太阳活动与人类生存环境 汪景琇-第1部分

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　　　　主讲人简介汪景琇先生，1944年5月生于辽宁抚顺市，现任中国科学院国家天文台研究员，理学博士，北京大学兼职教授，中国科学院研究生院教授，国家天文台学术委员会主任，中国天文学会理事，国际天文联合会第12委员会组织委员。在太阳磁场和磁活动等方面研究发表了100多篇学术论文，得到400多次国际同行引述。获中国科学院自然科学一等奖和二等奖，被国家教委和国务院学位委员会授予“做出突出贡献的中国博士学位获得者”称号。

　　　　内容简介

　　　　本次讲座中，汪景琇教授将主要讲述太阳活动，以及太阳活动对人类生存环境的影响。

　　　　太阳是一个普通的恒星，太阳确实以自己稳定的光热来孕育了我们的地球、孕育我们太阳系，包括这里智慧的生命，但是太阳会有暴怒的时候，这个时候太阳会以激烈的活动，影响人类的生存环境和空间环境。

　　　　内容大致包括太阳和太阳活动、太阳活动周、太阳和人类的生存环境、太阳研究中的科学机遇，还有中国的太阳研究。

　　　　在行星际空间里，有太阳系，有我们的九大行星，有很多天体，包括地球有自己的磁层，有自己的大气，另外还有自己的生物圈。太阳会产生无穷无尽的能量，太阳可以影响地球的气候和天气过程，可以影响地磁暴，可以影响农业，可以影响供电系统，它会把地球的磁层压到地球同步轨道之内，增强地球的辐射带，导致磁暴和磁亚暴，使得卫星受到损伤，地磁暴可以影响供电系统的安全，极光的亚暴的电流，可直接影响宇航和航空的安全，包括危及宇航员和飞越极区乘客的安全，甚至于造成卫星整个的失效。

　　　　太阳不只是给大家造成很多危害，太阳这个特殊的环境和日地环境，孕育了我们人类本身和孕育了这种智慧的生命，没有太阳的话，就没有世界上的万物，也没有我们的地球环境，但是太阳可能在怎样的程度上影响人类的生存、影响我们人类社会，这是因为人类越来越走向了空间这样一个时代，所以人类对空间的依赖越来越重。空间观测确实是空间的高技术，把人带到一个完全新的境界，给空间物理的研究、太阳物理研究、天体物理研究完全带来了新的生机。

　　　　在宇宙当中，是否有其他的环境，这对人类地外可居住性，对人类思考将来哪一个环境能有智慧生命非常重要，现在这方面天文研究非常活跃，人们在寻找在太阳系外，有没有行星系统，有没有跟太阳系一样的系统，有没有跟地球一样的蓝色的行星。

　　　　太阳物理中有很多重大的科学问题，其实非常有名的中微子问题，中国是最早有黑子记录的国家，我们国家自然科学的先驱者高平子先生，他是在1925年亲手描的黑子记录。我们国家的太阳磁场望远镜，是艾国祥院士和他的同事对于中国太阳物理界、对中国的天文界所做出的巨大贡献。

　　　　我们现在国家的重点基础研究项目，叫做太阳剧烈活动空间灾害天气项目也正式立项投入工作，相信中国这样一个伟大的国家，应该在自然科学各个领域做出贡献，包括在太阳物理界做出自己无愧于我们伟大国度和我们伟大民族的献。

　　　　汪景琇教授告诉我们，当人类进入空间时代之后，研究太阳及其对人类生存环境的影响，对国家的发展，对社会的安全有着重要的意义。

　　　　全文

　　　　大家好！

　　　　画面上大家看到的是高山上壮丽的日出。我不知道有多少同学曾经到高山或者大海，去看壮丽的日出或者是温馨的日落。我这里收了一些日出和日落的图片。大家看到，当桔红色的光焰把天空照亮，另外又浓墨重彩，把大地涂成金色的时候，那么你会感到无限的温暖和欢乐，它给人一种欢乐、辉煌，甚至有几分庄严的感觉，使你体会到一种大自然或者宇宙的这种永恒的美丽。

