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第4章 太阳系(1)

太阳系的起源

18世纪康德提出的星云假说,是近代关于太阳系起源的理论开端。

根据该理论,约50亿年前,太阳系是团弥漫、缓动的气体云。由于其他天体的引力扰动或邻近超新星爆发的冲击波,该气体云开始坍缩,浓密的核心变为原始太阳,周围旋转的尘粒和气体原子,形成一个薄盘--原太阳星云。就像原始星系云分裂为众多恒星一样,类似的物理过程将原太阳星云分裂为大量引力束缚的团块(星子),星子具有小行星尺度,其中一部分就是现今的小行星和彗核,另一部分通过碰撞合并长大成星胚。这些星胚继续吸积周围的物质,像滚雪球一样最后变为大行星及其卫星。所有这些天体都由围绕原太阳旋转的薄盘内物质组成,说明它们的共面性和同向性,少数例外(如金星逆向自转)可用潮汐效应等其他因素来解释。

星球碰撞产黄金:黄金是因为密度极高的星球相撞后形成的。在相当长的一段时间里,天文学家怀疑黄金以及其他重金属如铂是特殊核反应的副产品。英国和瑞士研究人员通过比较太阳系中的黄金、铂和其他元素含量,确定黄金、铂是由星球碰撞形成的。

在核反应中形成的黄金和铂散落在整个宇宙空间,这些重金属和银河系中的气体(主要是氢气、氦气)混合在一起。接着这些气体逐渐冷却,形成恒星和环绕恒星的行星,这些恒星和行星因此包含了一些黄金和铂。

太阳

太阳无时不在向地球传送着光和热。有了太阳光,地球上的植物才能进行光合作用。植物所含的叶绿素利用太阳光的能量,合成种种物质,进行光合作用。据计算,整个世界的绿色植物每天可产生约4亿吨蛋白质、碳水化合物和脂肪,同时还向空气中释放出近5亿吨的氧,为人和动物提供了充足的食物和氧气。

太阳简述:太阳是距离地球最近的恒星,是太阳系的中心天体,其体积是地球的130万倍。它位于银河系的对称平面附近,距离银河系中心大约2.6万光年,在银道面以北约26光年,它一面绕着银心以每秒250千米的速度旋转,另一面又相对于周围恒星以每秒19.7千米的速度朝织女星附近方向运动。其中心区不断进行热核反应,所产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射。其中二十二亿分之一的能量辐射到地球,成为地球上光和热的主要来源。太阳的年龄约为46亿年,它还可继续燃烧约50亿年。在其存在的最后时期,太阳中的氦将转变成重元素,太阳的体积也将不断膨胀,直至将地球吞没。

日食:日食,尤其是日全食,是天空中颇为壮观的景象。如果在晴朗天气发生日全食,人们会看到太阳西边缘开始缺掉一块(实际上是被月影遮住),所缺面积逐渐扩大,当太阳只剩下一个月牙形时,天色逐渐昏暗,就像夜幕降临。当太阳被完全遮住时,夜幕笼罩大地。突然,在原来太阳位置四周喷发出皎洁悦目的淡蓝色日冕和红色日珥。此后,太阳西边又露出光芒,大地重见光明,太阳圆面上被遮部分逐渐减少,太阳也逐渐恢复本来面貌。

日食成因:月球围绕地球转动,地球又携带月球一起绕太阳公转,当月球运行到太阳和地球之间,三者几乎成一直线时,月影挡住太阳,于是就发生了日食。

月影有本影、伪本影(本影的延长部分)和半影之分。在月亮本影扫过之处的太阳光被全部遮住,人们看到日全食;在半影扫过之处,月球仅遮住日面的一部分,人们这时看到日偏食。有时,月球本影达不到地面,它延伸出的伪本影扫到地面,这时,太阳中央的绝大部分被遮住,在周围留有一圈明亮光环,即为日环食。天文学家称环食和全食为中心食。中心食的过程中必然发生日偏食。

