時(shí)間: 2001年9月13日周四晚7點(diǎn)

　　地點(diǎn): 理教121

　　主講人:陳嘉勝, 波士頓大學(xué)博士, 美國(guó)波士頓大學(xué)太空物理中心教授、北大校友（78級(jí)本科生）.

　　講座內(nèi)容:

　　人類(lèi)的生活與太陽(yáng)息息相關(guān)，除了原子能和地?zé)嵋酝猓�人�?lèi)利用的所有的能量，都是直接或間接從太陽(yáng)獲得的。但我們對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)識(shí)又有多少呢？我們一般都認(rèn)為太陽(yáng)是一個(gè)非常安靜、光亮的火團(tuán)，沒(méi)有什么變化。太陽(yáng)真正的結(jié)構(gòu)是怎么樣的呢？

　　1、太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)。

　　太陽(yáng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有三層（有內(nèi)至外）：太陽(yáng)核、輻射層、對(duì)流層。太陽(yáng)核的溫度很高、壓力很大，會(huì)產(chǎn)生核聚變。核聚變主要是由氫聚變成為氦，從而釋放出巨大的能量。這些能量到達(dá)輻射層后會(huì)有一部分被折射回去。能量從太陽(yáng)核到達(dá)對(duì)流層需要100萬(wàn)年。對(duì)流層的作用在于將磁場(chǎng)、熱量等直接對(duì)流到太陽(yáng)表面。太陽(yáng)的外部結(jié)構(gòu)包括：日珥、日冕、黑子、日冕質(zhì)量拋射、耀斑、日冕洞。太陽(yáng)黑子事實(shí)上是一種強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)，它們的數(shù)目會(huì)變化，一個(gè)太陽(yáng)黑子可以吞下整個(gè)地球。黑子呈現(xiàn)11年的變化周期，黑子數(shù)目的多少象征太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)度。黑子區(qū)的溫度大約為4000度，黑子區(qū)周?chē)�其他地區(qū)的溫度大約為6000度。黑子溫度比較低的原因在于：黑子地區(qū)的磁場(chǎng)很急，這使從對(duì)流層過(guò)來(lái)的熱流放慢了速度，從而使溫度下降。太陽(yáng)耀斑是如何產(chǎn)生的呢？黑子區(qū)有很多磁場(chǎng)，當(dāng)其中的兩條磁力線的方向相反時(shí)，它們就會(huì)“淹沒(méi)”（即消失掉）。而太陽(yáng)黑子的磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)能產(chǎn)生很大的磁張力。這種張力平時(shí)將很多的物質(zhì)和能量束縛在其中。當(dāng)“淹沒(méi)”現(xiàn)象出現(xiàn)，即磁力消失時(shí)，這些物質(zhì)和能量就被突然被釋放出來(lái)。這在紫外光的觀測(cè)下就是太陽(yáng)耀斑，也可以稱(chēng)為太陽(yáng)龍卷風(fēng)。太陽(yáng)耀斑除了能夠向外拋射出大量紫外線輻射以外，還能拋射出大量高能帶電粒子，相當(dāng)于1千萬(wàn)個(gè)火山口噴出的能量。太陽(yáng)的高能活動(dòng)都沿著赤道方向，而在太陽(yáng)的南北兩極則存在這兩個(gè)黑色的日冕洞。日冕洞和太陽(yáng)拋射出來(lái)的高能物質(zhì)（即太陽(yáng)風(fēng)）之間有什么關(guān)系呢？在日冕洞存在的高緯地區(qū)，太陽(yáng)活動(dòng)密度較低，太陽(yáng)風(fēng)活動(dòng)的速度比較大；
而在低緯地區(qū)，太陽(yáng)活動(dòng)密度較強(qiáng)，則太陽(yáng)風(fēng)活動(dòng)的速度就比較小。

