(051)太阳的奥秘-2

在研究5分钟振荡等的时候，科学家们出乎意料地发现，它们竟然还可以分解为上百个长短不等的小周期，短的只3分钟，长的有3小时。这些五花八门的小周期叠加在一起，真有点使人眼花缭乱，它们之间究竟有些什么内在的联系？或者这些错综复杂的小周期预示着什么？现在确实还无可奉告。本世纪60年代，美国科学家迪克发现太阳并非是个圆气体球，它的两极略扁，赤道部分则略微凸起。1983年，迪克本人的观测结果表明，太阳的形状并非固定不变，它的扁率发生周期振动，周期是12.64天。有意思的是，另一批美国科学家从水星的运动中，也发现了太阳的振荡现象。1982年，美国高空观测研究所等单位的研究人员，收集了从18世纪以来的、长达265年的水星绕太阳运动的资料，以及好几十组日食发生时间的数据。综合分析的结论是：太阳直径又胀又落，像是个一忽儿充满气，一忽儿又放掉了点气的大皮球，这种被他们称为“太阳颤抖”的振荡现象的周期，被定为76年，最大的变化率可以达到0.8角秒。近些年来，有人从44520个太阳黑子数的分析中，得出其峰值有12.07天的周期。也有人从太阳自转速度随纬度高低而不同的所谓“较差自转”中，导出16.7天的周期。此外，还有人认为存在着好几个7～50分钟的周期；160～370分钟周期范围内，也还存在着太阳整体振荡，等等。日食记载也为此提供了新论据。一些科学家详细研究了8次日全食的资料，其中最早的一次是1715年5月3日在英国可见的日全食，最晚的一次发生在1984年5月31日。分析得出：269年间，太阳直径有类似脉搏跳动那样的振动现象，周期不详，但总的说来变化不算大，只有1.24角秒，大致是太阳角直径的1／1600。研究和探测太阳内部结构是天文学家们长期的重要课题，也是很难顺利展开的课题。已经建立起来的理论和假说，有的未能通过实践的检验，有的显露出很大的缺陷，这类事情常有发生。正当科学家们一筹莫展、陷入重重困难的时候，日震被发现了，他们怎能不喜上眉梢呢！在不算长的几十年时期内，日震学已显示出其强大的生命力，太阳的内部结构，各层次的温度、压力、密度、化学组成、自转和运动情况等等，无不通过太阳振动的研究而获得了大量前所未知的信息。说实在的，这些信息对于建立和完善已有理论，譬如黑子是怎么产生的、黑子周期的本质等，都是必不可少的。科学家们相信，日震与地震的某些性质应该或可能有相似之处，运用我们已掌握的对地震波的研究成果，再经过相当时间的观测和探索，我们一定会越来越深入地认识我们的这个太阳，再扩大一步来说，乃至其他恒星。我们也不必讳言，到目前为止，太阳整体振荡为我们解决的问题只是初步的，还远没有它提出的问题那么多。太阳整体振荡是怎么产生的？从各种不同角度导出的种种周期与整体振荡是什么关系？各种周期之间又是什么关系？这些都还是未知数。如果把太阳振荡比作是一条走向探知太阳内部的康庄大道的话，那么，我们才刚踏上征程，大量的开拓工作还在后头。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校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。饱览日面对广大的天文爱好者来说，太阳表面的一些剧烈活动是最理想的观测项目。从日地关系角度看，也是最有实际意义的观测课题。对于进行普及教育来说，也是最生动、最有趣味的内容之一。（1）观测的特点充分掌握太阳观测的特点，是做好观测的重要前提。太阳观测具有以下一些基本特点；太阳光极强——这就要求通过望远镜观测时，目视或照相观测都需有严格的减光措施，千万注意保护自己和他人的眼睛。