我們的太陽：慈愛的長輩，還是殘酷的暴君？

老孫

松鼠名片

孫正凡（@松鼠老孫），天體物理學博士、科學松鼠會創始會員、中國科普作家協會會員、曾任第六版《十萬個為什麼》編輯。對中西方文化比較、科學發展及其對人類文明史的影響，有獨到的見解。已翻譯科普書十餘本，舉辦科學講座近百場。

有句話說，「一個民族需要仰望星空的人」，不過呢，夜晚的溫柔我們對宇宙有一種迷思，讓我們以為宇宙是如此的靜謐安詳。我們之所以有這樣的感覺，是因為我們居住在地球上。我們的地球是太陽系裡的一顆行星，在這顆行星上，我們自由地呼吸，享受著和煦的陽光。這一切都是因為地球特別的環境，以及它與太陽的微妙關係。

地球上的平靜「來之不易」

圖片來源：123RF

太陽是個超級土豪

我們居住在地球大氣層的底部，大氣層就像厚厚的毯子蓋在我們身上，為我們保持了合適的溫度，它還跟地球磁場一起，替我們擋住了來自宇宙的危險。如果沒有大氣層，裸露的地球直接面臨溫度接近絕對零度（零下273攝氏度）的太空，那會是什麼情形，看看月亮就知道了——白天接受太陽照射「發高燒」達到127攝氏度，夜晚降到零下183攝氏度。

處在離太陽1.5億千米的我們，接收到太陽的能量是每平方米1366瓦，這是垂直於陽光方向的數值，也就是進入地球大氣層的能量密度。因此，地球接收到的太陽光總能量是1.740×1017瓦，這個數字是非常恐怖的，為什麼呢？因為目前我們人類每年消耗的總能源大約是年5×1017千焦，也就是只相當於3000秒也就是8.3小時的太陽光能量。人類辛辛苦苦一年乾的力氣活兒，只相當於太陽的一個工作日！更何況，我們接收到的太陽光能量，又僅僅是太陽本身輻射出來總能量的20億分之一！這就相當於太陽往宇宙中撒了兩千萬人民幣，我們地球只接住了其中一分錢！

看到這裡，你可能想到，哇！我們應該更積極地利用太陽能，即使不能畝產萬斤，至少可以緩解世界上的能源危機了。不過天文學家看到這些數據，會想到另外一件事兒，太陽是如何產生如此的巨大能量的？

表現太陽內部結構的藝術剖面圖，摘自《我們的太陽》一書

圖片來源：NASA

從太陽來的諾貝爾獎

太陽的巨大能量從而來，也就是「太陽發光之謎」，曾經令天文學家們苦苦困擾了上百年。一直到1920年代，英國物理學家愛丁頓才提出猜想，應該是太陽內部發生的核聚變反應，提供了源源不斷的能量，1938年貝特（Hans Bethe）完成了關於太陽內部氫聚變成氦的熱核反應過程的計算。這個貢獻解決了恆星能源之謎，從而讓他獲得了1967年的諾貝爾物理學獎。

在核聚變過程中，除了發出光、正電子之外，還會發射出來一種「看不見摸不著的」的粒子，稱為中微子。天文學家約翰?巴考爾（John Bahcall）建立了「標準太陽模型」，他預言每秒鐘就有數以萬億的中微子穿過我們身體，但我們沒有任何感覺，也就是中微子幾乎不會跟我們發生任何作用（要是作用顯著的話，那就變成災難大片《後天》的情景了），但是在隨後美國Homestake金礦和日本神岡地下實驗的測量中卻發現，測量到的太陽中微子流量只是預期中的三分之一。這個問題被稱為「太陽中微子丟失之謎」（solar neutrino problem）。

一直到1998年和2002年，日本超級神岡和加拿大SNO實驗室才觀測到確切證據，證明中微子沒有丟失，中微子其實有三種，它們可以相互轉化。從太陽里出來的時候，只有一種電子中微子，在飛行過程中，它有三分之二轉化成了另外兩種。

這下我們可以放心了，太陽這個巨大的能量之源，還是牢牢地掌控在科學家的方程之中。有意思的是，在2002年，雷?戴維斯與小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）由於發現「太陽中微子丟失」而被授予諾貝爾物理學獎（其實在這時，「丟失之謎」的答案剛剛被找到，正因為「丟失之謎」被解決，人們才注意到這個問題的重要性）。到2015年，解決「丟失之謎」的科學家梶田隆章（小柴昌俊的學生）及SNO實驗室的亞瑟?麥克唐納也拿到了（慢了半拍的）諾貝爾物理學獎。看來諾貝爾獎委員會還真是「不見兔子不撒鷹」啊！

雖然有了「太陽標準模型」，實際上關於太陽還有很多未解之謎，比如太陽黑子周期是怎麼回事兒，日冕溫度為什麼比太陽本體還高，太陽風是怎麼被拋射出來的，太陽磁場究竟是怎麼回事兒，太陽是怎麼形成，又將在何時發生爆炸毀滅太陽系……有許多問題都是諾貝爾獎量級的難題。因此天文學家們正在動用地面、太空望遠鏡各種手段密切關注太陽。