　　2、地球的“磁層”與輻射帶

　　地球?qū)嶋H上是一塊有南北兩極的大磁鐵。當(dāng)沒(méi)有太陽(yáng)物質(zhì)拋射過(guò)來(lái)的時(shí)候，在真空當(dāng)中，地球磁場(chǎng)應(yīng)該是對(duì)稱(chēng)的。但由于太陽(yáng)風(fēng)拋射的壓力，地球的磁場(chǎng)就會(huì)變形，從而形成位于地球高空中的“地球磁層”，它也應(yīng)被包含在地球的外太空區(qū)域中。從太陽(yáng)來(lái)的帶電粒子經(jīng)過(guò)磁層力的作用，會(huì)被折射回外太空，而不直接射到人類(lèi)的身體上，從而起到對(duì)人類(lèi)的保護(hù)作用。帶電粒子在地球的外太空中有三個(gè)運(yùn)動(dòng)模式，即回旋周期、彈跳周期、飄移周期。地球的赤道附近有一個(gè)充滿(mǎn)了這種帶電粒子的輻射帶。這一輻射帶被發(fā)現(xiàn)于1958年。當(dāng)時(shí)，人類(lèi)第一次向太空發(fā)射衛(wèi)星，衛(wèi)星在赤道附近發(fā)現(xiàn)大量帶電粒子。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家最初還以為是觀測(cè)儀器出了問(wèn)題，最終才確認(rèn)這是個(gè)新的太空現(xiàn)象。這是太空時(shí)代的第一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。但輻射帶高能粒子的起源何在呢？這一直是40年來(lái)科學(xué)界沒(méi)有解決的問(wèn)題。

　　3、太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的影響

　　當(dāng)前全球各地發(fā)射的商業(yè)衛(wèi)星都定點(diǎn)在地球的赤道附近。人們使用的通訊工具、收看的電視節(jié)目信號(hào)都來(lái)自于這些商業(yè)衛(wèi)星。商業(yè)衛(wèi)星的軌道正好處在地球的外輻射帶。如果太陽(yáng)發(fā)生變化，就會(huì)影響到外輻射帶，從而影響到這些商業(yè)通訊衛(wèi)星。全球地位衛(wèi)星系統(tǒng)（GPS），其軌道也通過(guò)輻射帶，所以太陽(yáng)的活動(dòng)對(duì)它們也會(huì)有一定影響，造成定位不準(zhǔn)確。日冕質(zhì)量拋射統(tǒng)稱(chēng)太陽(yáng)風(fēng)暴，太陽(yáng)風(fēng)暴輻射出太陽(yáng)風(fēng)。當(dāng)由北向南的太陽(yáng)磁場(chǎng)和由南向北的地球磁場(chǎng)發(fā)生磁重疊時(shí)，就會(huì)發(fā)生“淹沒(méi)”的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生“地磁暴”。地磁暴也會(huì)對(duì)地球衛(wèi)星產(chǎn)生影響。在太空時(shí)代之前，人們主要通過(guò)對(duì)極光的觀測(cè)了解地磁暴的產(chǎn)生。如果出現(xiàn)地磁暴，地磁暴就會(huì)使極光向赤道附近飄移。從太陽(yáng)來(lái)的高能帶電粒子對(duì)衛(wèi)星的影響有三種可能性：如果是低能的離子撞擊衛(wèi)星，它們就會(huì)聚集在衛(wèi)星的表面上，產(chǎn)生放電現(xiàn)象，從而對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生一定的破壞影響；
如果是高能的帶電電子撞擊衛(wèi)星，就會(huì)穿過(guò)衛(wèi)星表面保護(hù)層，打擊衛(wèi)星內(nèi)部電路，損壞衛(wèi)星的內(nèi)部線路；
如果是高能的離子撞擊衛(wèi)星，它們除了能過(guò)穿過(guò)保護(hù)層外，還會(huì)在衛(wèi)星的集成電路上儲(chǔ)存能量，從而破壞衛(wèi)星的邏輯線路。這樣一來(lái)這個(gè)衛(wèi)星很可能就完全損壞了。

　　太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類(lèi)的影響還有：首先，高能離子會(huì)威脅到太空人的安全，而太陽(yáng)風(fēng)暴放射的紫外線可以穿過(guò)在高空飛行的飛機(jī)，也有可能進(jìn)入地球的大氣層，使飛機(jī)上的乘客和地球上的人類(lèi)皮膚細(xì)胞產(chǎn)成癌變的可能。其次，當(dāng)電離層產(chǎn)生變化時(shí)，會(huì)影響我們的無(wú)線電通訊。再次，當(dāng)風(fēng)暴出現(xiàn)時(shí)，在地球表面形成的電離有可能打破地球上的輸油管，導(dǎo)致石油泄漏，造成環(huán)境污染。此外，它還會(huì)破壞地球高緯度地區(qū)電廠的變壓器，使許多地區(qū)瞬間停電。最后，紫外線還會(huì)破壞地球的臭氧層。當(dāng)空調(diào)等電器產(chǎn)生的氟氯化合物飄到臭氧層外時(shí)，由于太陽(yáng)變化產(chǎn)生的紫外線可以將化合物中的氯分解出來(lái)。氯和臭氧發(fā)生化合作用，產(chǎn)生一氧化氯和氧，一氧化氯繼續(xù)和單氧發(fā)生化合作用，再次產(chǎn)生氧和一氧化氯。這一變化的結(jié)果就是：氯并沒(méi)有減少，但臭氧卻被破壞了。

