千姿百态的日珥

 




  光球的上界同极活泼的色球相接。由于地球大气中的水分子和尘埃粒子将强烈的太阳辐射散射成“蓝天”,色球完全淹没在蓝天之中。若不使用特殊仪器,色球是很难观察到的,直到20世纪,这一区域只有在日全食时才能看到。当月亮遮掩了光球明亮光辉的一瞬间,在太阳边缘处有一钩细如娥眉的明亮红光,仅持续几秒钟,这就是色球。色球层厚约8000千米。日常生活中,离热源越远的地方,温度就越低,然而太阳大气的情况却截然相反,光球顶部的温度差不多是4300℃,到了色球顶部温度竟高达几万度,再往上,到了低日冕区温度陡升到百万度。太阳物理学家对这种反常增温现象一直不能理解,到现在也没有找出确切的原因。

  色球的突出特征是针状物,它们出现在日轮的边缘,像一根根细小的火舌,有时还腾起一束束细高而亮的火柱。19世纪的一位天文学家形象地把色球表面比喻为“燃烧的草原”。针状物不断产生又不断消失,寿命一般只有10分钟。

  在色球上我们还可以看到许多腾起的火焰,这就是天文学中所说的“日珥”。日珥的形态真可以说是千姿百态。有的像浮云,有的似喷泉,有的仿佛是一座拱桥,有的宛如一堵篱笆,而整体看来它们的形状恰恰似贴附在太阳边缘的耳环,由此得名为“日珥”。天文学家把日珥分为宁静日珥、活动日珥和爆发日珥。最为壮观的当属爆发日珥,本来宁静或活动的日珥,有时会突然“怒火冲天”,把气体物质拼命向上抛出,然后回转着返回太阳表面,形成一个环状,所以又称环状日珥。这种日珥是很罕见的并且也很重要。它的重要性在于它像铁屑提供磁铁周围的磁力线一样,提供了太阳大气中不可见的磁场存在的证据。

  日珥的上升高度约几万公里,一般长约20万公里,个别的可达150万公里。日珥的亮度要比太阳光球层暗弱得多,所以平时不能用肉眼观测到它,只有在日全食时才能直接看到。

  日珥是非常奇特的太阳活动现象,其温度在5000~8000K之间,大多数日珥物质升到一定高度后,慢慢地降落到日面上,但也有一些日珥物质飘浮在温度高达200万K的日冕低层,既不坠落,也不瓦解,就像炉火熊熊的炼钢炉内居然有一块不化的冰一样奇怪,而且,日珥物质的密度比日冕高出1000~10000倍!两者居然能共存几个月,实在令人费解。

  太阳的红脸膛

  无论你是在平地上还是在山上,看到一轮鲜艳的红太阳从地平线上冉冉升起,壮观而又美丽的自然景象使人赏心悦 目,印象深刻,久久难忘。

  日出和日落时,看起来太阳红得可爱,当它升得很高时就远没有那么红了。大家都明白,这不可能是太阳自己在那里一阵子“变”红脸,一阵子又变了别的什么颜色。是我们地球的大气在那里“变”了个小小魔术,把太阳装扮得更加漂亮了。

  大气本身是没有颜色的,它用什么来为太阳“染”色呢?

  “染料”是取之于太阳,而后又用之于太阳的。原来,太阳光并非是单色的,是由7种主要颜色组成,它们是:红、橙、黄、绿、青、蓝和紫。如果你手上有个玻璃三棱镜,把它对着太阳,太阳光经过三棱镜就会“分解”成为一条由那7种颜色组成的光带。

  大气也有这种把太阳光分解为7种颜色的本领,它靠的是漂浮在大气中的尘埃粒子、小水滴和气体分子等。夏天,雷雨过后,有时可以在天空中看到圆弧状的彩虹,它就是由大气中的尘埃等把太阳光折射后形成的。那7种颜色的“个性”都不一样,用科学术语来说,就是各自的波长不同,它们在空气中遇到前面讲的尘埃粒子等时,紫、青、蓝等最容易被挡住,或者被折射到另外的地方去,其次是绿和黄,橙和红的穿透本领最强。

  早晨和傍晚的时候,太阳光是从侧面斜射到地面上来的,它比别的时候要穿过更厚的大气层,遇到尘埃粒子的可能性就更大,特别是这部分大气层如果比较混浊的话,那7种颜色的光中的大部分,都会先后被“挡驾”或被折射到别的地方去,于是只剩下黄和红、甚至主要是红色,穿过重重障碍、拨开云雾最后到达地面,“撞”在我们大家眼睛的视网膜上,于是,我们就看到了一个红得可爱的、红彤彤的红太阳。

