时间: 2001年9月13日周四晚7点

地点: 理教121

主讲人:陈嘉胜, 波士顿大学博士, 美国波士顿大学太空物理中心教授、北大校友（78级本科生）.

讲座内容:

人类的生活与太阳息息相关，除了原子能和地热以外，人类利用的所有的能量，都是直接或间接从太阳获得的。但我们对太阳的认识又有多少呢？我们一般都认为太阳是一个非常安静、光亮的火团，没有什么变化。太阳真正的结构是怎么样的呢？

1、太阳的结构。

太阳的内部结构主要有三层（有内至外）：太阳核、辐射层、对流层。太阳核的温度很高、压力很大，会产生核聚变。核聚变主要是由氢聚变成为氦，从而释放出巨大的能量。这些能量到达辐射层后会有一部分被折射回去。能量从太阳核到达对流层需要100万年。对流层的作用在于将磁场、热量等直接对流到太阳表面。太阳的外部结构包括：日珥、日冕、黑子、日冕质量抛射、耀斑、日冕洞。太阳黑子事实上是一种强磁场区，它们的数目会变化，一个太阳黑子可以吞下整个地球。黑子呈现11年的变化周期，黑子数目的多少象征太阳活动的强度。黑子区的温度大约为4000度，黑子区周围其他地区的温度大约为6000度。黑子温度比较低的原因在于：黑子地区的磁场很急，这使从对流层过来的热流放慢了速度，从而使温度下降。太阳耀斑是如何产生的呢？黑子区有很多磁场，当其中的两条磁力线的方向相反时，它们就会“淹没”（即消失掉）。而太阳黑子的磁场区内能产生很大的磁张力。这种张力平时将很多的物质和能量束缚在其中。当“淹没”现象出现，即磁力消失时，这些物质和能量就被突然被释放出来。这在紫外光的观测下就是太阳耀斑，也可以称为太阳龙卷风。太阳耀斑除了能够向外抛射出大量紫外线辐射以外，还能抛射出大量高能带电粒子，相当于1千万个火山口喷出的能量。太阳的高能活动都沿着赤道方向，而在太阳的南北两极则存在这两个黑色的日冕洞。日冕洞和太阳抛射出来的高能物质（即太阳风）之间有什么关系呢？在日冕洞存在的高纬地区，太阳活动密度较低，太阳风活动的速度比较大；而在低纬地区，太阳活动密度较强，则太阳风活动的速度就比较小。

2、地球的“磁层”与辐射带

地球实际上是一块有南北两极的大磁铁。当没有太阳物质抛射过来的时候，在真空当中，地球磁场应该是对称的。但由于太阳风抛射的压力，地球的磁场就会变形，从而形成位于地球高空中的“地球磁层”，它也应被包含在地球的外太空区域中。从太阳来的带电粒子经过磁层力的作用，会被折射回外太空，而不直接射到人类的身体上，从而起到对人类的保护作用。带电粒子在地球的外太空中有三个运动模式，即回旋周期、弹跳周期、飘移周期。地球的赤道附近有一个充满了这种带电粒子的辐射带。这一辐射带被发现于1958年。当时，人类第一次向太空发射卫星，卫星在赤道附近发现大量带电粒子。当时的科学家最初还以为是观测仪器出了问题，最终才确认这是个新的太空现象。这是太空时代的第一个重大发现。但辐射带高能粒子的起源何在呢？这一直是40年来科学界没有解决的问题。

3、太阳活动对人类活动的影响

当前全球各地发射的商业卫星都定点在地球的赤道附近。人们使用的通讯工具、收看的电视节目信号都来自于这些商业卫星。商业卫星的轨道正好处在地球的外辐射带。如果太阳发生变化，就会影响到外辐射带，从而影响到这些商业通讯卫星。全球地位卫星系统（GPS），其轨道也通过辐射带，所以太阳的活动对它们也会有一定影响，造成定位不准确。日冕质量抛射统称太阳风暴，太阳风暴辐射出太阳风。当由北向南的太阳磁场和由南向北的地球磁场发生磁重叠时，就会发生“淹没”的现象，从而产生“地磁暴”。地磁暴也会对地球卫星产生影响。在太空时代之前，人们主要通过对极光的观测了解地磁暴的产生。如果出现地磁暴，地磁暴就会使极光向赤道附近飘移。从太阳来的高能带电粒子对卫星的影响有三种可能性：如果是低能的离子撞击卫星，它们就会聚集在卫星的表面上，产生放电现象，从而对卫星产生一定的破坏影响；如果是高能的带电电子撞击卫星，就会穿过卫星表面保护层，打击卫星内部电路，损坏卫星的内部线路；如果是高能的离子撞击卫星，它们除了能过穿过保护层外，还会在卫星的集成电路上储存能量，从而破坏卫星的逻辑线路。这样一来这个卫星很可能就完全损坏了。