照相观测时，要防止机身漏光。投影观测时，要处理好日面特征和四周散射光的对比关系；镜筒系统不要长时间的对准太阳。太阳有大约30角分的视面，比较适宜用小型望远镜观测。观测时，日面上的活动现象受大气的宁静度和明晰度的影响较大。有观测室，也应注意室内外温差引起的剧烈气流变化对观测的影响；没有观测室，也不要放在水泥地面上，最好是草地上，还应注意工厂的烟尘和雪融化时的气流都会严重地影响成像质量。观测地点应长期稳定，基墩稳固，观测仪器最好是折射望远镜或折反射望远镜，并且是有跟踪设备的赤道装置。要长期的并且是连续的观测才有意义。另外，观测时还要注意，一天中，太阳的地平高度有变化，一年四季里，太阳的地平高度和出没方位也有变化。（2）观测的内容一般的光学望远镜主要是观测太阳光球层的活动现象：黑子、光斑和米粒组织。太阳黑子：太阳黑子是光球上最明显的活动现象。它在日面上的形成、发展、消失、形态、多少、大小和分布等，都有一定的规律。我们所见到的黑子只是太阳向着地球这半球面上的情况。随着太阳的自转，黑子在日面上每天从东往西移动大约13度。黑子在日面上的东西分布是不对称的——东半球比西半球多，并且集中分布在日面中纬度区域，在纬度±45度以上区域，几乎没有见过黑子，在纬度±18度之间的区域，也很少见到黑子，而且南半球的黑子数往往比北半球多。一般说来，较完整的黑子是由本影和半影组成。中间深黑色的部分叫本影，四周暗淡的区域叫半影。另外，大多数的黑子都成群出现，单一的黑子比较少见。黑子群多是沿东西方向分布着。一群中，西边较大的黑子叫前导黑子，东边的黑子叫后随黑子。常常是前导的黑子比后随的黑子大，出现得早，消失得迟。在太阳的球面上，黑子的形态随着和日面中心的距离而变化，在东西边缘时，基本上成长条形。每个黑子群的演化经历是各不相同的，有的仅存在几个小时，有的却长达十多个月。也就是说，可以观测好几个周期。一般的黑子都存在几天到几十天。此外，日面上每天的黑子多少、大孝形态和位置都不一样。有时，一天里的黑子状况也有变化。就太阳整体来说，太阳黑子有大约11年的周期变化。光斑：在太阳光球层的东西边缘，往往能见到一些比光球背景要明亮的区域，这就是光斑。它的基本特征是：光斑常伴随着日面边缘的黑子一起出现。和黑子在一起的光斑，成明亮的纤维状围绕着黑子，其长轴方向大致垂直于太阳赤道。光斑要比黑子早出现几小时到几天，出现后，往往分成两部分，显现出类似黑子群的偶极特征。由于受太阳较差自转的影响，光斑发展到末期要分裂成许多小块，逐渐消失。光斑和黑子一样，也存在着11年的活动周期。光斑在日面上的纬度分布，要比黑子活动区宽大约±15度。光斑的平均寿命约2～3天。光斑的平均亮度比光球背景明亮大约1／10，其可见度受天气影响很大。米粒组织：是太阳光球层中气体对流引起的沸腾活动的结构。在天气非常理想的情况下，用较高倍率望远镜观测时，日面上似乎布满时隐时现的较明亮的米粒状结构，这就叫米粒组织。米粒组织的可见度受天气影响较大；它的视角直径只有1＂～3，需要有较高分辨本领的望远镜才能见到；其存在的寿命很短，平均只有几分钟，最长也只有15分钟左右；米粒组织的形状与所在日面的位置无关。米粒组织的多少和太阳11年活动周期无关。上述这些光球现象的基本特征，都与观测有密切关系。观测者只有充分了解这些规律，才能获得满意的观测资料。（3）观测方法观测方法是为观测目的服务的。就上述的观测对象来说，每一个对象都可以有几种不同的观测方法。这里我们只着重介绍照相观测和投影观测。照相观测：大致可分两种类型——直接拍摄物镜的焦点像和在投影屏上拍摄目镜的局部放大像。