極光之謎

其實從太陽而來的巨大能量早就有了徵兆，只是我們不理解而已。在地球的高緯度地區，夜晚經常可以看見極光（Aurora）。極光異常壯麗，是橫跨天空的巨大綠色、紅色、藍色光帶，還會輕輕飄舞，令人心醉神迷。極光看上去很美好，但它卻是太陽「脾氣暴躁」的證據。

阿拉斯加熊湖上空的北極光

圖片來源：USA Air Force，摘自《我們的太陽》一書

除了發出光和熱，太陽還會發出高能的帶電粒子流，其中主要是電子和質子。太陽風的速度非常大，可以高達160萬千米每小時，有時候狂風速度還會更大。如此狂躁的太陽風會嚴重傷害生命，所以載人航天的防護非常重要，要能夠把這些高能粒子屏蔽在飛船之外，要是出艙活動，宇航員要穿上厚厚的宇航服。

在地面上，幸好地球有一個厚厚的大氣層保護我們，而且它還有一個隱形的幫手：地球磁場。地球磁場的磁力線從南北極出來，在地球周圍形成像多層籠子一樣一個場。來自太陽的帶電粒子被地球磁場俘獲，會在這個磁場中運動，輸送到南北極區域。當這些粒子流在南北極衝進地球大氣層的時候，跟高層大氣原子發生強烈的摩擦，把能量傳輸給大氣原子，會產生某些特定顏色的光。這就類似日光燈或者霓虹燈的發光機制，也就產生了我們看到的美妙的極光。在中國古代傳說里，北方有一種神獸叫做「燭龍」，它的形體巨大，在空中搖擺。民俗學家認為，它可能就是源自古人看到的極光，或者聽說過的北方極光傳說。

地球磁層保護我們免受太陽粒子的危害。不過有些粒子依然能夠從這個保護盾的「間隙」進入大氣層，產生白日極光。來自太陽的大部分粒子在地球背向太陽一側穿透磁層，然後沿著磁力線去往極地區域

圖片來源：T.Abrahamsen/ARS，摘自《我們的太陽》一書

當太陽活躍，太陽風非常強烈的時候，有時候在中低緯度都可以看到極光，還可能會對我們的電氣設備造成傷害，尤其是我們如今為數眾多的衛星等航天器。所以在現代的天氣預報之外，又加了另外一項「太空天氣預報」，提前知道太陽的活動，尤其是那些被拋射出來的大團的高能粒子，進行防護或躲避。

慶幸地生活在地球上

所以我們能夠生存在地球上，是由一連串的巧合條件造成的。我們離太陽的距離不太近，也不太遠，正好適合液態水的存在。像水星離太陽太近，它的大氣層已經被太陽給剝光了，像木星土星，離太陽又太遠，如果地球位於這樣的位置，行星也是冰凍的。如果沒有地球大氣層，我們就會像月亮一樣，白天溫度非常高，夜晚溫度非常低。這種溫度劇烈變化、冰火二重天的世界，是很難適合生命存在的。地球磁場幫我們抵擋了來自太陽的高能粒子，從而免於電離輻射的傷害。

此圖表現了我們所在的太陽系剛誕生時可能的樣子

圖片來源：NASA/FUSE/LynetteCook，摘自《我們的太陽》一書

所以宇宙環境對於生命來說並不友好，地球和太陽的關係微妙而複雜，地球的種種條件，讓它成為難得的承載生命的一艘「宇宙飛船」。在這次飛船上，我們能夠享受來自太陽的能量，卻又不被它傷害。

我們日常所需要利用的也僅僅是太陽光中的可見光部分（還有部分紫外線和紅外線）。而大氣層的防護和我們在宇宙中的位置，又讓我們可以非常安全的觀測太陽，理解太陽。太陽是我們了解宇宙，尤其是了解恆星的非常好的樣本。

萬物生長靠太陽，其實科學的發展也離不開對於太陽的研究。太陽物理學是天文學中的一個重要分支。

挪威太陽物理學家保羅?布雷克這父親也從事太陽研究，實際上他從剛開始學走路的時候，就在挪威的哈勒斯圖亞太陽天文台生活了，長大之後又成為了一位專業的太陽天文學家，成為挪威和歐洲空間局、美國國家航空航天局的太陽研究項目的領軍人物。

他為公眾寫成的《我們的太陽》圖文並茂，淺顯易懂，從古老的極光傳說，到最新的太陽物理之謎，把太陽方方面面的秘密抖了個遍，一定會讓你拿得起，放不下。

如今春分已過，太陽回到了北半球，讓我們在春暖花開的季節，一邊曬著太陽，一邊了解這位年齡已經45億歲，既溫柔又暴躁的太陽老公公吧。

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