太阳风暴对人类的影响还有：首先，高能离子会威胁到太空人的安全，而太阳风暴放射的紫外线可以穿过在高空飞行的飞机，也有可能进入地球的大气层，使飞机上的乘客和地球上的人类皮肤细胞产成癌变的可能。其次，当电离层产生变化时，会影响我们的无线电通讯。再次，当风暴出现时，在地球表面形成的电离有可能打破地球上的输油管，导致石油泄漏，造成环境污染。此外，它还会破坏地球高纬度地区电厂的变压器，使许多地区瞬间停电。最后，紫外线还会破坏地球的臭氧层。当空调等电器产生的氟氯化合物飘到臭氧层外时，由于太阳变化产生的紫外线可以将化合物中的氯分解出来。氯和臭氧发生化合作用，产生一氧化氯和氧，一氧化氯继续和单氧发生化合作用，再次产生氧和一氧化氯。这一变化的结果就是：氯并没有减少，但臭氧却被破坏了。

4、 国际地日研究计划

人类为了了解自然，订立了一个雄心勃勃的计划。它叫做“国际日地研究计划”。即利用一群卫星监测太阳，发现太阳的变化。其目的有二：在科学上了解太阳的能量、动量、质量怎么进入地球；在运用上通过对太阳的检测，了解太阳的变化如何影响人类日常活动。

因为这个计划造价很大，所以没有任何一个国家可以独立完成，它必须是一个国际合作项目。这一计划包括名为WIND、SOHO、GEOTAIL、INTERBALL、POLAR在内的12枚卫星。

以SOHO卫星为例。通过它可以看到许多用现有的天文望远镜无法看到的太阳变化细节。太阳到地球的距离大约是1亿5千万公里，太阳风的速度是每秒450公里。它从太阳到地球需要2到4天。一旦SOHO卫星测到有太阳风产生，它可以在8分钟内将此信息传回地球，那么人们就可以有2到4天的时间做好准备。WIND卫星将处于地球与太阳的引力零点，它可以测出太阳风的速度、密度、电子、离子数目以及太阳磁场的压力等太阳的参数。POLAR是美国发射的极轨卫星，上面装备有12个用途不同的仪器。其中包括：测太空中的电场、磁场、电子和离子的流量、进行紫外线、X射线照像等。最新一代的科学探测仪不但可以区分出不同的元素，还可以进一步区分出同一元素的同位素。它们的分辨率可以达到0.1个原子质量，这是目前最高的分辨率。

5、 对地球“磁口”的最新发现

地球的外太空存在着一个名为“磁口”（CUPS）的区域。根据国际空间界以往所有的理论模型分析，这是一个不存在任何物质的真空区域。但这是一个错误的理解。美国发射的卫星在经过磁口位置时探测到磁口中有很强的离子、电子变化，并且有很强的噪声存在。通过理论模拟发现，磁口区域也有与辐射带相似的三种运动：回旋周期、弹跳周期、飘移周期。所以磁口可以被认为是类似辐射带的第二个不稳定的辐射带。这是太空界新的发现，引起了为期4年半的争论。直到今年1月，才在整个太空界达成了共识，确认了这一发现的真实性。也就是说，实际上地球整个外太空中绕动变化最激烈的区域不是地球磁层的磁尾区域而是磁口区域。这一发现有可能解决太阳的能量如何进入地球磁层这一问题，从而彻底改变太空研究界对地球磁场动力性的认识。即太阳的能量有可能是通过磁口进入地球的磁层，而不是通过磁尾区域地球的地磁暴或亚暴进入地球磁层。