直接拍摄物镜的焦点像：也就是把目镜取下，接上照相机的机身。这时，天文望远镜的物镜就相当于该照相机的长焦距镜头。这样的拍摄很简单，稍有摄影常识的人就能做。但是，要注意下列问题：这是物镜的焦点像，太阳光极其强烈，一定要事先加好减光装置；焦距一定要调好。要知道，光凭眼睛调还不够，因为目视和感光是有差异的，要进行多次实验找出最佳值；要搞清楚焦点像的直径有多大。一般说来，太阳焦点像的直径，是该望远镜物镜焦距的1／100；露光时间。这要看你的减光措施、天气状况、太阳的地平高度和所用底片而定，要进行实验；拍出的结果要以大黑子的清晰结构和太阳的临边昏暗层次为判据；千万注意机身不要漏光。为此，应在机身前加一块挡光板，遮住太阳的直射光；通过照相机要监视日面的宁静度，以日面边缘最整齐时，定为最佳拍摄时间。在投影屏上拍摄目镜的局部放大像：也就是使太阳光通过物镜和目镜，将太阳像投影在一个屏上，把机身放在屏上，让所要拍摄的黑子投到底片上。请注意以下几点：要在目镜出射光孔上加黄色滤光片；不要加拍摄焦点像时的减光装置；拍照时，仍然要以太阳投影像的边缘宁静度为依据；可能的话，用黑布将目镜到投影屏部分及观测者都一起包起来，减少散射光。投影观测：就是观测投影屏上的太阳像。往往有人以为这种太阳像不如直接目视观测。其实，这是真实的光球像，而且是放大像，光球上面的黑子、光斑和米粒组织均可见到。同时，可以几个人同时看，这是进行普及教育的最好观测手段。它和照相观测相比，也有不少优越之点，比如，投影观测可见到的一些小黑子，照机观测则很难照到。投影观测还需注意以下几点：投影屏处在主镜光轴投影处，并与光轴垂直；太阳投影像的大小要根据望远镜物镜口径、所用目镜焦距和目镜到屏的距离来决定。对一般小型天文望远镜来说，不要选用高倍目镜，太阳投影像直径在10厘米左右为宜。如果太小的话，小黑子不容易见到，甚至偶极黑子被看成单独的黑子。如果投影像过大，日面像迅速减暗，黑子和其他结构反而不清楚了。我国太阳联合观测的投影像直径为17.4厘米；根据太阳投影像的尺寸，做一张“太阳黑子观测”图；将图夹在屏上，使太阳投影像投在图纸的圆内并对整齐；观测前，要把图上的东西线和太阳视运动的方向调一致。调的方法是先选一个小而清楚的黑子，放在东西线上，把镜子固定住，如果该黑子一直在东西线上移动，说明方向一致，如果偏离了，就要调整图的位置。如果没有理想的黑子，用日面边缘与东西线外切法也可以；调好东西线以后，就要寻找黑子，边看边记黑子的群数、个数、形态和位置等；寻找完了，要把投影像和图对齐，开动跟踪装置；描绘黑子时，要用比较硬的铅笔，削的尖一点，先轻轻地勾出本影和半影的轮廓，点出小黑子的形态和位置；描绘时要迅速，手不要压屏，头不要碰目镜；一定要如实记录，绝不能凭空想象随意虚构，不可追求艺术效果；观测开始要记时刻，观测完了再看时刻，取整个观测时段的一半作为观测时刻；正规的太阳观测基本上选择在每天上午8点到9点之间。当然，如果这时天气不好，另找其他时间也可；要根据观测要求做好全面记录。目前，正规的天文观测只重视黑子观测。关于光斑观测，可以在拍摄全日面像时获得，也可以在观测黑子投影图时，同时用红铅笔描出光斑轮廓。关于米粒组织，可以用照相方法观测，但往往不容易拍摄出好的结果。太阳的未来太阳已经50亿岁了。它度过了漫长的前半生，已经进入了中年时期。现在，它容光焕发，华光四射，率领着太阳家族中的一切成员居住在银河系中。据天文学家估计，太阳的寿命是100亿岁。那就是说，太阳还能够活上50亿年。那么，太阳将怎样度过它的后半生呢？ 50亿年以后，它变成了什么呢？太阳的中年时期是一个相对稳定的阶段。太阳内部蕴藏着大量的氢。