倍利珠:在全食即将开始或结束时,太阳圆面被月球圆面遮住,仅剩下一圈弯曲细线时,往往会出现一串发光亮点,如同一串晶莹剔透的珍珠。它是由于月球表面高低不平的山峰像锯齿一样将太阳光线切断造成的。英国天文学家倍利在1838年和1842年首先描述并研究了这种现象,所以称为倍利珠。

本世纪最长日全食:2009年7月22日上午,本世纪持续时间最长的一次日全食天文奇观将精彩上演。浙江省嘉兴市海盐县日全食时间预计将长达5分56秒左右,被中外天文学界认为是此次日全食最佳推荐观测地之一。

中国长江流域是本次日全食奇观的最佳观测带,其中浙江海盐拥有地理位置和天气情况等方面的巨大优势。海盐是杭州湾临海城市,拥有沿岸制高点及53千米的海岸线,当地日全食时间预计将长达5分56秒左右,目前已有500余位来自美国、德国、丹麦等国的“夸父”赴海盐“追日”。

光球上的米粒:用专门观测太阳的望远镜观测太阳表面时,会发现它一直处在剧烈活动中。人们看到的太阳表面,是太阳大气的最底层,厚度约500千米,称作光球。通过太阳望远镜可看到光球布满像米粒一样的东西,这些“米粒”被称为太阳的米粒组织。“米粒”大小约1000千米,温度比周围高约300℃,寿命几分钟。

米粒组织实际是太阳内部物质强对流运动在太阳表面的表现。光球下的物质在米粒中上升到光球上来,上升速度500米/秒左右,冷却后,又沉到光球下去。光球上“米粒”的运动虽然很剧烈,但比起黑子、耀斑、日珥等真正的太阳活动现象来,只能算宁静的常规运动。

太阳风:太阳风是从恒星上层大气射出的超声速等离子体(带电粒子)流。太阳风是一种连续存在,来自太阳并以200~800千米/秒高速运行的等离子体流。它们流动时产生的效应与空气流动十分相似,所以被称为太阳风。

太阳风从太阳大气最外层的日冕处向空间持续抛射出粒子流,其主要成分是氢粒子和氦粒子。太阳风有两种:一种持续不断辐射,速度较小,粒子含量也较少,被称为“持续太阳风”;一种是在太阳活动时辐射,速度较大,粒子含量也较多,被称为“扰动太阳风”。扰动太阳风对地球影响很大,当它抵达地球时,常引起很大的磁暴与强烈的极光,同时也产生电离层骚扰。

太阳黑子:也叫日斑。在太阳的光球层上,有一些旋涡状气流,如同一个浅盘,中间下凹,看似黑色,这些旋涡状气流就是太阳黑子。太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动,是太阳活动中最基本、最明显的活动现象。

通常认为,太阳黑子是太阳表面一种炽热气体的巨大漩涡,温度大约在4500℃左右。假如能把黑子单独取出,一个大黑子可发出相当于满月的光芒。因为比太阳的光球层表面温度要低,所以看上去像一些深暗色的斑点。

太阳黑子很少单独活动,常常成群出现。太阳黑子产生的带电离子,可破坏地球高空的电离层,使大气发生异常,还会干扰地球磁场,从而使电讯中断。太阳黑子活动周期大约为11年。

太阳帽日冕:每当日全食出现,在月掩日轮的周围便会浮现出银白色的光区(光区外面是黑暗的天空背景),看上去,被月球遮挡的太阳像一顶“太阳帽”,人称日冕。

日冕是太阳的最外层大气,其形状随黑子周期而变化。在黑子数极大值期间,日冕形状比较整齐;在黑子数极小值期间,日冕形状扁圆。

日冕延伸范围很大,分内冕和外冕。内冕只延伸到离太阳表面约0.3太阳半径,外冕则可达几个太阳半径。日冕谱线属于极高度电离的离子。日冕的温度约200万℃,高于光球,也高于色球。日冕是一团炽热的极稀薄的等离子体,每立方厘米约有108个粒子。由于高温,整个日冕处于膨胀状态,其中大量快速粒子挣脱太阳引力的束缚,不断向外流动,形成太阳风。

