球产生的灾害称为空间天气灾害，并将能造成空间天气灾害的剧烈的太阳活动通俗形象地称为“太阳风暴”，而耀班与日冕物质抛射正是造成这种空间天气灾害的最主要最直接的驱动源。观测表明：大多数太阳活动不会造成空间天气灾害，即使太阳上发生耀班与日冕物质抛射现象也并不一定会产生空间天气灾害。科学家经过研究发现，太阳风暴是太阳因能量的增加而使得自身活动加强，从而向广袤的空间释放出大量带电粒子所形成的高速粒子流。通常每隔11年就会进入一个太阳风暴的活跃期。尽管因太阳风暴产生的空间天气灾害发生次数较少，但其危害很大，不能不引起人们的高度关注。


　　例如，20世纪70年代的一次太阳风暴导致大气活动加剧，增加了当时属于苏联的“礼炮”号空间站的飞行阻力，从而使其脱离了原来的轨道。1989年3月，一连串的太阳风暴导致发生多次严重的空间天气灾害，特别是13日、14日引发的强磁暴使加拿大魁北克的电网受到严重冲击，导致魁北克供电系统瘫痪，600多万人在无电的冬天度过了9个小时;不仅如此，强磁暴同时还烧毁了美国新泽西州的一座核电站的巨型变电器，并致使大量输电线路、变压器、静止补偿器等电网设备跳闸或损坏。


      2005年1月20日下午3点左右，太阳发生了一次太阳风暴。受此次太阳风暴的影响，我国境内通信、广播、测量等系统的短波无线电信号因立即遭受强烈的电离层吸收而中断，其中北京地区信号中断一个多小时。太阳风暴不仅会对航天活动、通信、电力等构成威胁，而且还会影响地球大气的温压场，影响地球大气环流，从而影响地球上天气变化。鉴于太阳活动强烈时所抛射出的高能粒子流还会危及航天器与航天员的安全，所以进行载人航天时要尽可能避开太阳活动高峰期。

　　由此可见，研究太阳和地球之间的关系非常重要。太阳辐射能略有改变就会影响整个地球的有机界和无机界，尤其是当太阳发生扰动时，影响更大。所以，必须加强对太阳活动的观测，深入研究日地关系的各种机制，以便我们更好地趋利避害。