这些氢是维持太阳生命的“粮食”。太阳内部是一个高温和高压的地方，在那里正在进行着热核反应，四个氢原子核聚变为～个氦原子核。热核反应进行的时候，释放出大量的能量。于是，太阳放出强烈的光和热。由于氢聚变为氦的反应，进行得比较缓慢，因此，太阳的中年时期比较长，占了太阳一生中的绝大部分时间。热核反应产生的巨大能量，使太阳大气处在剧烈的热运动中。太阳大气的热运动，产生了向外的压力，这个压力叫做辐射压，它是一种向外排斥的力。太阳上除了这种斥力以外，还有自身产生的引力。它是一种向内的，跟斥力方向正好相反的力。太阳一生的变化，就是因为这两种力不断变化而造成的。现阶段，太阳上的这两种力势均力敌，处在相持的情况下。因此，太阳既不膨胀，也不收缩，光度变化也不大。虽然太阳表面局部地区在发生各种各样的活动，例如黑子、耀斑、日珥等活动，而且活动的规模和释放出的能量比地球上最猛烈的火山爆发要强几十万倍，抛射出大量的物质，但是这些活动都不足以引起太阳的严重创伤，无损于太阳的光辉。太阳的这种稳定的局面，虽然能维持一个很长的时期，但是最终有一天要被打破的，踏上通向“死亡”的道路。天文学家计算，太阳内部靠近中心的地方，温度最高，压力也最高，氢聚变为氦的热核反应主要在中心进行。因此，越接近太阳的中心，氢越早消耗完毕。这样，在中心部分就形成一个由氦组成的核心，叫做氦核。这个氦核随着热核反应的进行不断增大。这时候，太阳结构开始发生了变化：中央是一个氦核，外面是正在燃烧着的由氢组成的壳层，再外面是还没有燃烧的由氢组成的壳层。那时候，太阳中心的温度只有1500万度，密度只有每立方厘米100克，温度和压力都不够高，不能使氦发生核反应。因此，氦核形成以后，太阳中心部分由一个产生能量的地方变成一个不产生能量的地方。内部没有能量供应，向外的斥力减弱，斥力和引力之间的平衡遭到了破坏，引力逐渐地大于斥力，占了上风。计算表明，当氦核的质量占整个太阳质量的百分之十到百分之十五的时候，太阳内部物质就要进行一番调整，核心部分在引力作用下收缩。氦核收缩的时候，要释放出大量的能量。这些能量，一部分使氦核升温，另一部分就输送到外壳。外面的太阳大气得到从里面送来的热量以后，受热膨胀，表面积迅速增大。这时里面收缩、外面膨胀的过程进行得极快，外部热量的增加赶不上表面积的增长。因此，太阳表面每单位面积所发出的热量反而比以前少。这时候，太阳的表面温度降低，但是因为整个太阳的体积大大增加，所以太阳的光度仍然很大。到这时候，太阳已经变成一颗表面温度比较低、颜色偏红、体积很大、平均密度很孝光度很高的星。由于个儿大，发出的又是红光，所以叫做红巨星。太阳变成红巨星的时候，体积大得可以把水星都吞进去。它的光度将要比现在的太阳大几十倍。我们地球上的气温将升高好几倍。那时候，我们的地球也就变成了一个人类无法居住的地球了。太阳变成红巨星的过程中，随着氦核的收缩，中心温度越来越高，密度越来越大。等到温度升高到一亿度，密度升高到每立方厘米10万克的时候，氦开始发生热核反应，死灰复燃，重新放出大量的热量。太阳经过一次剧烈变动以后再一次稳定起来。太阳在红巨星阶段大约要维持10亿年。氦原子核聚变为碳原子核的热核反应不断进行，中心部分逐渐地变成一个碳核，等到碳核增大到一定大小的时候，又一次发生外面膨胀、里面收缩的过程。太阳再一次剧烈变动。这种核反应在太阳内部一个接一个地进行。当碳核收缩，中心温度升高到六亿度的时候，碳开始热核反应，聚变为氧。碳聚变过程更快，只要一万年就结束。碳聚变反应完了以后，等到中心温度升高到20亿度的时候，氧发生热核反应，聚变为氖。氧的热核反应进行得更快，只要一年时间。