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第5章 认识日食的主角——太阳(2)

一般说来,热气的强弱同到钢水的距离平方成反比。太阳光也是一样。根据太阳的发光能力和太阳到地球的距离,计算出到达地球大气层外面的太阳光是3000亿亿亿坎德拉。由于地球大气的吸收等作用,到达地面的阳光大约是2500亿亿亿坎德拉。

由地球大气层外面接收的太阳热量反推到太阳上,整个太阳每秒钟发射的热量是37亿亿亿焦耳。假如在太阳和地球之间架一座直径3千米的冰柱桥,这可是巍峨壮观的巨大建筑物。但是,这样的建筑物,太阳在1秒钟内放出的热量就可以把它溶成水。现在大家知道太阳到底有多热了吧!我们用“炙手可热”这个词来形容它是一点也不为过的。

知识点氢弹

核武器的一种。是利用原子弹爆炸的能量点燃氢的同位素氘等轻原子核的聚变反应瞬时释放出巨大能量的核武器。又称聚变弹、热核弹、热核武器。氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同,但威力比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量,氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。还可通过设计增强或减弱其某些杀伤破坏因素,其战术技术性能比原子弹更好,用途也更广泛。

不规则的球体

1859年,法国天文学家勒威耶在计算水星轨道时,发现水星轨道近日点在空间不是固定的,这一现象叫做水星轨道近日点进动。勒威耶当时认为,这一现象可能是水星受到太阳和其他大行星的吸引造成的。于是他把太阳和其他大行星的吸引一一加进去进行计算。

可是费了很长时间,太阳和各大行星可能的吸引都加进去了,计算出来的近日点进动值仍然比观测到的数值小。这个问题引起许多科学家的注意,他们纷纷从自己的研究领域寻找解答。但都没有得到满意的答案。

1916年,世界著名的现代物理学家爱因斯坦提出了广义相对论理论。根据这个理论,所有行星近日点都应当有进动,其中以水星的进动值最大。

爱因斯坦详细计算表明,广义相对论给出的水星轨道近日点进动值和实际测量的数值几乎完全相同。于是人们欢呼雀跃,认为水星轨道近日点进动问题解决了,有的人还提出,水星轨道近日点进动问题“是天文学对广义相对论的最有力的验证之一”。

谁知半路上杀出了程咬金。正当人们喜滋滋地庆贺水星轨道近日点进动问题得到解决了的时候,美国物理学家迪克在20世纪60年代提出一个新理论,来解释水星轨道近日点进动问题。

这个理论称为标量—张量理论。根据这个理论,太阳自转与小朋友玩的陀螺转动不同。小朋友玩陀螺时,鞭子一抽,陀螺便嗡嗡地转动起来。仔细观察,陀螺上各点的转动速度是不一样的,中间鼓出的部分,转动速度最快;两端尖尖的部分,转动速度几乎为零。

换句话说,陀螺转动时,离旋转轴越近,旋转速度越小;离旋转轴越远,旋转速度越大。而迪克理论认为,太阳是气体,它的自转速度正好和陀螺相反,离旋转轴越近,旋转速度越快。太阳内部的旋转速度约比它表面快20倍。

这种反常的自转,会对水星轨道位置产生一定影响,因而造成了水星轨道近日点进动。仔细计算发现,只要参数选取得合适,它对水星轨道近日点进动的影响也和观测值相符。

两种理论都能解释水星轨道近日点进动,谁对谁错呢?理论上的矛盾一般由实验来评判。天文学的实验就是观测。

标量—张量理论的立足点是:太阳内部的旋转速度比它表面快20倍左右。这个问题得到证实,问题就解决了。另一方面,这个问题又涉及太阳的形状。如果迪克理论成立,太阳就不是一个标准的圆球,而有4.5/10万的扁率。

为了验证自己的理论,迪克和他的同事们设法测量太阳的扁率。他们设计了一架专用的望远镜,对太阳进行了初步测量。1967年公布了测量结果,观测值正好和迪克理论所要求的数值相符。

这个结果一公布,立刻掀起一场轩然大波。迪克理论支持者们高兴得手舞足蹈,他们庆幸标量—张量理论的胜利,欢呼广义相对论的失败。

情况真是这样吗?一些科学家冷静地思索之后,对迪克等人的测量产生了疑问。因为这项测量实在太困难了,地球大气稍微有一点湍动,就会使测量结果出现很大误差。

因此,另一位美国科学家希尔重新组织人力,制造仪器,精心选择观测地址,认真地进行观测。在1973年,他们又公布了一批观测结果:太阳的扁率不到1/100万。

显然,这个数字比迪克等人预计的小得多。于是迪克理论又败下阵来,广义相对论又转败为胜。

关于广义相对论和标量—张量理论谁胜谁负,我们且不去议论它。有趣的是,这场争论引出一个副产品:太阳至少有1/100万的扁率。

这就是说,太阳不是一个标准的圆球,而是一个赤道部分隆起、两极部分凹下的扁球体。这个扁球体的赤道半径比极半径大6.5千米。这6.5千米之差,对如此庞大的太阳来说,当然是微不足道的,但它的存在说明,太阳也像我们地球一样,不是标准的球体。

