回眸太陽，地球是否要流浪？

　　來源：中國科學院國家空間科學中心

　　隨著電影《流浪地球》的熱映，人類對於地球未來的命運更加關注，人類在太陽系這個家園，到底還能呆多久呢？地球是否真的要去流浪呢？這些，都得依賴於銀河系的核心——太陽，今天就讓我們來回眸這個熟悉而又神秘的星球。

　　一、寧靜的太陽不寧靜

　　我們肉眼看到的太陽寧靜而美麗，其實，太陽本質上是個熾熱的氣體球。構成這個氣體球的化學成分以氫和氦為主，分別占太陽總質量的71％和27％，其它為各種重元素。

　　太陽半徑約70萬公里，是地球半徑的109倍，太陽的體積為130萬個地球的體積。有人比喻，如果把直徑25米的北京天文館大圓頂比作太陽，那麼地球只相當於一個足球的大小。可見，相對地球來說，太陽絕對是一個龐然大物。

圖1 太陽與地球大小的對比

　　如此之大的太陽在地球上看來卻不過圓盤大小，原因是太陽距離我們「太遠」了。太陽距離地球大約1億5千萬公里。這樣長的距離，人們在日常生活中是難以想像的。如果以速度3600公里/小時的高速飛機從地球晝夜不停地飛到太陽大約就需要4.75年，即使以速度為11.2公里/秒的火箭從地球到太陽大約也要154天。不過，太陽光卻只需大約8分鐘就能走完。

　　自太陽誕生到目前的50億年間，一直不停地向外發射著光和熱。這源源不斷的能量來源於太陽內部中心區的核聚變反應。太陽內部中心的溫度高達1500萬攝氏度左右，其壓力大約是250億倍個地球大氣壓。在這樣高的溫度和壓力下，太陽內部發生著劇烈的由4個氫原子核（H）聚變為1個氦原子核（He）的核聚變反應。這個過程大約有千分之七的物質轉換成能量。雖然只有千分之七，但核反應釋放的能量極大。用愛因斯坦著名的質能轉換公式（E=mc2）計算出，1千克氫原子中千分之七的物質轉換成能量就相當於燃燒4千噸石油或6千噸煤獲取的能量。而太陽中心區每秒都有數百萬噸質量轉換為能量，這超過地球有史以來消耗的能量總量。

圖2 太陽核心區的核聚變反應

　　二、太陽由內到外層層環繞

　　就像地球內部有分層結構、外部有大氣層一樣，根據物理性質的不同，太陽從內到外也可分成若干層次。我們肉眼看到的發光圓球只不過是太陽的一個圈層—光球。光球以內是太陽內部，從裡到外依次分為核心、輻射層和對流層；光球以外是色球和日冕，統稱為太陽大氣。太陽內部幾乎集中了太陽的全部物質。然而，由於來自內部的輻射被上面的太陽大氣包裹得「密不透光」，所以在地球上看不到這些層次，其性質只能依靠觀測進行理論推測。太陽大氣所含物質總量和內部比較是微不足道的，但它們的性質可用肉眼和儀器的觀測來確定。

　　我們平常用肉眼看到的非常耀眼的太陽圓面就是太陽的光球。可見光波段的太陽電磁輻射幾乎全部是由光球發射出來的，這也是稱之為「光球」的原因。它有一個非常清晰的邊界，太陽的直徑就是以這個邊界來定義的。光球是太陽大氣的最低層，其厚度大約只有500公里，約為太陽半徑的0.07%。它的壓力和密度也是很小的，光球的氣體壓力大約只有0.1個大氣壓，而密度是地球大氣密度的百分之一。然而它卻像一堵牆一樣擋住了太陽內部輻射的外流，使人們看不到太陽內部的容貌。

