撰文 | 張?zhí)烊兀绹轮荽髮W(xué)奧斯汀分校理論物理博士）
責(zé)編 | 魏朝博
審校 | 張雙南（中國科學(xué)院高能物理研究所研究員）
鄭永春（中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副研究員）
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太陽是太陽系唯一的、絕對(duì)的主宰，人類生活在地球上，無時(shí)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(dòng)情形與人類在地球上之生存環(huán)境息息相關(guān)，因此，太陽自然成為人類航天計(jì)劃最重要的探索目標(biāo)。20 世紀(jì) 90 年代，以 Ulysses、SOHO等【注1】為代表的一系列太空飛船的任務(wù)，還有最近的歐洲空間局與中國科學(xué)院合作的“SMILE”計(jì)劃【注2】，目標(biāo)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(fā)光又發(fā)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(gè)并不廣為人知的“發(fā)威”方式，叫作“太陽風(fēng)”。
人類對(duì)太陽風(fēng)的最初認(rèn)識(shí)，開始于對(duì)彗星尾巴形狀和方向的觀察，雖然古人當(dāng)時(shí)并不知道“太陽風(fēng)”的存在，只是根據(jù)觀測(cè)資料，將彗尾的方向與太陽所在的位置聯(lián)系起來?！稌x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?！?。
古代的觀測(cè)手段有限，用肉眼就能看到的大彗星畢竟是少數(shù)，并且，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，屬于“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(shí)際上，現(xiàn)代天文觀測(cè)資料告訴我們，太陽系中彗星的數(shù)目可以說是多到“不計(jì)其數(shù)”，到2016年8月為止，有記載的彗星便已經(jīng)有3940個(gè)【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(dá)幾千公里。一般而言，彗尾不止一條，比如圖1b所示的2006年發(fā)現(xiàn)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(xué)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(lán)色的是離子尾）。塵埃尾是由跟隨彗核一同運(yùn)動(dòng)的塵埃物質(zhì)（氣體、沙粒、小石塊）反射太陽光而形成的，因此，它通常呈現(xiàn)黃色或者紅色，塵埃尾的方向除了與太陽位置有關(guān)以外，還與彗星自身的運(yùn)動(dòng)速度和方向有關(guān)，也正是因?yàn)殄绾说能壍肋\(yùn)動(dòng)對(duì)周圍塵埃物質(zhì)的“拖曳”作用，塵埃尾有時(shí)看起來是彎曲的弧形。
離子尾的形成與“太陽風(fēng)”有關(guān)，永遠(yuǎn)都指向背向太陽的方向。乍一聽有點(diǎn)不可思議，地球上會(huì)刮風(fēng)，是因?yàn)榈厍蛏嫌写髿?，太陽怎么也?huì)“刮風(fēng)”呢？難道太陽上也有“大氣”？確實(shí)如此，只不過與地球大氣的成分不一樣而已，太陽風(fēng)來自于太陽大氣的最外層，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(fēng)”。
太陽風(fēng)中包含著大量的帶電粒子，到達(dá)彗星附近時(shí)與彗核周圍的磁場(chǎng)相互作用而發(fā)光。因此，離子尾跟隨的是太陽風(fēng)的等離子體，而不是彗星軌道的路徑，所以總是指向背對(duì)太陽的方向。并且，太陽風(fēng)的速度非?？欤h(yuǎn)遠(yuǎn)大于彗星的運(yùn)動(dòng)速度，因此離子尾看起來不像塵埃尾那樣呈現(xiàn)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(lán)色的CO+離子，因而使得大多數(shù)離子尾呈藍(lán)色。