耀眼的光球和浮动的黑子

地球是太阳系中的一个美丽的绿洲,树木葱茏,鲜花盛开,香飘四野,馥郁芬芳。鸟在空中飞,鱼在水底游,人在地面走,到处是生气勃勃的生命活动。

地球上生命活动的能量来自什么地方呢?大部分人都知道答案:是太阳。

那么,太阳上的能量怎么传到地面上来呢?大部分人也知道这个问题的答案,它是由太阳光传输。没有太阳光源源不断地输送能量,地面的一切生命活动都不能存在。

如果我们打破砂锅问到底,再问一句:太阳光从哪里发出来的呢?恐怕知道这个问题答案的人就不多了。

在太阳大气层里,有个叫光球的地方,位于对流层的外面,是太阳大气的最底层,厚度大约500千米,压力不到1/10000百帕,几亿亿立方厘米的物质质量才有1克。这便是太阳光发出的地方。我们平时看到的圆圆的日面,就是这个区域。

光球是太阳的一扇敞开的大门,输送能量的太阳光就是从这里发出的。当然,太阳上发射光线的地方,不仅仅在光球一层,其他层次也有。但是,光球物质对光线的吸收和散射相当强烈,以致稀薄的光球大气能够像地球大气中浓雾那样,把太阳内部发射的光线深深挡住。所以,只有光球发射的光线才能向宇宙空间发射。

光球是璀璨晶莹的,但这璀璨晶莹的光球不是洁白无瑕的,在这里有许多结构,例如临边昏暗、米粒组织、光斑、黑子等。

仔细观察,光球上的亮度是不均匀的,最明显的特征是太阳边缘比日面中心暗,这就是临边昏暗。这是光球各部分温度分布不均匀造成的。日面中心的光来自光球较深层次,这里温度较高,所以辐射明亮;日面边缘的光来自光球较浅层次,这里温度较低,所以辐射较暗。测量表明,光球的温度同它里面的高度有关,在光球上层,温度是4500℃,愈往下愈高,到光球底部,温度上升到5700℃。平常所说的太阳表面温度,就是光球底部的温度。

光球中的临边昏暗、米粒组织、光斑、黑子等在科学家的研究当中,要数对黑子的研究时间最长了。早在古代社会,我国的科学家就对太阳黑子进行了记录。

但是,肉眼观测太阳黑子受到很大限制,一般只能在特殊的天气条件下,即日光减弱很多时才能观测,否则,强烈的日光会把观测者眼睛灼坏的!

科学地观测太阳黑子是从伽利略开始的。伽利略是用望远镜观测的。伽利略最先用望远镜观测星空,但他不是望远镜的发明人。望远镜是一个小孩在玩耍中无意发现的。

荷兰有个名叫伯希的磨镜师,带了一个徒弟。一天,伯希外出有事,徒弟在家没有事做,感到无聊,就拿几块镜片一前一后地摆着玩。当他顺着镜片重叠的方向望去时,惊呆了!原来,他在镜片里看到一只毛茸茸的凸眼睛怪物,挥动着前爪向他爬过来。他吓得把镜片扔掉了。

扔掉镜片,怪物又不见了。镇定下来后,再向镜片重叠的方向望去,原来,怪物是一只在窗户上爬行的大苍蝇。小学徒又拿起镜片望窗户,这下他没有看到苍蝇,而看到远方钟楼一下子跑到跟前来了。他放下镜片,钟楼又回到原来的地方。

伯希回来后,小学徒把看到的一切绘声绘色地描述了一番。伯希再试验,也看到了同样的现象。后来,伯希做了一根长管子,把镜片安装在管子两端,用来看远处东西,远处的东西都变近了。于是他制了几百架这样的管子,卖给有钱的人,取名为光管。光管很快传遍了欧洲。

伽利略从他学生那里知道光管后,便由光管构思出天文望远镜。伽利略的望远镜是世界上第一架天文望远镜,至今还保存在意大利佛罗伦萨博物馆中。

伽利略用一块黑色玻璃放在望远镜后面,观察太阳时,洁白晶莹的日面上顿时显出一些黑色斑点。这使他感到莫大的迷惑与惊讶。当时,教会在欧洲占据统治地位。按照教会的教义,太阳是一个光洁无瑕的白玉盘。这完美无缺的太阳上怎么会有黑点呢?