　　4、 國(guó)際地日研究計(jì)劃

　　人類(lèi)為了了解自然，訂立了一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃。它叫做“國(guó)際日地研究計(jì)劃”。即利用一群衛(wèi)星監(jiān)測(cè)太陽(yáng)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的變化。其目的有二：在科學(xué)上了解太陽(yáng)的能量、動(dòng)量、質(zhì)量怎么進(jìn)入地球；
在運(yùn)用上通過(guò)對(duì)太陽(yáng)的檢測(cè)，了解太陽(yáng)的變化如何影響人類(lèi)日�；顒�(dòng)。

　　因?yàn)檫@個(gè)計(jì)劃造價(jià)很大，所以沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家可以獨(dú)立完成，它必須是一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目。這一計(jì)劃包括名為WIND、SOHO、GEOTAIL、INTERBALL、POLAR在內(nèi)的12枚衛(wèi)星。

　　以SOHO衛(wèi)星為例。通過(guò)它可以看到許多用現(xiàn)有的天文望遠(yuǎn)鏡無(wú)法看到的太陽(yáng)變化細(xì)節(jié)。太陽(yáng)到地球的距離大約是1億5千萬(wàn)公里，太陽(yáng)風(fēng)的速度是每秒450公里。它從太陽(yáng)到地球需要2到4天。一旦SOHO衛(wèi)星測(cè)到有太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生，它可以在8分鐘內(nèi)將此信息傳回地球，那么人們就可以有2到4天的時(shí)間做好準(zhǔn)備。WIND衛(wèi)星將處于地球與太陽(yáng)的引力零點(diǎn)，它可以測(cè)出太陽(yáng)風(fēng)的速度、密度、電子、離子數(shù)目以及太陽(yáng)磁場(chǎng)的壓力等太陽(yáng)的參數(shù)。POLAR是美國(guó)發(fā)射的極軌衛(wèi)星，上面裝備有12個(gè)用途不同的儀器。其中包括：測(cè)太空中的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電子和離子的流量、進(jìn)行紫外線、X射線照像等。最新一代的科學(xué)探測(cè)儀不但可以區(qū)分出不同的元素，還可以進(jìn)一步區(qū)分出同一元素的同位素。它們的分辨率可以達(dá)到0.1個(gè)原子質(zhì)量，這是目前最高的分辨率。

　　5、 對(duì)地球“磁口”的最新發(fā)現(xiàn)

　　地球的外太空存在著一個(gè)名為“磁口”（CUPS）的區(qū)域。根據(jù)國(guó)際空間界以往所有的理論模型分析，這是一個(gè)不存在任何物質(zhì)的真空區(qū)域。但這是一個(gè)錯(cuò)誤的理解。美國(guó)發(fā)射的衛(wèi)星在經(jīng)過(guò)磁口位置時(shí)探測(cè)到磁口中有很強(qiáng)的離子、電子變化，并且有很強(qiáng)的噪聲存在。通過(guò)理論模擬發(fā)現(xiàn)，磁口區(qū)域也有與輻射帶相似的三種運(yùn)動(dòng)：回旋周期、彈跳周期、飄移周期。所以磁口可以被認(rèn)為是類(lèi)似輻射帶的第二個(gè)不穩(wěn)定的輻射帶。這是太空界新的發(fā)現(xiàn)，引起了為期4年半的爭(zhēng)論。直到今年1月，才在整個(gè)太空界達(dá)成了共識(shí)，確認(rèn)了這一發(fā)現(xiàn)的真實(shí)性。也就是說(shuō)，實(shí)際上地球整個(gè)外太空中繞動(dòng)變化最激烈的區(qū)域不是地球磁層的磁尾區(qū)域而是磁口區(qū)域。這一發(fā)現(xiàn)有可能解決太陽(yáng)的能量如何進(jìn)入地球磁層這一問(wèn)題，從而徹底改變太空研究界對(duì)地球磁場(chǎng)動(dòng)力性的認(rèn)識(shí)。即太陽(yáng)的能量有可能是通過(guò)磁口進(jìn)入地球的磁層，而不是通過(guò)磁尾區(qū)域地球的地磁暴或亞暴進(jìn)入地球磁層。

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