被太陽風吹拂是怎樣的感覺？ | 星星背後的物理（八）

知識 09-01

撰文 | 張天蓉（美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士）

責編 | 魏朝博

審校 | 張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員）

鄭永春（中國科學院國家天文台副研究員）

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太陽是太陽系唯一的、絕對的主宰，人類生活在地球上，無時無刻不受太陽的影響。也就是說，地球上的所有生命，都得看太陽的臉色行事。因此，了解太陽的脾氣秉性，也是人類賴以生存的前提。

太陽的活動情形與人類在地球上之生存環境息息相關，因此，太陽自然成為人類航天計劃最重要的探索目標。20 世紀 90 年代，以 Ulysses、SOHO等【注1】為代表的一系列太空飛船的任務，還有最近的歐洲空間局與中國科學院合作的「SMILE」計劃【注2】，目標都是直指太陽以及地球附近空間的輻射帶。

俗話說得好：「萬物生長靠太陽」，太陽發光又發熱，供給地球上一切生命所需的熱量和能量。然而，太陽除了向四周輻射光和熱之外，還有一個並不廣為人知的「發威」方式，叫作「太陽風」。

彗尾的方向，透露了太陽的秘密

人類對太陽風的最初認識，開始於對彗星尾巴形狀和方向的觀察，雖然古人當時並不知道「太陽風」的存在，只是根據觀測資料，將彗尾的方向與太陽所在的位置聯繫起來。《晉書·天文志》中指出：「彗體無光，傅日而為光，故夕見則東指，晨見則西指。在日南北，皆隨日光而指。」。

?圖1：彗星

古代的觀測手段有限，用肉眼就能看到的大彗星畢竟是少數，並且，彗星周期很長，從幾十年到百萬年都有。比如說，人類了解最多的哈雷彗星，屬於「短周期彗星」，周期也有76年。因此，古人們將這些多年難得來訪一次的「稀客」看作是不祥之兆，稱為掃帚星。實際上，現代天文觀測資料告訴我們，太陽系中彗星的數目可以說是多到「不計其數」，到2016年8月為止，有記載的彗星便已經有3940個【注3】。

美麗的彗星總是拖著長長的尾巴，彗星的直徑僅幾十公里，但彗尾卻長達幾千公里。一般而言，彗尾不止一條，比如圖1b所示的2006年發現的麥克諾特彗星，多條彗尾如孔雀開屏一樣呈扇形張開在天空中，異常地壯觀和美麗。擁有兩條彗尾的彗星十分普遍，其基本成因也有科學的解釋：一條叫塵埃尾，另一條叫作離子尾，見圖1的示意圖a（金黃色的是塵埃尾，藍色的是離子尾）。塵埃尾是由跟隨彗核一同運動的塵埃物質（氣體、沙粒、小石塊）反射太陽光而形成的，因此，它通常呈現黃色或者紅色，塵埃尾的方向除了與太陽位置有關以外，還與彗星自身的運動速度和方向有關，也正是因為彗核的軌道運動對周圍塵埃物質的「拖曳」作用，塵埃尾有時看起來是彎曲的弧形。

離子尾的形成與「太陽風」有關，永遠都指向背向太陽的方向。乍一聽有點不可思議，地球上會颳風，是因為地球上有大氣，太陽怎麼也會「颳風」呢？難道太陽上也有「大氣」？確實如此，只不過與地球大氣的成分不一樣而已，太陽風來自於太陽大氣的最外層，即日冕，其主要成分是等離子體。所以，太陽刮出來的是「等離子風」。

太陽風中包含著大量的帶電粒子，到達彗星附近時與彗核周圍的磁場相互作用而發光。因此，離子尾跟隨的是太陽風的等離子體，而不是彗星軌道的路徑，所以總是指向背對太陽的方向。並且，太陽風的速度非常快，遠遠大於彗星的運動速度，因此離子尾看起來不像塵埃尾那樣呈現出彎曲美妙的弧形，卻總是筆直地硬邦邦地向外延伸出去。離子氣體中含有光譜為藍色的CO+離子，因而使得大多數離子尾呈藍色。