  我们完全可以根据上面说的,举一反三:在烟雾弥漫、空气中尘埃等漂浮物比较多的地区,或者在大雾的日子里,太阳就显得红些;在空气清新的地区、海边等地,从那里看到的太阳就不那么红。

  月亮以有这种“变”红的现象,道理是一样的。

  神奇的太阳风效应

  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100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,现在要重新认识。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量都是来自太阳。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,由于童星或“扫帚星”的突然出现以及它们的奇特外观,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,最大者为几千公里,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。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,与太阳的距离竞可达2~3光年!这一距离已达到太阳系与最近恒星的距离的一半。究竟与最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。当彗星在近日点受到行星的引力影响,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,即一个恒星的智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,并考虑到大多的彗星最后由于轨道摄动的增强,那么,彗星就有可能被行星捕获而致命。它们的平均寿命可能只有100万年,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。当它们运行到太阳附近时,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,它们是一氧化碳和氮。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。

  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向太阳的。

  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,后面己拖曳了一个尾巴。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。很早以前,人们看到彗星尾巴总是背着太阳,由此联想到太阳是不是也有风,当然这种风不是空气而是物质粒子流。正式提出太阳风这么一个很形象化的名称是20世纪50年代的事。60年代初,人造卫星和探测器在空间所进行的观测,不但证实了太阳风的存在,而且给出了太阳风的平均密度、速度等特征。从太阳风人们又联想到其他恒星是否也有“恒星风”。近年来,天文学家确已发现一些年轻恒星正以类似太阳风的形式失去物质。

  1973年天空实验室的发射,把空间太阳观测发展到空前的新时代。长期观测表明,太阳风是最依赖太阳活动的现象。当太阳赤道存在冕洞时,地球附近就观测到高速太阳风,因此天文学家认为冕洞是高速太阳风的重要源泉。

  太阳风也是影响地球的重要现象之一。当太阳风向地球极区吹来时,便在地球两极电离层上绘出了美丽的图画——极光,特别是太阳黑子多的时候,极光更是频频出现,并向中纬度延伸。极光的形态千变万化,有时像一片飘逸的云浮在天空,有时像黄绿色的一段弧悬在天穹,犹如空中彩桥,也有时像天上悬下来的一块色彩绚丽的幕布,还有时像一盏巨大的霓虹灯,光彩夺目。19世纪后半叶,物理学家的实验证明,极光是地球周围的一种大规模放电过程。科学家对太阳风的认证进一步揭开了极光之谜:来自太阳的带电粒子到达地球附近,地球磁场迫使它们之中的一部分沿着磁力线集中到地球的南北磁极。当它们闯入极地的高层大气时,同时大气中的分子和原子碰撞,从而使大气中的分子和原子激发,产生出光辉,引起了极光。由空间探测器获得的行星空间探测结果表明,极光现象并不局限于地球,太阳系内某些具有磁场的行星上也有极光。

  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。显然,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,彗星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。

  太阳活动与旱涝

  旱涝是重大的自然灾害之一。大范围与持久的旱涝,会给人类带来严重的损失。明代崇祯时,大旱连三年,赤地千里,饿殍遍野。1975年8月河南南部特大暴雨,3天的降雨量比过去全年的降雨量还大,以致大水冲垮几个大水库,淹了几个县,经济损失约有5亿元。

  因此,人们早就在研究旱涝的规律与成因,以求能早作预报与预防。

  旱涝的发生是有一定规律可寻的。有些具有明显的周期性,有些则是随机的。当然,这里说的周期,并不是严格的周期,而是准周期。比如,我国降水变化大约有30~40年的周期,而长江中下游地区的降水,平均周期为35年 (35年为著名的布鲁克纳周期)。黄河流域的大干旱具有80~90年周期。渤海的严重冰情大约10年左右发生一次,等等。

  我国的水文、气象学界十分重视对旱涝规律的研究。由于旱涝主要决定于气候演变,追根溯源,就是作气候演变规律的研究。我国悠久的历史上留下了丰富的水文、气象、物候的记事,为这方面的研究提供了宝贵的资料。这个优势是外国所不具备的。

  研究表明,气候的若干周期与太阳活动周期有明显的对应关系。比如长江年径流量变化具有约22年周期,淮河有约10年周期,而西江、黄河、永定河与松花江流域有40年左右的周期。这些周期与太阳活动的基本周期颇为一致。

