宇宙星体漫谈六:神奇的太阳风效应

作者: H.V.迪特富特 《宇宙星体漫谈》 2015-07-03

导读:最近十年来,天文学上的重大发现之一就是,不仅确定了太阳的能源,而且也确定了太阳的电磁辐射。太阳跟原子反应堆一样,产生着高速原于核和电子微粒辐射,它以每秒500公里的高速奔离太阳的表面,几天后就能到达地球。它比声速快1000多倍。

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图7: 1908年观测到的莫尔豪斯彗星

(它的尾长达3000万公里。在上一世纪天文学家已发现,彗尾总是背向太阳。这是一定来自太阳的一种神秘斥力的第一个标志。但是,几年前,这种力是什么还是个迷)

最近十年来,天文学上的重大发现之一就是,不仅确定了太阳的能源,而且也确定了太阳的电磁辐射。太阳跟原子反应堆一样,产生着高速原于核和电子微粒辐射,它以每秒500公里的高速奔离太阳的表面,几天后就能到达地球。它比声速快1000多倍。然而,在几年前,人们对今天发现的这种太阳特性,还是完全陌生的。太阳这颗恒星对我们生存的意义,姚在要重新认识。就今天判断的结论而言,从这个发现中便能得出,太阳对地球来说,是生命形成和发育的源泉,因为它向我们提供了无法得到的能量,又是那么慷慨无私,那么多。太阳使我们避免了从宇宙深处射来的致命影响。为了能对此有所了解,首先,我们必须熟悉太阳的粒子流或称之谓“太阳风”。它有着神奇的效应。

长期以来,人们就已知道,任何一种神秘莫测的古怪力龟都是来自太阳。当彗星接近太阳时,这种力量在一定的场合下就会表现出来。

在很早以前,由于彗星或“扫帚星”的突然出现以及它们的奇特外观(图7),人们总认为它们是天灾人祸的预兆。实际上,它们是一种较小的天体,直径为几百公里,最大若为几千公里,是一些较小的和冰冷物质的碎块所组成。它们在偏心率很大、异常长的椭圆形轨道上绕着太阳运转(图8)。根据对它们轨道的计算,得知有些彗星绕太阳一周需要几千年。当它们位于离太阳最远的地方时,与太阳的距离竟可达2~3光年里这一距离已达到太阳系与最近恒星的距离的一半。究竟与放近恒星的距离有多少还需要进一步研究,但地球的“宇航员”任何时候都能进入邻近的太阳系,因此,我们的太阳系与相邻的太阳系之间存在着一种直接的物质联系。有时在远日点,两相邻恒星的彗星轨道是相互交叉的。当彗星在近日点时受到行星引力影响,重新发生摄动,轨道变为不规则。因而,可以确切地认为,彗星轨道的远日点是会反复变换的,即一个恒星的彗星可以进入到相邻恒星的引力范围,并绕后者旋转。

假设这种思想进一步发展,并考虑到大多数彗星最后由于轨道摄动的增强,那么,彗星就有可能被行垦捕获而致命。它们的平均寿命可能只有一百万年,最后以“流星”或“陨星”的形式坠落到某颗行星上。由此可以认为,我们的地球不仅有来自太阳系的,而且还有来自我们的宇宙近邻―某个外太阳系上的物质。

这里,我们对彗星感兴趣完全出于另外的理由,就是彗星的指向究竟意味什么力起作用?

游散的彗星物质碎块一般是冷的,由于它们离我们很远,看不见。这种彗星物质在偏心的轨道上运行,迟早总要运行到太阳附近。当它们挺行到太阳附近时,在太阳的影响下,可看到前所未有的惊人壮观。由于太阳的加热作用,从固体彗核中会逸出气体。从分光镜中可以看出,它们是一长化碳和氮。这些气体以每秒钟1000公里的高速度离开彗核,在太阳光线的照射下开始发光。只有当彗星运行到近日点及其附近时,才能形成引人注目的彗尾。彗尾的长度可达一亿公里,甚至二亿公里。

图8彗星绕太阳公转示意图

(彗星绕太阳公转时,彗尾总是在轨道上指向背离太阳的方向,这表明,

太阳有斥力作用,在几年前还完全不能解释这种斥力作用)

很早以前,天文学家发现,彗尾的指向有一个共同特征:总是背向太阳。现在,人们自然相信,彗星后面总是拖着长长的尾巴。不过这仅仅是从地球上所处环境的角度来推测的。宇宙空间是没有空气阻力的,究竟是什么力量使彗星有长尾巴呢?假如在一般情况下,彗尾的方向从表面上看是任意的,无规则的,难以预测的。然而,彗尾指向实际上是很有规律的,而且每一个彗尾的指向总是背向太阳的。

图8形象地表示出,天文学家所观测到的一颗彗星经过太阳附近时的情况。图上绘出了彗星与太阳的位置关系,以及连续多次观测记录的彗尾方向。人们可以看到彗星开始趋近太阳时,即它在轨道上的头一个位置时,后面已拖曳了一个尾巴。彗星在轨道每个位置上的尾巴指向都是背向太阳的。当彗星越过近日点后,尾巴由原来后面变为在前面顶推着。