起初，科學家們用來自太陽輻射的「光壓說」來解釋彗星的離子尾，但計算表明光輻射產生不了這麼大的壓力。1958年，尤金·派克（Eugene N. Parker，1927年6月10日－）認為日冕外層的太陽大氣會逃逸到空間中去，因此預言應該有一股強勁的等離子體風從太陽不間斷地吹出來，充斥了行星間的空間。但當時的大多數科學家反對派克的太陽風假說，他的觀點遭到嘲笑，論文被拒稿。直到1960年代人造衛星上天后，強有力的觀測事實才證實了太陽風的存在。

太陽風，原來是帶電的離子風

太陽的輻射能來源於核心的核聚變，核心溫度高達15000000K，然後到太陽表面處，溫度下降到5800K左右。太陽表面的上方，便是大概可分為3層的太陽大氣：緊靠著太陽表面的薄薄的光球層（厚度500公里左右）、然後是厚度1500公里左右的色球層、最外層的日冕可以延伸到幾個太陽直徑甚至更遠。但日冕區的亮度卻僅為光球層的百萬分之一，只有在日全食的時候才便於觀測。

按照常理來分析，似乎距離太陽核心越遠的大氣分層，溫度應該越低，但事實卻不是如此。從5800K度的光球層開始，色球層的溫度起初略有下降，但後來急劇升高到27000K度左右，到了日冕區域，溫度甚至達到了幾百萬攝氏度的高溫，見圖2a。

比較地球的大氣而言，太陽大氣的物質密度要稀薄得多，最密的光球層，密度也大約只有地球（海平面）大氣密度的0.1%，色球和日冕的密度就更為稀疏了。我們在地球上看到的太陽，是一團閃亮的金黃色火球，那基本上是來自於光球層的可見光輻射。產生於高溫日冕層的太陽風主要輻射的是帶電粒子流。

?圖2：太陽大氣

日冕的高溫是如何形成的？這仍然是困惑物理學家的一個未解之謎。但溫度極高的事實卻是被光譜分析以及各種間接觀測手段所證實了的。太陽的主要成分是氫和氦，在幾百萬攝氏度的高溫下，氫原子和氦原子中的電子都紛紛從原子核的束縛中「解放」出來，成為自由電子，與帶正電的離子混合在一起作高速運動，這種混合物被稱之為「等離子體」。等離子體是物質的第4態，因為它不同於原來意義上的物質三態：固體、液體、氣體。圖2b顯示了各種等離子體得以存在的密度及溫度範圍。

等離子體的形態類似氣體，但是由離子及電子組成的，它們廣泛存在於宇宙中，是宇宙中丰度最高的物質形態。其實，在我們的日常生活中也經常見到它們，比如說火焰、霓虹燈、氫彈等。當今世界各國企圖攻克的受控熱核聚變反應，其研究對象便是等離子體。

日冕跟火焰的密度相近，但是溫度卻要高出3-4個數量級。所以，太陽就像是一團懸浮在宇宙中的熊熊燃燒的超大火焰。地面上的空氣流動能形成風，在日冕的高溫等離子體中，不停地有某些擺脫太陽引力的高速粒子向外流出，形成「太陽風」。

地球磁場，隨「風」起舞

比較太陽的光輻射而言，太陽風的能量是很小的，大約只有光輻射能量的十億分之一。然而，太陽大火吹出來的「等離子風」對地球的作用卻非同小可。

等離子體是由質子、α粒子、少數重離子和電子流組成，太陽風將這些帶電粒子以300至800公里/秒的速度「刮」到地球，這些粒子的速度大大超過空氣中聲速，它們和地球的磁場的作用使得地球的大尺度磁場隨風而舞。