起初，科學(xué)家們用來自太陽輻射的“光壓說”來解釋彗星的離子尾，但計(jì)算表明光輻射產(chǎn)生不了這么大的壓力。1958年，尤金·派克（Eugene N. Parker，1927年6月10日－）認(rèn)為日冕外層的太陽大氣會(huì)逃逸到空間中去，因此預(yù)言應(yīng)該有一股強(qiáng)勁的等離子體風(fēng)從太陽不間斷地吹出來，充斥了行星間的空間。但當(dāng)時(shí)的大多數(shù)科學(xué)家反對(duì)派克的太陽風(fēng)假說，他的觀點(diǎn)遭到嘲笑，論文被拒稿。直到1960年代人造衛(wèi)星上天后，強(qiáng)有力的觀測(cè)事實(shí)才證實(shí)了太陽風(fēng)的存在。
太陽的輻射能來源于核心的核聚變，核心溫度高達(dá)15000000K，然后到太陽表面處，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?qū)?span>（厚度500公里左右）、然后是厚度1500公里左右的色球?qū)?、最外層的日冕可以延伸到幾個(gè)太陽直徑甚至更遠(yuǎn)。但日冕區(qū)的亮度卻僅為光球?qū)拥陌偃f分之一，只有在日全食的時(shí)候才便于觀測(cè)。
按照常理來分析，似乎距離太陽核心越遠(yuǎn)的大氣分層，溫度應(yīng)該越低，但事實(shí)卻不是如此。從5800K度的光球?qū)娱_始，色球?qū)拥臏囟绕鸪趼杂邢陆?，但后來急劇升高?7000K度左右，到了日冕區(qū)域，溫度甚至達(dá)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(zhì)密度要稀薄得多，最密的光球?qū)?，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?cè)诘厍蛏峡吹降奶?，是一團(tuán)閃亮的金黃色火球，那基本上是來自于光球?qū)拥目梢姽廨椛?。產(chǎn)生于高溫日冕層的太陽風(fēng)主要輻射的是帶電粒子流。
日冕的高溫是如何形成的？這仍然是困惑物理學(xué)家的一個(gè)未解之謎。但溫度極高的事實(shí)卻是被光譜分析以及各種間接觀測(cè)手段所證實(shí)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(yùn)動(dòng)，這種混合物被稱之為“等離子體”。等離子體是物質(zhì)的第4態(tài)，因?yàn)樗煌谠瓉硪饬x上的物質(zhì)三態(tài)：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范圍。
等離子體的形態(tài)類似氣體，但是由離子及電子組成的，它們廣泛存在于宇宙中，是宇宙中豐度最高的物質(zhì)形態(tài)。其實(shí)，在我們的日常生活中也經(jīng)常見到它們，比如說火焰、霓虹燈、氫彈等。當(dāng)今世界各國企圖攻克的受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)，其研究對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。所以，太陽就像是一團(tuán)懸浮在宇宙中的熊熊燃燒的超大火焰。地面上的空氣流動(dòng)能形成風(fēng)，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(fēng)”。
比較太陽的光輻射而言，太陽風(fēng)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(fēng)”對(duì)地球的作用卻非同小可。
等離子體是由質(zhì)子、α粒子、少數(shù)重離子和電子流組成，太陽風(fēng)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(chǎng)的作用使得地球的大尺度磁場(chǎng)隨風(fēng)而舞。
幸好有了地球的磁場(chǎng)，幫人類抵擋住了太陽風(fēng)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(fēng)，改變了地球磁場(chǎng)的形狀，看起來似乎是將地球附近的磁力線“刮”向了后方，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(fēng)，為地球撐起了一把保護(hù)傘。雖然不可見的太陽的等離子體和地球的磁場(chǎng)在地球上方無聲地激烈戰(zhàn)斗著，但這把地磁大傘構(gòu)成了一片安全的空腔，保護(hù)著地面上包括人類在內(nèi)的生命體不受高速帶電粒子的危害，也保護(hù)著空間基礎(chǔ)設(shè)施，如衛(wèi)星等能正常工作。