长期以来,根据这些观测知道,任何斥力都来自太阳。它使彗星尾在宇宙空间像风信旗一样。不久前,确实还不清楚这一现象是由什么力引起的。有人认为,它也许是太阳光的压力效应。计算表明,这种看法似平有道理。因为闪着强光的彗尾物质,实际上稀薄得令人难以置信。组成彗尾的气体密度,与现在我们在地球上用最新技术获得的真空度相同。彗尾所发出的强烈光弧虽然几乎没有物体感,但看上去异常实在。当然,也有些科家学一开始就认为,彗星这面风信旗,是由于太阳向四周发射的高速带电粒子而飘起来的。

除了彗尾之外,还有一个证据有利于这种微粒子说,使它战胜“光压说”。这就是众所周知的极光。在北极地区及其外围所见到的叫做“北极光”,在南极地区及其外围所见到的称为“南极光”。极光是一种神秘莫测、淡而柔和、色彩变幻的冷光,它们总是出现在两极地区及其附近的高层大气中,其高度约为80公里或更高。有人认为,极光也许是由于带电微粒子在地球大气层中发生碰撞而形成的。其成因与地磁场有些关系。不过,微粒子必须带电,否则,它不可能受地磁场的影响。这是很明显的。微粒子为什么偏偏在地球的两极落脚?至于它们来自太阳,则是有充分证据的。人们发现,如果几天前在太阳表面出现活动性增强的明显征兆,譬如,出现很大的日珥和耀斑时(图9),则总可观察到特别明亮的极光。1896年,挪威物理学家比克兰德提出了北极光是由太阳的“微粒子辐射”,即由一种带电徽粒子形成的“风”而引起的理论。这个理论由于当时没有收集到有关可以证论它是正确的资料,暂时被耽搁下来。

图9,太阳表面所发生的特别强烈喷发的照片

(右边是太阳圆盘的一小段边缘弧(太阳的部分表面),那里向左(宇宙空间)强烈喷射出炽热的气体所喷射的气体高度宽达34万公里“几乎相当于月地距离”。按这张照片的比例,地球的立径只有0.5厘米长)

过了60年.即1956年以后,情况才发生了变化,苏联和美国开始进行宇宙实验。继人造卫星I号和II号之后,1958年2月1日美国发射的探险者l号,是第三个发射成功的人造地球卫星。它向地面的设计人员发回了出乎意外的测量数据。奇怪的是,测量数据完全模糊不清,这是由于所测量地区特殊环境和仪器没有标定引起的。不过,后来,通过人造卫星进行了有针对性的深入观测,拍摄了近地宇宙状态的崭新照片。比克兰德的理论终于在这张照片上找到了归宿。

根据美国物理学家范艾伦的建议,人们在探险者I号安装了一只记数管用来记录地球高层大气的带电粒子。范艾伦当时为什么提出这个建议,这是人们不太了解的。探索者I号重仅13.9公斤,净载重因此受到了严格的限制.对美国第一次宇宙使命中要携带什么仪器的问题进行了长期的,有一部分是激烈的辩论。结果,在1958年2月1日这一天,探险者I号配备艾伦记数管发射上天了。一向默默无闻的物理学家范艾伦顿时成了世界上著名人物。

可是,在第一次飞行时,该仪器在要测量的关键性地区的上空什么数据也没有发回来。这一下冷嘲热讽就起来了。其实,当卫星飞经上述地区的高空时,记数管工作情况良好,但不知怎么搞的,记数管的无线电通讯在1000公里的高空就中断了。范艾伦的卓越成绩就是,考虑到了在这个区域内带电粒子的数量比人们所假定的还要多得多。计数装置的无线电通讯设备也许因为处于饱和状态而停止工作。这种说法的根据是,在8个星期以后发射的探险者,号携带了一台标定过的低灵敏度仪器。结果,该仪器发送回来的资料表明,在1000公里高空及其上面的区域,存在着意外强烈的两个辐射带。后来,进一步观测证实,这两个带都是环形区域。它们都在赤道上空围绕着地球。辐射强度最大的地区位于5000公里的高空,这是第一个辐射带。再往高处,辐射强度就又减弱。可是,往更高处,约在2万公里的高空,发现了第二个辐射带(图10)。这个辐射带很宽,它几乎完全包围了地球,只在两极上空各形成了一个几乎无辐射的孔洞。今天,两个辐射带的名称是用范艾伦的名字来命名的。