这样的反应一直到形成铁才停止。停止的原因是：物质密度太大，气体的性质发生了变化，再收缩的时候，温度不再升高。太阳进入红巨星阶段以后，随着热核反应一个接一个地进行，不断发生变化，时而膨胀，时而收缩，很不稳定。最后，中心温度升高到60亿度，内部会发射出大量的中微子，中微子能把大量的能量带走，剩下的能量在1000秒钟里用完。这时候，太阳遭受了一次巨大的灾难，引力失去了平衡力。在强大的引力作用下，太阳内部迅猛地坍缩。坍缩的时候，会发出强烈的冲击波，冲击波使太阳发生一次爆炸，把外壳猛然地抛向星际空间。在外壳被抛向星际空间的同时，内部物质在巨大的引力下坍缩，变得很密，体积缩得很小，温度升得很高，发出强烈的白光。这时候，太阳已经变成了另一种星体。由于它个子矮小，又发出白光，所以叫做白矮星。白矮量的特点是个儿小，有的只有月亮那么大，可是它的质量却很大，光度校人们发现的第一颗白矮星是天狼星的伴星。这颗白矮星比太阳小得多，直径只有太阳的五十分之一。但是，它的质量却和太阳的质量差不多，密度是每立方厘米175千克。后来人们发现了更多的白矮星，其中有些白矮星的密度高达每立方厘米十几吨。白矮星表面重力很大，一个一百几十斤重的人，在白矮星上会变成几十万吨。太阳变成白矮星以后，内部不再进行热核反应，靠冷却来发光。大约经过十亿年，能量用光，太阳变成一颗不发光，冷冰冰、又矮又小的黑矮星了。黑矮星就是太阳的结局。至于黑矮星将怎样变化下去，天文学家只提出了一些猜测性意见，一种可能是粉身碎骨，成为星际物质，弥漫在星际空间，成为形成下一代恒星的原料；另一种可能是它重新吸积周围的星际物质，重新燃烧起来，死而复生。那么太阳有没有可能变成密度更大的中子星，甚至变成黑洞呢？经过天文学家计算，认为太阳只能变成白矮星，不可能变成中子星和黑洞。原因是质量不够大，以致坍缩的压力不够，物质不可能压得像中子星和黑洞那样密。总之，太阳的后半生将走一条从红巨星经过爆发到白矮星，再到黑矮星的道路。邂逅太阳发射太阳船在太阳系九大行星中，迄今为止，除了冥王星外，其余行星和它们的主要卫星都有许多探测飞船临近进行过考察，研究了它们的运行环境、大气层和电离层特性，星球物质构成以及物理化学组成；拍摄了许多清晰照片，研究了它们的地质结构、表面形状、星球演变、有无生命存在的可能性等，获得了许多信息，揭开了许多奥秘，把人类对行星本身以及太阳系演变的了解，推上了前所未有的高度。那么，是否可以说，我们对太阳系的了解已经差不多了呢？回答是否定的。纵观过去30年来发射的各种宇宙探测飞船，我们会发现，它们无一例外地都在太阳黄道面内运动。黄道面，即地球绕太阳公转的轨道面。其他行星运行的轨道面与地球运行的轨道面相交角度也很小；不仅如此，太阳赤道面也在这平面内。这样，我们也就发现，过去对太阳系的探测都是局限在太阳赤道的附近区域，而对其他区域，特别是对太阳的南、北两极区域还没有了解，这不能不说是一个很大的空白。太阳两极和黄道面之外的区域里，也许有着开启太阳系秘密宝库的钥匙。那里有许多奥秘使科学家们感兴趣。例如，在太阳系范围内，行星际物质的分布不一定是均匀的。60年代发射的先驱者6号至9号4艘探测飞船的观测表明，它很可能是随太阳磁场作螺线形分布。若如此，在黄道面外面，行星际物质又是如何分布的呢？又例如，被称为冕洞的日冕，也即太阳最外层大气又是怎么一回事？为什么其温度和密度比周围地区低得多？冕洞是如何形成的？特别令科学家感兴趣并迷惑不解的是，极区冕洞常年存在，其面积之和是相当稳定的，约为太阳表面总面积的15％左右，当一个极区的冕洞面积扩大时，另一个极区的就相对缩校冕洞是太阳磁场的开放区域，那里的磁力线向太阳以外的空间张开。