日浪:又称“冲浪”。太阳光球层物质的一种抛射现象。通常发生在太阳黑子上空,具有极强重复出现的本领,当一次冲浪沿上升路径下落后,又会触发新的冲浪腾升,这样复不断,但其规模和高度则一次比一次小,直至消失。

位于日面边缘的冲浪表现为一个小而明亮的小丘,顶部以尖钉形状向外急速增长。上升高度各不相等,小冲浪只有几百千米,大冲浪可达5000千米,最大的达1~2万千米。抛射最大速度每秒可达100~200千米,比最快的侦察机都快100多倍。当它们到达最高点后,受太阳引力影响,开始下降,直至返回太阳表面。冲浪是由非常小的一束纤维组成,每条纤维间相距很小,作为整体一起发亮和运动。

日珥:发生日全食时,太阳周围出现一个红色环圈,上面跳动着红色火舌,这种火舌状物体如同太阳面的“耳环”,所以叫日珥。日珥是在太阳色球层上产生的一种非常强烈的太阳活动,是太阳活动的标志之一。一次完整的日珥过程一般为几十分钟,同时,日珥的形状也千姿百态。

按运动情况,日珥可分为爆发型、宁静型和活动型三大类。它们从太阳表面喷出来,沿弧形路线,慢慢落回到太阳表面上。但有的日珥喷得很快、很高,其物质直接抛射到宇宙空间,爆发日珥的高度可达几十万千米。1938年爆发的一个最大日珥,顷刻间上升到157万千米的高空。

耀斑:耀斑,太阳上最剧烈的活动现象,通常它们都出现在黑子附近。当出现的黑子多时,耀斑出现也更频繁。耀斑产生于太阳光球上面的一层大气层里,该大气称为色球。色球层的厚度约2500千米,因此耀斑又称色球爆发或太阳爆发。

在强磁场作用下,耀斑可在几百秒钟内积聚起强能量。这些能量以电磁波以及高能带电粒子流的形式向外辐射。特别是紫外线和X射线的强度,远远超过可见光强度,而高能粒子流的速度可达光速的一半。

绚丽的极光:极光,一种大气光学现象。当太阳黑子、耀斑活动剧烈时,太阳发出大量强烈的带电粒子流,沿地磁场的磁力线向南北两极移动,它以极快的速度进入地球大气上层。带电粒子速碰撞到空气中的原子,原子外层的电子便获得能量。当这些电子将获得的能量释放出来,便会辐射出一种可见光束,这种迷人的色彩就是极光。

地球两极有两大磁场,带电粒子流受地球磁场的影响,飞行路线向两极偏转,两极地区形成的粒子流较中纬度多,在高纬度地区人们看到极光的机会更多。出现在北极的叫北极光,出现在南极的叫南极光。极光往往突然出现,连续一段时间后又突然消失。

在瑞典、挪威、前苏联和加拿大北部,一年可看到约100次极光,出现时间大多在春、秋两季。在加拿大北部的赫德森湾地区,每年见到的极光多达约240次。中国最北部的黑龙江漠河,人们往往可看到五彩斑斓的北极光。

当太阳成为黑洞:太阳有可能成为黑洞,但不会实际发生。很多黑洞只是大质量恒星演化的重点,这些恒星的质量大部分都为太阳的10倍以上。就目前的太阳质量来说,远不够形成黑洞。一个被疑是黑洞的星体中看到一种圆盘状寒冷气体和燃烧物质至少要到50亿年后,太阳才有可能变得够致密,才有可能成为黑洞。但由于太阳不断旋转,就算有大量能量流失,出现这种可能性依然很小。

