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    1. 首頁> 報告> 文稿> 社會> 正文

      汪景琇:太陽活動和空間天氣

      摘要:太陽活動與我們的生活息息相關,它的每一次變化都會給我們帶來巨大的影響。因此,認識賦予我們光和熱的太陽,了解它的全貌和運動規律,掌握它每次極微小的變化,有助于更好地保護我們的家園,理解我們在宇宙中的位置,提前做好對空間災害性天氣的預報和預警。本期報告,中國科學院汪景琇院士從屈原的《九歌》和《天問》說起,指出從很久以前,古人就對太陽產生了濃厚的興趣和蓬勃的探索欲望,并向大家普及了關于太陽的一些基本知識,如太陽的內部結構、物理參數、光譜觀測以及太陽在整個宇宙中的位置。

      QQ截圖20200824160344

      汪景琇 中國科學院院士

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      太陽光芒萬丈,它以無盡的熱量,孕育了太陽系,包括地球上智慧的人類。自古以來,人們對太陽的好奇、崇拜以及探索就沒有間斷過。人類最古老的歌頌太陽的詩歌是古埃及的《亡靈書》。在我們國家歌頌太陽的古代詩歌當中,我最喜歡屈原的《九歌·東君》:

      暾將出兮東方,照吾檻兮扶桑。

      撫余馬兮安驅,夜晈晈兮既明。

      駕龍辀兮乘雷,載云旗兮委蛇。

      長太息兮將上,心低徊兮顧懷。

      羌聲色兮娛人,觀者憺兮忘歸。

      ……

      屈原的《九歌·東君》寫得很人性化,他說太陽將從東方升起來了,照耀我的田園和家鄉。我驅馬慢慢地前行,夜色皎皎,天就要亮了。然后突然一轉,說駕著萬軍雷霆,帶著萬里云霞,太陽要升起來了。美麗的太陽升起來了,觀看日出的人流連忘返。

      除了《九歌·東君》這首歌頌太陽的詩歌,屈原還在《天問》里提出了有很多關于太陽的問題:

      天何所沓?十二焉分?

      日月安屬?列星安陳?

      出自湯谷,次于蒙汜。

      自明及晦,所行幾里?

      ……

      羲和之未揚,若華何光?

      何所冬暖?何所夏寒?   

      屈原問道:“日月安屬?列星安陳?”,就是日月到底掛在什么地方?像太陽這樣的恒星屬于哪兒?另外,他還問了一些很有趣的問題,比如“羲和之未揚,若華何光?”,他說給太陽趕車的車夫的鞭子還沒有揚起來,在西北的若華林上,就已經看到了絢麗的光彩,這到底是什么原因?我大致猜想,這就是美麗的極光現象。因為即使在夜里,極光也會把大地照得燦如白晝。他還問道:“何所冬暖?何所夏寒?”這說明在那個時候,他已經問到了氣候異常的原因:為什么有時候冬天是暖的、夏天卻是冷的?

      那么,今天的人們對太陽是如何理解的、對上面這些問題是否仍然感興趣?美國宇航局2014年-2033年的太陽和空間物理發展路線圖的主旨,回答了是什么導致了太陽的變化,近地空間、行星際空間和日球怎樣響應這些變化,它們對人類有什么影響。另外,美國科學院有一個2013年-2022年的太陽和空間物理十年科學規劃,他們給這個規劃起了一個名字,叫作“一個技術社會的科學”。十年科學規劃的科學目標是:確定太陽活動的起源和預報空間環境的變化,認知太陽與太陽系和星際介質的相互作用,發現和定量描述日球和宇宙中的基本過程……由此我們也可以看到,兩千多年前的偉大先哲所提出的問題,今天人們依然在執著地追尋答案。

      進入正題之前,我們大致了解一下太陽的相關知識。首先,太陽位于銀河系的一個小懸臂上。所以銀河系是太陽所在的母星系。太陽到銀河系中心的距離是3至4萬光年,整個銀河系的半徑大約是7.5萬光年。近年來一些新的研究發現,銀河系周邊還環繞著亞星系,所以實際上銀河系可能要比前面的數字大得多。

      圖片1

      在銀河系中,太陽的“王國”是指太陽用太陽風和高能粒子,以及太陽磁場所能控制的空間。太陽風所及的地方與銀河系、星際介質之間的邊界大約有100個AU,即100個日地距離。從太陽向外看,我們會看到水星、金星等“八大行星”和矮行星,然后是小行星帶;接著往外看,是日球層邊界(在太陽或太陽風的能量與恒星風的能量可以匹敵的地方,即能量基本相等的位置,物質和等離體堆積,形成了一個邊界層,這就是日球和太陽風的邊界層);再往外看,是星際介質和奧爾特云等星際介質當中的一些結構;另外,我們還可以看到比鄰星,比鄰星是離太陽最近的恒星,大約在4光年多的位置。有研究發現,比鄰星的一個行星上很可能有類地生命存在。

      圖片2

      上圖是太陽的結構。日核處于中間位置,這里是產生日核反應、驅動太陽和太陽系能量的地方。它通過兩個氫核合并為一個氦核,把多余的質量轉化為能量,源源不絕地為太陽提供了自己生命周期當中的所有能量。再往外是輻射區,日核產生的能量是通過輻射的方式向外傳播,由于太陽太厚、太重,所以輻射的能量傳播到一定距離時,就傳播不動了,就像有一面墻把它堵住了一樣,這個地方叫作對流層底。由于能量在這里積累,上邊的大氣,即30%左右的太陽大氣,被燒得沸騰起來,所以這個層次叫作“對流層”。對流層再往外就是太陽光球層,這是太陽黑子所在的地方。太陽光球再往外是溫度極小區,大約4300℃。然后是太陽色球層、太陽過渡區、日冕(日冕的溫度是200萬℃)。在日冕里有很劇烈的活動現象,比如耀斑;在日冕中還有一些暗冷的物質,就叫作“日珥”,是很美麗的現象。以上這些太陽結構,大多數在近代以前大家都已經知道了。近代以來,人們又有了一些新發現,比如:人們發現在對流層底有一個旋切層,此處在太陽旋轉時有非常大的梯度,即上下兩層之間的梯度非常大,所以大家認為這里是太陽磁場所產生的溫床。

      圖片3

      天文觀測是用光譜學的方法。我們是通過從伽瑪射線(波長為10-18米)、X射線、紫外線,到可見光、紅外線,以及射電波段等的光譜研究,來了解我們的世界、了解我們的宇宙的,對太陽的研究也不例外。目前,對太陽的研究基本覆蓋了從伽瑪射線到射電波段的全波段。在宇宙對象當中,太陽幾乎是唯一一個覆蓋全波段觀測的天體對象。另外,活動星系核也是覆蓋了很多的波段;對一些天體對象,我們只能在局部波段觀測到它們。

      責任編輯:葉其英校對:李天翼最后修改:
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