圖3 太陽的分層結構

　　色球是緊挨著光球上面的氣層，它的物質密度比光球更低，溫度反而比光球高。從色球低層至高層密度下降了5個量級，而溫度則上升了3個量級，在色球頂部的溫度已達幾萬度，這與人們想像的外層溫度低於內部溫度恰恰相反。平時，色球被地球大氣分子和塵埃散射的太陽光完全淹沒了，所以人們看不見它。當日全食時，月亮遮掩了光球明亮光輝的一瞬間，便可在黑暗的天空背景上看到在月輪邊緣上呈現粉紅色的鋸齒形狀，那就是色球。色球邊緣不像光球那樣清晰整齊，其結構很不均勻，平均厚度大約是2500公里。

　　日全食時，如果從粉紅色區域的色球再往外面看，還能夠看到一片銀白色的光輝，這就是太陽的最外層大氣—日冕。日冕的光輝越向外面越微弱，同時受地球大氣散射太陽光影響，太陽周圍又形成了比日冕亮5000到10000倍的明亮光輝，所以平時是看不到日冕的。日冕的密度更加稀薄，大約每立方米10-15個粒子，而溫度更高，達上百萬度。日全食時肉眼看到或拍到的照片上日冕的最大範圍只有幾個太陽半徑，但實際上廣義的日冕可超過地球以遠。日冕是非常不均勻、不穩定的。即使在日全食的白光觀測中，也能看到太陽邊緣的投影日冕有許多明顯不同的結構。隨著時間的推移，日冕會呈現出不同的形態。

圖4 日全食照片（2009/7/22）。中心的黑色圓面為月亮，在月輪邊緣上呈現的粉紅色鋸齒形部分為色球，色球外面的銀白色光輝是日冕。

　　三、太陽輻射的光和熱

　　太陽輻射主要是「光」輻射，即電磁輻射，它是太陽輻射能量的最主要的形式。肉眼能夠看到的只是電磁輻射中的可見光波段。整個太陽電磁輻射包括從γ射線、X射線、紫外、可見光、紅外，直到射電波段的米波區。太陽電磁輻射的能量主要集中在可見光和近紅外波段，波長2000～10000埃之間的輻射能占太陽總輻射能的99.9%。其中，3800～7600埃的可見光波段約佔40%，短於3000埃的紫外波段約佔7%，長於7000埃的紅外波段約佔53%，X射線和射電波段對總輻射能的貢獻可以忽略。

圖5 太陽的電磁波輻射

　　太陽除了源源不斷地傳播光和熱，偶爾還會發發脾氣——爆發耀斑（增強的電磁輻射），噴射大量出高能粒子流，發生日冕物質拋射事件，引起地球附近一系列的空間環境擾動，這些我們稱之為太陽風暴，由於受到地球大氣和地球磁場兩個天然屏障的保護，人類自身感受不到太陽風暴的到來。但是，它們卻能夠對日地空間的環境狀態產生明顯的影響，對在空間運行的航天器造成威脅，間接影響我們的日常生活。因此，太陽風暴對日地空間環境的影響不可小覷。

　　那麼，太陽輻射的總能量到底有多少呢？我們把在地球大氣外垂直於太陽光束的單位面積上、單位時間內接受到的太陽輻射能量稱為太陽常數，數值為1367瓦/平方米。將該數值乘以日地距離為半徑的球面，就得到太陽的光度，即太陽單位時間內輻射的總能量，約為3.845×1026瓦。這個能量是地球上全部發電能力的千萬億倍！ 

　　四、太陽是個「中年大叔」

　　正是來自太陽的光和熱溫暖著地球，維持著人類生存以及地球上一切生命活動所必需的適宜環境。我們看到的四季變化、晝夜交替、風雲雨雪、植物生長……無一不是太陽作用的結果。那麼，太陽的壽命是多長呢？以目前太陽對氫的消耗速度計算，太陽還能如此燃燒大約50億年，現在的太陽正處於它的「中年」。 之後，太陽將經歷紅巨星、白矮星、黑矮星直至消失的階段。

　　因此，地球暫時不用考慮去流浪。當太陽老去的時候，相信人類已經找到了拯救自己的辦法。因為人類文明的出現不過上萬年，但是已經取得了令人驚嘆的成就，如果能一直和平穩健發展的話，未來人類帶著地球去流浪也是完全可能的。

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