?圖3：太陽風和地球

幸好有了地球的磁場，幫人類抵擋住了太陽風的襲擊，否則地球人就慘了。在圖3a中，從左上方日冕處刮向地球的太陽風，改變了地球磁場的形狀，看起來似乎是將地球附近的磁力線「刮」向了後方，而新形成的地球外圍磁層就像一把遮陽大傘，頂住了太陽風，為地球撐起了一把保護傘。雖然不可見的太陽的等離子體和地球的磁場在地球上方無聲地激烈戰鬥著，但這把地磁大傘構成了一片安全的空腔，保護著地面上包括人類在內的生命體不受高速帶電粒子的危害，也保護著空間基礎設施，如衛星等能正常工作。

光球層的光輻射只需要8分鐘就能抵達地球，太陽風中的帶電粒子卻需要40小時左右的飛行。這些粒子到達地球後，被磁場「大傘」阻擋在外，只好繞道而行。然而，「風」有風的特性，有時輕柔飄渺，有時風雲突變。太陽風也是如此，太陽磁場的活動性大約以11年的周期變化，此外還有突發事件，比如說當太陽突然劇烈活動時，太陽風也就來得迅速，大傘百密一疏防不勝防，總會有漏洞，免不了闖進一些「不法分子」，這些隨風飄來的高能離子，沿著地球附近的磁力線侵入地球極區，與極區上空的大氣層作用放電，產生壯觀絢麗的極光，見圖3b。

圖3b可見，極光五彩繽紛，呈現各種顏色，那是因為帶電粒子進入不同層次的大氣層時，碰到不同的原子（主要是氧和氮），放電顏色取決於在什麼高度碰到了哪種原子。變化的太陽風，碰到了變化的地球風，兩風相鬥，互相作用，使得產生的極光「隨風舞動」，美麗玄妙，變幻無窮。

北極光和南極光固然使人類著迷，吸引人們不遠萬里到極地觀賞這一大奇觀。但是，在這個太陽的非常時期，科學家、工程師、還有某些行業的特別技術人員們，往往正在為太陽風帶給地球的一些其它影響而忙碌：也許是某種局部的破壞性災難；也許是使得氣溫增高氣候反常；也許是衛星失去控制；也許是使電力網癱瘓、互聯網失效、通信中斷，甚至於還可能對人體引起一些說不清的效應，諸如身體疾病增多、心理情緒波動等等。

科學家們也藉此難得的機會研究太陽和太陽風。實際上，無論正常期還是非常期，科學家們一直不停止地研究太陽風。特別是進入航天時代以來，美國宇航局及其它國家發射了多個監測太陽的航天器：如1980年的太陽峰年衛星、1990年的「尤利西斯」、1995年的軌道太陽望遠鏡、2006年的日地關係天文台等等。

1989年3月13日2:44，魁北克水力發電廠的控制系統突然崩潰【注4】，來路不明的異常高壓導致電力網短路，致使大面積電網癱瘓長達9小時；同時，自由歐洲電台的信號受到干擾。冷戰時期的西方政府分外敏感，一開始有人擔心這可能是來自前蘇聯的第一波核武器攻擊,但之後立刻發現一些相關現象：繞極軌道的衛星失去控制；氣象衛星的通信中斷；日本也發生衛星失控現象，更重要的是，幾乎同時，在極區產生了強烈的極光，連遠在美國南方的德州都能看見。證據表明，這些異常現象是來自於大約3天前太陽發生的一次「磁暴」，太陽風把這次「爆炸」的效應傳遞到了地球上。

之後還有多次觀察到的「磁暴」引發的地球災難：

1989年8月，另一個磁暴影響到多倫多股票市場的微晶元，導致交易失敗；1991年4月29日，強磁暴破壞美國緬因州一核電站； 1994年1月20-21日，磁暴使加拿大兩個通訊衛星發生故障；1998年5月19日，美國和德國都有通訊衛星發生故障……