当时有个笑话:一个名叫希纳尔的人也用望远镜看到了太阳上的黑斑。他见此情景,不可思议,十分惊骇,急忙去报告神父。谁知那位无知而又自命不凡的神父没等希纳尔说完,就不耐烦地打断他的话说:“去吧,孩子,放心好了。这一定是你的玻璃或者你的眼睛上有缺陷,使你错把它当成太阳上的黑点了。”在这种情况下,伽利略对自己的发现十分谨慎。

伽利略继续观测了数日,事实证明,日面上确实存在黑子,而且每天在日面上从东到西移动,大约14天穿过整个日面。

1612年,伽利略公布了自己的发现。他在给佛罗伦萨大公科西莫二世的报告中说:“反复地观测,最后使我相信,这些黑子是日面上的东西,它们在那里不断地产生,也在那里瓦解,时间有长有短。由于太阳大约1个月自转一周,它们也被太阳带着转动。黑子本身固然很重要,而其意义则更深远。”

现在,科学家们已经知道,太阳黑子是光球上局部区域里的炽热气体在运动中所形成的巨大漩涡。黑子并不真正是黑色的,一个大黑子的辐射比十五的月亮还要强烈。因为它在运动中把一些能量消耗掉了,所以同光球背景相比,它的温度低一些,因而显得黑一些。

太阳黑子黑子有大有小,小黑子直径几千千米,存在几天时间。大黑子直径可达几十万千米,寿命可达1年以上。一个充分发展的黑子,由较暗的核和周围较亮的区域组成,中间较暗的核叫本影,周围较亮的区域叫做半影。

黑子大多数是成群出现的,有时才偶尔见到单个黑子。复杂的黑子群由大小不等的几十个黑子组成。小黑子分布在大黑子周围。一群黑子中往往有2个主要黑子,偏西的一个叫前导黑子,偏东的一个叫后随黑子。

黑子群的发展过程大体是:最初出现1~2个雏形黑子,它们叫做小孔。几天以后,面积扩大,出现半影、本影,出现前导黑子和后随黑子。然后面积再增大,靠近边缘,出现许多小黑子,形成一个羽翼丰满的庞大黑子群。最后,黑子逐渐衰落,半影消失,本影缩小,留下一些残剩的磁场。

色球上的烈火

在茫茫草原上,点起一堆堆篝火,远远望去,一块亮,一块暗,星星点点,斑斑驳驳的;走近一看,无数火苗在迎风摇曳,闪动,舔着它周围的枯草、干柴。

这样的景况也出现在太阳上。1980年2月16日的日全食时,我国科学家就看到了色球上的许多小火苗。在月轮完全遮住日面期间,月轮周围现出的火苗的确和草原上的篝火差不多,火焰中还喷射出明亮的细高火柱,像灌木一样散布在色球上。

色球是光球外面的太阳大气,厚度各处不同,平均厚2000千米,温度同高度有关。按照温度可分为3层:(1)低色球层,厚度大约400千米,温度由光球顶部的4500℃上升到5500℃;(2)中色球层,厚度大约1200千米,温度随高度缓慢上升,在其顶部达到8000℃;(3)高色球层,厚度大约400千米,温度随高度急剧上升到几万度。

色球的主要成分是氢离子、氦离子和钙离子。氢离子是红色的,所以它呈玫瑰红色。色球的名字就是由它的颜色而来的。通过色球望远镜观测色球,这里好像一片红色的海洋,给人以美丽、神奇而壮观的感觉。在太阳宁静的时候观察,望远镜视场里是“风平浪静”的,红色海洋上微波不兴。

在太阳活动的时候,望远镜视场里“篝火”点点,火苗乱摇乱窜,不仅视场中央有,边缘也有,而且边缘的火舌蹿得很高,所以,人们把太阳色球叫做燃烧的“草原”。这个燃烧的草原是丰富多彩的太阳活动舞台。

在色球上蹿起的火苗是什么呢?太阳主演的日食电影对人们认识这些火苗起到了至关重要的作用。

太阳色球1842年7月2日,俄国境内发生了一次日全食,吸引了许多人。当日轮被月亮遮住的时候,月亮的四周出现一圈柔和的光芒,并向四周放射很远,活像一只只展翅飞翔的大蝴蝶落在月亮后面。在这些“大蝴蝶”之间,月亮边缘上露出3个晶莹闪亮的“山峰”。这个奇景把所有的目击者都吸引住了:天文学家忘记了自己的观测计划,天文爱好者忘记了自己是在“看天”。

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