每个黑洞都有其“史瓦西半径”,只有物体超过了该半径,才会被黑洞“吞噬”。太阳的史瓦西半径为2900米,相比之下,现在太阳的半径约70万千米。当太阳突然变成黑洞时,太阳系中的大小行星都会处在“安全线”外。太阳最终会演化成为一颗白矮星。

如果太阳成为一个黑洞,那这个黑洞并不会把太阳系中的大小行星都吃掉。地球仍会在现有轨道上运行,唯一明显变化是天气变得异常寒冷--缺少阳光所致。海洋将会冻结,地球表面上的任何生命形式会逐渐消亡。但地球文明不会灭亡,人类可通过寻找一个能在地表以下发电和取暖的办法延续生命,还可以通过星际旅行寻找地球的“替代者”。

太阳对地球的影响:地球在它的整个历史上始终受太阳光和热作用,它们与地球内部动力所引起的各种现象之间相互作用,驱动着地球表层的演化。当地球的大气圈河水圈形成后,以太阳能为动力的“太阳发动机”驱动大气和大洋环流,形成风、云、雨、雪。河流出现了,开始流入大洋,山脉受到剥蚀。

这一切都在塑造和改变着地表环境,影响着地球生物圈,使地球的气候、生物及地球化学循环趋于多样化。当太阳活动增强,突然释放巨大能量,同时抛射出不同能量的粒子,使各种波长的电磁辐射迅即增强,并引起磁暴、极光,骚扰大气电离层,使近地空间状态发生扰动变化。

夜空为什么黑暗:奥伯斯(1758~1840)出生于德国不来梅。他共发现5颗彗星,其中一颗后来以他的名字命名。奥伯斯还发现两颗小行星。1823年,奥伯斯提出:为什么夜空是黑暗的?如果宇宙无限,恒星均匀布满天空,那么夜晚的天空也将和白天一样明亮。

实际情况并非如此。这种理论和实际的矛盾,物理学上称为佯谬。奥伯斯指出的这个矛盾,后来被称为奥伯斯佯谬。

早在1610年,伽利略用望远镜发现空中有无数肉眼看不到的恒星后,认为宇宙是无限的,恒星的数量也是无限的。开普勒不以为然:如果那样的话,夜空就不会是黑暗的。他说,假如你站在无边无际的森林中向前看,不论往哪个方向看,都只能看到一根根的树干连成一片挡在眼前,看不到任何间隙。当你站在一片小森林中时,才能透过树干间隙看到外面的世界。同理,如果宇宙无限,那么恒星将占据天空的每一点,它们发出的光终将抵达地球,所有恒星发出的光都将连成一片。既然实际情况是恒星彼此之间有黑暗间隙,那就说明宇宙是有限的,透过这些间隙,人们看到的是一堵包围宇宙的黑暗围墙。

小知识

日食会损伤视网膜

观看日偏食时没有合适的保护装备,会对视网膜造成灼伤。不管视网膜暴露在太阳下多久,这种损伤会导致视力永久性伤害。当视网膜被灼烧时,人们并无疼痛感,直到这种损伤出现至少几小时后,这种视觉症状才会出现。

只有当太阳完全被月球遮挡后,才可以在没有保护措施下安全地观看日全食。当太阳再现、产生钻石环效应时,需把眼睛从太阳位置移开。日全食将会持续约2分钟,时间长度依你的观察位置不同。然而,对大多数人来说,往往只能看到日偏食,这时虽然天空很暗,但如果没有合适的保护装备和观看技术,匆促观看太阳是不安全的。

行星

行星通常指自身不发光、环绕恒星的天体。一般来说,行星需具有一定质量,行星的质量要足够大(相对于月球),且近似于圆球状。行星本身不能像恒星那样发生核聚变反应。2007年5月,麻省理工学院太空科学研究队发现了宇宙中最热的行星(2040℃)。