太陽系，何處是邊疆？

2012年8月25日，美國地球物理聯盟宣布「旅行者」1號探測器正式離開太陽系的「邊界」，進入星際空間。但是，太陽系的邊界在哪兒？這個問題不是那麼容易回答的。首先要看你如何定義這個「邊界」。如果用一個恆星的「勢力範圍」來界定它的疆界的話，也至少有三種明顯的方式：1. 從它的引力所及的範圍；2. 光輻射所及的範圍；3. 本篇文章所介紹的太陽風所及的範圍。

輻射作用和引力作用都遵從平方反比率按距離的增長而下降，可以連續變化直到無窮，並沒有一個清楚的邊界。陽光照亮的範圍顯然不宜用來定義「邊界」，因為太陽的亮度不會在某處嘎然而止。太陽能不能被看見，這個定義包含了太多主觀的因素，或者說取決於測量技術的發展。至於引力範圍，也是個相當模糊的界限。有人認為太陽引力的邊界就是太陽引力不再佔主導地位的時候，也許可以把太陽系邊界定義到繞日旋轉的最遠的天體？但是，考察一下行星及彗星的發現歷史，就覺得這不是一個合適的方法。

過去曾經認為冥王星是太陽系中最遠的行星，但後來陸續地發現了許多矮行星及其它小天體，這挑戰了冥王星的行星地位，使它於2006年被剝奪了行星地位。此外，還有難以計數的彗星，實際上，天文學家認為，在冥王星之外遠離太陽的邊沿區域，有可能存在一個長周期彗星的巨大「倉庫」：叫作奧爾特雲，這片模糊的未知地帶可能延伸到距太陽約2光年之遙。

因此，天體物理學家最後將太陽風的大概範圍定義為太陽系的「邊界」。

與太陽風相類似，宇宙中的其它恆星也都會吹出自己的「等離子風」。這些看不見的磁性「星風」，在宇宙空間中互相糾纏抗衡，其道理和圖3a所示的地球磁場抵抗太陽風的情形也差不多，不過太陽距離別的恆星比較遠，它的太陽風變形少，看起來就像是在宇宙空間中吹出了一個「大泡泡」，見圖4a。別的恆星風的作用，在圖中籠統用星際介質形成的「宇宙風」來代表，宇宙風的方向，與太陽運動的方向相反。

?圖4：太陽系的邊界

太陽風不能繼續推動星際介質的地方被稱之為日球層頂（heliopause），這是太陽風和「星際宇宙風」之間抗衡而產生的「駐點」，通常可以認為是太陽系的邊界。雖然日球層頂也無精確固定的數值，但比較起用輻射亮度或者引力來界定的邊界，還是明確和清楚多了。

對旅行者1號而言，當它接近和通過太陽駐點時，可以通過探測到如下三種情況來判斷到達了太陽系邊界：太陽風風力急跌，宇宙射線水平飆升，周圍磁場大小和方向的改變。

太陽和太陽風對人類如此重要，天體物理學家們當然要利用先進的現代航天技術，來對太陽活動得到更多的數據，從而驗證他們的理論，減少太陽風的危害。下一篇中，我們將介紹一項重要的太陽探測任務：「尤利西斯」。

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注釋：

【注1】尤利西斯號探測器（Ulysses）是美國宇航局（NASA）與歐洲航天局（ESA）聯合研製的一顆太陽極區和恆星際環境探測器，以希臘神話中智勇雙全的奧德塞的拉丁文名字命名，目的是研究日球的性質，加深對太陽風、太陽極區以及行星際磁場等方面的了解；SOHO，英文全稱是Solar and HeliosphericObservatory，中文全稱太陽和日球層探測器，是歐洲航天局及美國太空總署共同研製的無人太空船，於1995年發射升空。

【注2】「太陽風—磁層相互作用全景成像衛星計劃」（Solar wind MagnetosphereIonosphere Link Explorer， SMILE），由中科院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室等單位和英國倫敦大學學院等國家和單位共同提出，是中歐雙方的小型空間科學國際合作項目。

【注3】http://www.minorplanetcenter.net/

【注4】維基百科（第22太陽周期）：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AC%AC22%E5%A4%AA%E9%99%BD%E9%80%B1%E6%9C%9F