日冕稳定地向外膨胀，使得质子等热电离气体粒子顺着磁力线持续不断地从日冕向行星际空间流出，成为太阳风。冕洞就是太阳风的风口。行星磁场结构和地磁扰动等物理现象，受太阳风的影响很大，在太阳风的劲“吹”下，地球磁场受到压缩，被限制在一定的空间范围之内，那就是磁层。更进一步全面探测太阳风，对深入了解日地关系是非常重要的。太阳出现大耀斑时，大量高能带电粒子（太阳宇宙线）从冕洞向外涌出，影响地球，等等。所有这些使科学家们感兴趣的问题，迫使科学家要发射能探测太阳南、北两极地区的探测飞船。在这样的客观需求背景下，就产生了所谓的“尤里西斯”计划。耗资7.5亿美元的尤里西斯号太阳探测飞船计划是由美国宇航局和欧洲宇航局联合发起的。西欧宇航局提供探测飞船及其配备的一半仪器；而美国宇航局则提供另一半仪器以及发射手段和地面观测跟踪服务。1990年10月6日，尤里西斯号太阳探测飞船由美国发现号航天飞机在太空成功施放。尤里西斯号探测飞船，重380千克，其中55千克为仪器设备，占飞船重量的15％。它的主要任务有：研究太阳风和太阳磁场的三维结构图像，日冕、耀斑、太阳各种电磁辐射、行星际气体的空间分布、星际空间、宇宙尘、伽马射线爆发源以及引力波等。尤里西斯太阳探测飞船的飞行路线有何特点要使探测飞船离开黄道面，实现起来并不那样容易，它必须具备很高的速度。70年代，引力支援技术得到充分发展之后，把探测飞船送出黄道面才有了可能。同时也决定了它必须在太空沿着弧形线路，先飞向木星并借助木星的强大引力支援再飞向太阳。美国发射的先驱者11号和旅行者1号、曾分别在1979年和1980年，受到土星引力影响而偏了轨道，偏离黄道面分别达到17度和40度，但对于要有效观测太阳南、北两极的尤里西斯探测飞船来说，这种偏转还远远的不够，这里要求作90°的方向改变，才能满足要求。因此，科学家精心设计并安排了尤里西斯独特的飞行路线：1990年10月发现号航天飞机将尤里西斯送入飞向木星的弧形轨道，速度每秒15.4公里，加上地球运行速度，相对太阳来说，其速度是每秒45.2公里，大约飞行16个月，也即在1992年2月抵达木星区域。这时离地球约6.69亿公里，距离木星1060万公里。为了使探测飞船充分利用木星的强大引力作用，获得速度支援并把轨道航向偏转90度，同时避免离木星太近而被它俘获，经过科学家精确计算，尤里西斯于2月8日先飞入距离木星表面37.8万公里的最低轨道，并用17天时间探测木星的磁场以及木星表面的等离子体、无线电波和X射线。此后，尤里西斯号将借助木星强磁场的作用，偏转航线，脱离由太阳系行星绕太阳运转构成的轨道平面，即进入垂直于黄道面的轨道面内飞行，成为经过两极地区飞行的太阳人造行星，这时它相对太阳的速度已达每秒126公里。尤里西斯将在过去任何探测飞船从未到过的这部分太阳系空间里进行探测并邀游两年多时间，于 1994年5月25日到达太阳南纬70度上空，用大约4个月时间飞越太阳南极区域并对该极区进行首次三维立体观测。1995年2月初，尤里西斯由南而北，于离太阳2.2亿公里处跨越太阳赤道，在同年5月26日，飞抵太阳北纬70度地区上空，也用4个月时间对太阳北极及其附近区域进行探测。1995年9月，它从太阳北纬70度地区上空飞离太阳北极区。经过5年的旅行，结束对太阳极区的探测考察任务后，尤里西斯便进入广漠的行星际空间。太阳能的利用对太阳能的利用，中国是世界上最早的国家之一。远在3000多年前的西周时代（公元前11世纪），就已有了“阳燧取火”技术的记载，所谓“阳隧”，就是形似凹面镜的金属圆盘，对着太阳聚光，在聚光点点燃艾绒等易燃物，取得火种。