　　　　这就是我们的太阳，它以稳定的光热来孕育着地球上的万物，包括智慧生命，我们人类本身。但是太阳它如果在地球大气外的话，那么你会看到每平方厘米、每分钟，大概能够接受到太阳的能量是1。97卡，那么会使1。97克的水升高一度的温度，那么这个被称为太阳常数。大家知道太阳常数在世纪时标内，变化小于百分之一，只有千分之一和二的水平。这是为什么地球上能够有生命繁衍。那么人类得以发展的原因，因为太阳确实以自己稳定的光热来孕育了我们的地球、孕育我们太阳系，包括这里智慧的生命。但是太阳有的时候也会有暴怒的时候，这个时候太阳会以激烈的活动，影响人类的生存环境和空间环境。所以我今天给大家讲的就是太阳风暴，也就是说太阳活动及其对人类生存环境的影响。

　　　　这里看到的是太阳上观测的一个真实情景，但是后面的太阳风暴却是模拟的图景，那么大家可以看到，太阳上局部区域发生剧烈的这种太阳活动现象，或者日冕物质抛射的形式，把大团的带着磁场的等离子体，抛向行星际空间，那么它大概花三天左右的时间来到达地球，撞击地球的磁层，这样在地球的两极，出现高能粒子辐射，那么接着影响了我们整个地球的环境，这种情况就叫做太阳风暴。大家知道越来越多的人开始感觉到、开始懂得这个道理，就是我们的地球，或者我们人类是生活在太阳这颗普通恒星扩展的大气内。这边是大家看到的太阳，太阳不停地通过太阳风，把磁化等离子体输入到行星际空间。这个地方我们看到是地球，那么地球的磁层会响应这种太阳输出的变化，反过来影响人类的生存环境。这就是我们意义上的太阳风暴，或者太阳活动对人类生存环境的影响。

　　　　我今天要讲的大致包括太阳和太阳活动、太阳活动周、太阳和人类的生存环境、太阳研究中的科学机遇，还有中国的太阳研究。太阳是一个普通的恒星，大家知道，在星际介质当中，太阳风通过它磁化等离子体，这种强劲的太阳风在行星际空间刻出一个巨大的空腔，这个空腔就叫做日球。太阳在日球中，它是整个日球的主宰，日球的边界是太阳风的能量和恒星风的能量，密度的等密度面。所以在这个边界上，太阳风和恒星风它们的密度相当，谁也影响不了谁。那么在日球内，这个巨大的空腔是太阳的影响范围，太阳通过几种方式来影响行星际空间，影响所有的行星系统，包括我们地球。它通过高能粒子，太阳不停地向行星际空间辐射高能粒子，又通过磁化的太阳风，把磁化的等离子体和磁场抛向行星际空间，还通过各种波长的电磁辐射，这个电磁辐射包括极短波，从γ射线、X射线、远紫外、紫外到可见光、红外、射电一直到几十公里的波长，来影响我们的环境。实际上在日球里有太阳系，有我们九大行星，有很多的天体。地球有自己的磁层，有自己的大气，另外还有自己的生物圈。那么太阳的结构，大家看到中间是日核，然后它通过热核反应核聚变，来产生无穷无尽的能量，通过辐射的方式，在辐射层里传播。中间这一部分是辐射层，日核内部的温度是一千五百万度，辐射层的温度大概百万度左右。由于太阳非常厚重，有非常多的物质在里边，所以辐射不可能从太阳内部一直传到太阳外边，大概花到成千万年的时间，太阳的辐射才能传到太阳的表面、太阳的底部。那么底部是对流层，这是对流层底，对流层外边是对流层，对流层里等离子通过复杂的运动产生的磁场。所以我们表面上看到太阳黑子、暗条还有这暗条爆发，还有光斑、耀斑，给我们看到了非常漂亮的日珥，看到了扩展的日冕在日全食，大家看到银白色的日冕非常美丽。这是我们的太阳，左边看到的是太阳内部的温度分布，右边看到的是太阳自转的分布，随着深度的分布。（20世纪）90年代之后，在太阳物理研究中，发现一个很重要的现象，就是说在太阳内部的自转轮廓，基本上是像一个刚性自转一样。大家学过力学和理论力学，差不多像刚体一样在自转。但是在太阳的外层，对流层，它维持了从表面所观测到的较差自转，也就是说在太阳不同的纬度，自转的速率是不一样的。在太阳赤道附近，太阳每27天转一圈，可是在极区呢？大概要31天转一圈，这种情况叫做较差自转。