图10 围绕地球的两个环形辐射带的位置

自然,对辐射带的认识要经历一段相当长的时间,等到与这一发现有关的所有问题中有一部分或暂时能够回答时,才会告一段落。但一开始似乎有点使人失望,好像刚刚开始的宇宙航行学已进入了死胡同。在宇宙航行学开始形成前,研究宇宙只能用无人火箭和宇宙探测器进行。实际上正在孕育的人类遨游宇宙(真正的宇宙航行)的愿望好像已成了泡影。因为,探险者l号及其以后的卫星所测得的辐射带的辐射强度高得会绝对致命。如果人们想安全地在那里停留,得用好几吨铅来保护自己。人类在宇宙航行中,由于自然的威力,似乎顿时处在孤立无援的状态。但后来人们认为,在短期内还不可能用技术力量来征服它。唯一的临时办法是,建立空间站和在终年冰雪封冻的北极地区建造载人飞行试验用的发射架。这是完全可能的。因为发射宇宙飞船只能从两极中的一个极发出,才能绕过两个辐射带。为克服这个困难已花费了很大花气,这也许使宇宙航行学停止发展了十年。

幸亏最初的一切担优和顾虑很快地消除了,事实证明,艾伦辐射带并投有当初人们所想象的那么严重得不可逾越。但如果有机生命要在那里逗留相当长的时间的话,那么可以说,该带内的辐射确实还是致命的。据测量资料,这两个辐射带的强度大约在三万公里的高空迅速减弱。这一事实表明,起初的一切担忧是无根据的。如果试验性的宇宙飞船能以普通的速度能穿越辐射带,那么就足以说明上述看法是正确的。由于宇航员在那里受到的强烈辐射的时间很短,以致很难根据现有经验来估计这种辐射对健康有什么形响。因此,近年来,不再谈论与这两个辐射带有关的载人宇宙航行危险的问题了。但是,不久要谈的是完全另外的和许多极其基本而重要的关系。从这些关系中可以看出,这两个辐射带的发现,产生了一门崭新处科,即所谓“行星际空间学”。行星际空间是宇宙的一部分,是本太阳系的所在地。因此,有关行星际空间研究在这一期间之所以发展成为一门学科,是有许多原因的。自然,事实胜于雄辩,不久之后,我们不仅可以在地球上用天文仪器,而且可以直接或间接地通过空间探测器和宇宙飞船来研究离我们最近的这部分宇宙。但是,这种很初步的、根据今天技术水平划定的界线是很合理的。因为,这个行星际空间对于我们生命的必要性来说,与自太阳系边界那里才起始的外部宇宙有着本质的区别。最后,行星际空所研究之所以成为一门独立的学科的另一个原因是,行星际空间研究的重点与我们的宇宙图像的变化有关。实际观测结果与我们过去估计的相比,完全是另一种图像。宇宙并不是空的,而是充满着我们没有完全了解的一些力和因素,宇宙扰是这些力和因素所表演出的伟大过程的活动场所,它们持续不断地表演着,其中有一些对我们健康的影响很大,尽管不久前我们根本没有预料到它们的存在,在正常的环境中甚至没有察觉到它们。

如上所述,这一般都是在十年前随着辐射带的发现而开始的。最近的研究表明,两个辐射带是由密度很大的带电粒子组成的。也就是说,外辐射带(大的)主要是由电子组成,内辐射带主要是由质子组成。此外,还发现了少量氮原子核。在我们头顶上那些地区以高能运动着的这种原子类粒子是从哪儿来的?它们只能来自唯一的源泉―太阳。因此,现在的问题是要查明太阳的带电子粒子是怎样到达大气圈最上层的,并且要证明它们是由太阳发出来的。通过人造卫星的观测,已系统地研究了这个间题。首先是苏联发射的人造卫星I号和II号,然后是美国人造卫星水手II号和探险者X号,很快提供了可靠的资料,证明十年来物理学家一再讨论的太阳风确实存在。

这里得到一个新奇的图像:太阳不仅放射出大量的电磁辐射,首先是光和热,而且放射出以质子和电子为主的带电粒子流,它们以超过声速一千多倍的速度奔向四面八方的宇宙空间,这些粒子在太阳表面的各个地方垂直地向太空旋转抛射出去。太阳的自转周期为25天,对于这样巨大的球来说,其转速是非常快的―引起了规则的“喷洒效应”,因此飞离太阳的粒子轨道构成了延伸得较广的螺旋形。

太阳不仅放射出无形的射线,即电磁波,而且也向宇宙空间放出物质流,发出罕见的轰鸣。对卫星资料计算表明,太阳每秒钟失去的物质不少于一百万吨。这是一个巨大的数输,但是对于大得不可想象的太阳来说,这一点算不了什么,仅仅是放掉一点毫无损害的血罢了。太阳自形成到现在的漫长时间里所损失的物质的质量还不到其总质量的万分之一。

太阳“风”在含义上的表达是最恰当的和直观的,因为,在一般的含义中,它显然与辐射无关,而与物质粒子的发射有关,这种粒子是很微小的,量级为原子级。当然,这里在字面上所指的是,从太阳吹向宇宙空间的风是一种极其稀薄的风,尽管具有很大的速度,但不能使地球上的旗帜飘扬起来。但是,它的力量足以飘起稀薄得几乎无重量的物体,如彗尾。现在可以肯定,彗尾风信旗所指示的风是由质子和电子组成的太阳风。极光也是由太阳风引起的。这两种神奇的太阳风效应,经过人们上百年的探索才搞清楚。

来源:[德国] H.V.迪特富特《宇宙星体漫谈》

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