这是一种最古老的太阳能聚光器。1990年第11届亚运会火炬的火种，就是于8月7日下午，在距拉萨市以北100多公里的念青唐古拉峰下，由15岁的藏族少女达娃央宗用木柴从抛物面聚光太阳灶上获得的。原理与古代阳燧差不多，唯聚光所用的材料有较大的差别。阳燧取火技术在世界太阳能利用科学史上占有重要的地位。国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一。约在公元前215～210年间，古罗马帝国的舰队侵占了西西里岛，派了一支舰队攻打希库扎港，著名的学者阿基米德，为了保卫家乡，他让每个士兵用擦亮的铜盾，排列在城堡上，把太阳光聚集反射到入侵的罗马舰船上，结果使舰船起火，敌人仓惶逃跑。可惜无法考证，人们认为是一种传说。然而在1973年，希腊的一位科学家萨克斯博士，雇了50多名水手，各持一块长方形铜镜，聚焦一只木船，结果木船起火。此可证明阿基米德用铜盾烧敌舰是可能的。以上说明太阳能利用技术古已存在。但人类自觉地把太阳能作为一种能源利用，还是起于1615年。法国考克斯是世界上第一个把太阳能转化为机械能的人。从此，太阳能利用进入了一个新的历史时期。目前，人类利用太阳能主要有两种形式：一种是太阳能热利用，即利用太阳辐射能加热集热器，把吸收的热能直接加以利用。如果集热器匹配不同用途也就有不同名称，如太阳能热水器、太阳灶、太阳能干燥器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调等。另一种是将太阳辐射能转化为电能加以利用。这种光电转换是通过半导体物质直接将太阳辐射能转换为电能，通常称这种过程为光生伏打效应，如太阳能电池等。2·我国太阳能资源是丰富的，辐射年总量在3300～8400兆焦／米年。25850兆焦／米·年这条等值线，自大兴安岭西麓向西南，经河套沿青藏高原东缘到云南和西藏交界处、将我国分为两大部分，西北部太阳能丰富，东南部和川贵太阳能较贫乏。目前我国太阳能开发利用最好的大都分布在太阳能丰富的地区。据不完全统计，太阳灶有16万台，太阳能热水器250万平方米，被动太阳房180万平方米，太阳能农作温室34.2万公顷。太阳能热发电，又称“塔式太阳能发电”。美国、日本、欧洲等已建成几座这样的电站。世界上最大的是美国能源部在加利福尼亚州莫哈维沙漠的巴斯托“太阳能1号电站”，功率是10兆瓦，塔高100米，定日镜39.9米2×1818面。后来又在1号电站的附近，开始建2号热电站，也是10兆瓦，在1996年完成，投资4850万美元。日本阳光计划总部建的两座1兆瓦、法国建的2.5兆瓦、意大利建的1兆瓦、西班牙建的1兆瓦等太阳能热电站，都在运行。由于太阳能热电站设备庞大，造价高，短期内尚难进入商业性发展，但它却显示出巨大的潜力。太阳能电站浩瀚的太平洋上曾经有过一个埃卢也拉普小岛，它是马沼尔群岛中的一个岛，1952年10月，美国实施的代号“常青藤行动”——爆炸第一颗氢弹，把这个小岛的户口永远地吊销了。这颗氢弹长约9米，它爆炸时，一个通红 7的火球腾空而起，其威力比投在广岛的原子弹的威力大500多倍，相当于10吨烈性炸药TNT的威力。然而氢弹的这点本事和太阳的威力比起来，简直渺小的微不足道。太阳 23每秒钟发出的能量为3.83×10焦耳，这个能量等于1016吨优质煤完全燃烧后所产生的总能量。按日前的生产能力，全世界每年约开采50亿吨煤，如果50万年前的中国猿人也能如此采煤的话，那么积50万年开采煤的总和，还顶不上太阳烧1／4秒！如若太阳把它的全部能量都集中射向地球，那相当于地面上每平方公里上爆炸180颗比第一枚氢弹威力大10倍的氢弹。