光球?qū)拥墓廨椛渲恍枰?分鐘就能抵達(dá)地球，太陽風(fēng)中的帶電粒子卻需要40小時(shí)左右的飛行。這些粒子到達(dá)地球后，被磁場(chǎng)“大傘”阻擋在外，只好繞道而行。然而，“風(fēng)”有風(fēng)的特性，有時(shí)輕柔飄渺，有時(shí)風(fēng)云突變。太陽風(fēng)也是如此，太陽磁場(chǎng)的活動(dòng)性大約以11年的周期變化，此外還有突發(fā)事件，比如說當(dāng)太陽突然劇烈活動(dòng)時(shí)，太陽風(fēng)也就來得迅速，大傘百密一疏防不勝防，總會(huì)有漏洞，免不了闖進(jìn)一些“不法分子”，這些隨風(fēng)飄來的高能離子，沿著地球附近的磁力線侵入地球極區(qū)，與極區(qū)上空的大氣層作用放電，產(chǎn)生壯觀絢麗的極光，見圖3b。
圖3b可見，極光五彩繽紛，呈現(xiàn)各種顏色，那是因?yàn)閹щ娏Ｗ舆M(jìn)入不同層次的大氣層時(shí)，碰到不同的原子（主要是氧和氮），放電顏色取決于在什么高度碰到了哪種原子。變化的太陽風(fēng)，碰到了變化的地球風(fēng)，兩風(fēng)相斗，互相作用，使得產(chǎn)生的極光“隨風(fēng)舞動(dòng)”，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(yuǎn)萬里到極地觀賞這一大奇觀。但是，在這個(gè)太陽的非常時(shí)期，科學(xué)家、工程師、還有某些行業(yè)的特別技術(shù)人員們，往往正在為太陽風(fēng)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(zāi)難；也許是使得氣溫增高氣候反常；也許是衛(wèi)星失去控制；也許是使電力網(wǎng)癱瘓、互聯(lián)網(wǎng)失效、通信中斷，甚至于還可能對(duì)人體引起一些說不清的效應(yīng)，諸如身體疾病增多、心理情緒波動(dòng)等等。
科學(xué)家們也借此難得的機(jī)會(huì)研究太陽和太陽風(fēng)。實(shí)際上，無論正常期還是非常期，科學(xué)家們一直不停止地研究太陽風(fēng)。特別是進(jìn)入航天時(shí)代以來，美國宇航局及其它國家發(fā)射了多個(gè)監(jiān)測(cè)太陽的航天器：如1980年的太陽峰年衛(wèi)星、1990年的“尤利西斯”、1995年的軌道太陽望遠(yuǎn)鏡、2006年的日地關(guān)系天文臺(tái)等等。
1989年3月13日2:44，魁北克水力發(fā)電廠的控制系統(tǒng)突然崩潰【注4】，來路不明的異常高壓導(dǎo)致電力網(wǎng)短路，致使大面積電網(wǎng)癱瘓長達(dá)9小時(shí)；同時(shí)，自由歐洲電臺(tái)的信號(hào)受到干擾。冷戰(zhàn)時(shí)期的西方政府分外敏感，一開始有人擔(dān)心這可能是來自前蘇聯(lián)的第一波核武器攻擊,但之后立刻發(fā)現(xiàn)一些相關(guān)現(xiàn)象：繞極軌道的衛(wèi)星失去控制；氣象衛(wèi)星的通信中斷；日本也發(fā)生衛(wèi)星失控現(xiàn)象，更重要的是，幾乎同時(shí)，在極區(qū)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的極光，連遠(yuǎn)在美國南方的德州都能看見。證據(jù)表明，這些異?，F(xiàn)象是來自于大約3天前太陽發(fā)生的一次“磁暴”，太陽風(fēng)把這次“爆炸”的效應(yīng)傳遞到了地球上。
之后還有多次觀察到的“磁暴”引發(fā)的地球?yàn)?zāi)難：
1989年8月，另一個(gè)磁暴影響到多倫多股票市場(chǎng)的微芯片，導(dǎo)致交易失??；1991年4月29日，強(qiáng)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(gè)通訊衛(wèi)星發(fā)生故障；1998年5月19日，美國和德國都有通訊衛(wèi)星發(fā)生故障……
2012年8月25日，美國地球物理聯(lián)盟宣布“旅行者”1號(hào)探測(cè)器正式離開太陽系的“邊界”，進(jìn)入星際空間。但是，太陽系的邊界在哪兒？這個(gè)問題不是那么容易回答的。首先要看你如何定義這個(gè)“邊界”。如果用一個(gè)恒星的“勢(shì)力范圍”來界定它的疆界的話，也至少有三種明顯的方式：1. 從它的引力所及的范圍；2. 光輻射所及的范圍；3. 本篇文章所介紹的太陽風(fēng)所及的范圍。