  近500年来,我国东半部地区的干旱指数具有2~3年、8~10年、22~26年的明显周期,这些周期跟太阳活动的几个周期很接近。

  除了周期对应之外,太阳活动对气候的影响,即使在同一地区或同一流域,在不同的时期也是不一样的。比如在长江下游地区,太阳活动峰年与谷年附近,旱涝次数比其他年份要多。特别是,在峰年附近,涝的次数比旱的多;而在谷年附近,旱的次数比涝的多。如果就整个长江流域来说,也大致是这个情况。即在太阳活动峰年附近雨水多,易涝;在谷年附近雨水少,易旱。近500年来黄河流域的水旱情况,存在有“强湿弱干”的规律,也就是太阳活动强时,雨水较多;在太阳活动弱时,雨水较少。不过这种关系仍然很复杂,在太阳活动峰年时不一定有大水,而可能在活动峰年过后一二年才发生大水。

  北京地区在近250年中,多雨的年份一般在太阳活动的谷年和峰年及其后一年,而少雨的年份则在谷年与峰年前一二年。

  有人还研究了以耀斑爆发为主的太阳短期活动与天气的关系,也得到了许多有趣的结果。比如在四川盆地,太阳强耀斑后,常有多雨或大晴天天气出现,而在普通耀斑后,常出现比较异常的天气,如突然下冰雹等。

  根据国内外的研究,太阳活动对大气、气候的影响是相当复杂的。同样是太阳峰年,有的地区是涝,而有的地区却是旱。这种差别的原因可能在于各地的自然地理条件不一样。

  在研究太阳活动与大气、气候的关系时,人们也在探讨勺什么有这种关系?究竟太阳是怎样影响天气、气候变化的7可是至今没有一个完满的答案。

  大家知道,大气运动的主要动力是太阳辐射热(以“太阳常数”为代表)。如果太阳总辐射发生变化,就能引起大气环流的变化,导致某些地区发生干旱或洪涝。理论上估计,太阳常数变化1%,就会发生这种情况。可是,经过几十年的地面观测以及近年来通过人造卫星的观测,所得的结果都表明,太阳常数基本上保持不变。因此,这条路就被堵死了。

  人们提出了几个间接的原因来说明太阳活动对气候的影响。有一个是“大气臭氧的屏蔽作用”的假说。在地面上空20~30公里的大气层中,臭氧的含量特别丰富,因而被称为“臭氧层”。臭氧能大量地吸收太阳的紫外线,使人类与生物免受太阳紫外线的辐射而遭到伤害,没有臭氧层的保护,包括人类在内的地球上的所有生物就存在不了。

  臭氧是由太阳紫外线辐射产生的。在紫外辐射强时,臭氧含量就多;在紫外辐射弱时,臭氧含量就少。所以,臭氧含量多少或臭氧层厚薄,跟太阳活动有直接的关系。在太阳活动峰年时,紫外辐射最强,臭氧含量达最大;在谷年时,臭氧含量最少。

  臭氧层对紫外辐射进入低层大气和到达地面有明显的屏蔽作用。臭氧多时,进入低层大气和地面的能量减少,地面温度也因之有所降低;反之,则增高。这就会导致大气的反常变化。但是其中详细的机制等情况,仍然是不清楚的。更有人提出,全球臭氧含量与太阳活动关系是反相关的,即在太阳活动峰年时,臭氧含量反而达到最小。这方面的分歧是很大的,所以对于臭氧的屏蔽作用仍要进一步弄清。

  近年来,由于大气电过程的观测与研究比较深入,所以有人提出“雷暴事件的触发”假说。地球大气中经常发生雷暴。雨云中带正电荷的部分与带负电荷的部分相遇,就发生雷鸣闪电,下起瓢泼大雨或暴雨。研究发现,雷暴事件与太阳活动有关系。太阳活动强时,耀斑比较多。耀斑产生的大量高能质子能穿到大气的低层(20公里以下),触发雷暴的发生。观测发现,耀斑发生后4天,全世界范围的雷暴增强和欧洲雷暴事件的发生达到极大。

  另外,宇宙线也能穿到大气低层,促使大气发生电离。宇宙线也是雷暴的源泉之一。地面宇宙线的强弱都受到太阳活动的调制,所以,雷暴事件与太阳活动是密切相关的。

  但是,目前对于雷暴的过程,以及大气如何影响大气变化,导致旱涝,仍然没有研究清楚。不过,大多数科学家认为,太阳活动通过大气电的过程影响于天气,可能是一个较好的途径。

  未来,在弄清了太阳活动与大气、气候的关系后,人们也许可能通过太阳活动来作比现在准确得多的天气预报。