万幸的是，地球只得到了太阳能量的22亿分之一，不过这22亿分之一已非同小可，如果在天上建个太阳能发电站把地球所能得到的全部太阳能用来发电，它每年可产生58亿亿度电！20世纪中叶，科学家已在地面上实现了把太阳能转化为电能，那么既然如此，又何必去天上建造太阳能发电站呢？原来在地球上建立大型太阳能一电能转换装置，会出现很多不利因素。因为在地球上的任何一个地方，一般一年中只有1／2左右的时间能获得日照，而且日照程度又随时间和天气而改变，所以不能把它作为基本负载的电厂来使用。同时还因为在地面上有风和重力存在，使建筑超级大型太阳能电池阵或反射镜颇为困难。加之存在大气和地面的各种污染，还需要设计专用自动清洗设备对其进行定期清洗，不然就会影响它的转换效率。然而，在宇宙空间建立太阳能电站，能合理地充分利用空间资源。太阳能电站最好设置在赤道平面内的地球同步轨道上，位于西经123度和东经57度附近，使太阳能电池阵始终对太阳定向，并且发射天线的微波束必须指向地面的接收天线。不过当空间太阳能电站绕地球运动时，总有一部分时间内被地球遮挡住阳光，因此，每年有277天是全日照，仅每年的春分、秋分前后各有45天时间，因地球阴影停止发电，但最长的停电时间也只不过75分钟，而停电时间又是可以正确预测的，照此算来，空间太阳能电站平均每天有99％的时间，可向地上接收设备输电。在外层空间，太阳能的利用绝不会受到天气、尘埃和有害气体的影响，再加上日照时间长，因此空间太阳能电站与同一规模的地面太阳能电站相比，接收的太阳能要高出6～15倍。早在1968年，美国科学家格拉塞博士就提出建造太阳能发电卫星的设想。这位科学家设计的太阳能发电卫星发射到地球同步轨道上，展开后长达12公里，重11万吨，太阳能电池板分布在卫星两侧，可自动跟踪太阳。卫星上有一座可以转动的天线，直径达1公里，永远指向地球。它采用取之不劲用之不竭的太阳能，利用太阳能电池板把太阳的光能转化为电能，然后通过特高频率放大器变为微波能，借助相控阵发射天线把微波能定向发送到地面接收站，最后转化为电能，为地球上的用户提供服务。这种太阳能发电卫星就是一座建在太空的太阳能电站，人们称它为太空电站。由于太空电站的结构尺寸和质量都相当庞大，需要用航天飞机把它的构架和部件运到太空轨道上进行装配。首先是在500公里高的近地轨道上设立空间基地，用来中转物资和人员，然后在36000公里高的同步轨道上完成建造和总装太阳能电站的任务。鉴于采用高度自动化的技术，参加空间建造的人员不宜太多，但也不能过少，据估计，建造一座5000兆瓦的太空电站，需要500多人在太空工作半年，其中135人在近地轨道空间基地工作，400人在同步轨道空间基地服务。美国已将研制这种太空电站提上日程，它的发电能力为5000兆瓦，大致可供纽约州使用，预计到2025年建成100座，届时将供应全美30％的电力。人类不仅在筹备建造太空电站，而且已经用各种办法向太阳“借光”。1993年2月4日，格林威治时间5点多，俄罗斯“进步”号宇宙飞船所携带的一面直径为22米的镀铝箔圆形反射镜像伞一样打开，它把太阳光反射到地球背阳一面的欧洲里昂、日内瓦、伯尔尼、慕尼黑等4公里宽的地区达6分钟之久。这面反射镜用凯夫拉纤维制成，厚度仅5微米，加上反射镜骨架总重40千克，它反射到地面的阳光相当于日光的2～3倍。据科学家测算，如果建一个实用型太空太阳能照明系统，约需要80万美元，但由此节省的电费却高达3500万美元。如果制造多个类似反射镜的照明系统，并采用定点式照射，那么其亮度可达40～50个满月强度，地球上将出现真正的“不夜城”。