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(xù)變化直到無窮，并沒有一個(gè)清楚的邊界。陽光照亮的范圍顯然不宜用來定義“邊界”，因?yàn)樘柕牧炼炔粫?huì)在某處嘎然而止。太陽能不能被看見，這個(gè)定義包含了太多主觀的因素，或者說取決于測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。至于引力范圍，也是個(gè)相當(dāng)模糊的界限。有人認(rèn)為太陽引力的邊界就是太陽引力不再占主導(dǎo)地位的時(shí)候，也許可以把太陽系邊界定義到繞日旋轉(zhuǎn)的最遠(yuǎn)的天體？但是，考察一下行星及彗星的發(fā)現(xiàn)歷史，就覺得這不是一個(gè)合適的方法。
過去曾經(jīng)認(rèn)為冥王星是太陽系中最遠(yuǎn)的行星，但后來陸續(xù)地發(fā)現(xiàn)了許多矮行星及其它小天體，這挑戰(zhàn)了冥王星的行星地位，使它于2006年被剝奪了行星地位。此外，還有難以計(jì)數(shù)的彗星，實(shí)際上，天文學(xué)家認(rèn)為，在冥王星之外遠(yuǎn)離太陽的邊沿區(qū)域，有可能存在一個(gè)長周期彗星的巨大“倉庫”：叫作奧爾特云，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(xué)家最后將太陽風(fēng)的大概范圍定義為太陽系的“邊界”。
與太陽風(fēng)相類似，宇宙中的其它恒星也都會(huì)吹出自己的“等離子風(fēng)”。這些看不見的磁性“星風(fēng)”，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(chǎng)抵抗太陽風(fēng)的情形也差不多，不過太陽距離別的恒星比較遠(yuǎn)，它的太陽風(fēng)變形少，看起來就像是在宇宙空間中吹出了一個(gè)“大泡泡”，見圖4a。別的恒星風(fēng)的作用，在圖中籠統(tǒng)用星際介質(zhì)形成的“宇宙風(fēng)”來代表，宇宙風(fēng)的方向，與太陽運(yùn)動(dòng)的方向相反。
太陽風(fēng)不能繼續(xù)推動(dòng)星際介質(zhì)的地方被稱之為日球?qū)禹?span>（heliopause），這是太陽風(fēng)和“星際宇宙風(fēng)”之間抗衡而產(chǎn)生的“駐點(diǎn)”，通常可以認(rèn)為是太陽系的邊界。雖然日球?qū)禹斠矡o精確固定的數(shù)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(duì)旅行者1號(hào)而言，當(dāng)它接近和通過太陽駐點(diǎn)時(shí)，可以通過探測(cè)到如下三種情況來判斷到達(dá)了太陽系邊界：太陽風(fēng)風(fēng)力急跌，宇宙射線水平飆升，周圍磁場(chǎng)大小和方向的改變。
太陽和太陽風(fēng)對(duì)人類如此重要，天體物理學(xué)家們當(dāng)然要利用先進(jìn)的現(xiàn)代航天技術(shù)，來對(duì)太陽活動(dòng)得到更多的數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證他們的理論，減少太陽風(fēng)的危害。下一篇中，我們將介紹一項(xiàng)重要的太陽探測(cè)任務(wù)：“尤利西斯”。
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注釋：
【注1】尤利西斯號(hào)探測(cè)器（Ulysses）是美國宇航局（NASA）與歐洲航天局（ESA）聯(lián)合研制的一顆太陽極區(qū)和恒星際環(huán)境探測(cè)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(zhì)，加深對(duì)太陽風(fēng)、太陽極區(qū)以及行星際磁場(chǎng)等方面的了解；SOHO，英文全稱是Solar and HeliosphericObservatory，中文全稱太陽和日球?qū)犹綔y(cè)器，是歐洲航天局及美國太空總署共同研制的無人太空船，于1995年發(fā)射升空。
【注2】“太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計(jì)劃”（Solar wind MagnetosphereIonosphere Link Explorer， SMILE），由中科院國家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位和英國倫敦大學(xué)學(xué)院等國家和單位共同提出，是中歐雙方的小型空間科學(xué)國際合作項(xiàng)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
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