　　　　在对流层和辐射层的边界，有一个非常窄、非常薄的层次，这个层次在1992年才被发现，被称为一个英文的名字叫Tachoeline这样一个层次。这个层次很可能是太阳发电机活动的地方，也就是说太阳磁场产生的地方。这里这个简单的模拟，使你看到了这中间是辐射层，上边是对流层，它们的边界是对流层底，被称为一个边界层，或Tachoeline层次。那么太阳的发电机效应，可以初步的用这样一张图来反映出来。大家看到开始的时候，太阳的磁场是从南极到北极，基本是静向的磁场，由于较差自转，把磁力线扭缠起来，这样最后大家可以看到，这个磁力线扭缠之后，在南北两带出现了活动带，大家看到这样一个结构，相当于一个磁环伸出来，那么它的一端可能是磁场的正极，一端是磁场的负极，也就是磁力线从一端伸出来，流进到另一端。所以按照这样一个理论，大家应该看到，在太阳上要出现两个活动带，一个在北半球，一个在南半球，一会儿我们看看观测是不是这样。太阳黑子就是环向磁场，在浮到太阳表面之后，变成太阳黑子。那么我们看到每11年，太阳黑子从极小到极大，就是数目从最少到最多，有个11年的周期，我们现在看到的太阳，是在太阳不同的三个层次。现在看到的是日冕，日冕的结构不像我们看到的明亮的太阳，这个时候我们看到太阳光球，也就是说太阳明亮的圆面，在日出和日落的时候，如果是天上灰尘比较多，或者是光不是太刺眼的时候，你可以通过滤光片，看到太阳经常是这个情形，那么有时候比较大的黑子，你可以肉眼可见。然后我们看到有一个层次，是太阳的色球，这色球上有一些暗的线状的结构，被称为暗条，有些亮的结构被称为谱斑，有时候突然增亮，被称为太阳耀斑，最后我们看到的是几百万度的太阳日冕。所以太阳你从表面看，它只有五、六千度的温度，到色球是八千度到两万度的温度，到日冕是成百万度的温度。那么大家就会感到很奇怪，为什么太阳越往上，我们经常讲高处不胜寒，越往高地球大气应该越冷，可太阳越往上温度越高，到日冕的时候，它居然到了百万度的日冕。所以这些都是太阳物理当中，还没有完全解决的困难问题，那么有几类主要的太阳活动呢？

　　　　我今天想向大家主要讲的，是这样几类主要的太阳活动，有太阳风，这是太阳宁静时的高能粒子流，是来自太阳风。有太阳耀斑，太阳局部地区突然的能量释放过程，那么它带来了电磁和粒子辐射，影响了地球的环境。有暗条消失和爆发现象，它带来高能粒子，因为它带来了物质抛射现象，带来高能粒子给我们地球环境，还有日冕物质抛射，那么这是最壮观、尺度最大的太阳活动现象，它对地球环境的影响是最大的。还有冕洞和高度太阳风源，也有日球的磁场，导致地球磁层顶的行星际磁场扰动，那么后两部分我将不主要的讲，我讲的主要部分是前四个方面。

　　　　大家看到这是在空间观测到的太阳紫外观测的情形，这上面所看到的是太阳的磁场，大家看到基本上是以浅色的，或者明亮的磁通量块为主，那么它表示这个极区的磁场是正极的、为主的。那么下边我们看到是一个暗黑的地方被称为冕洞，极区冕洞，这个地方太阳风会源源不断地从太阳吹过来，这是我们看到从304埃，一埃等于十的负八次方厘米，是一个原子物理当中的一个单位所观测的太阳。这是我们看到的太阳风流出来的情形，对这部分我们不再详细的讲，因为太阳风基本代表了静时的一种太阳活动，基本是太阳宁静时候的太阳活动。那么耀斑现象，我们重点给大家讲一下。

　　　　这边我们看到的是，传统的用轻的巴尔末线所观测到的太阳耀斑爆发的情形。这是一个X2。1级耀斑，就是比较大的一个耀斑。这是我们用紫外看到的耀斑的情形，大家注意到，当这个耀斑爆发的时候，太阳很大部分面积会短时间瞬息地变暗又变亮，这种情况叫做紫外的波动，或者叫做太阳的暗化过程。那么耀斑呢？它会引起很漂亮的太阳波动现象，大家看到是同一个耀斑，只不过是日本的飞弹天文台观测到的斑耀情况。大家看看这个耀斑爆发的时候，会有波动传过来。所以这样一个波动是俄罗斯的天文学家和美国天文学家共同发现的，被称为莫灵顿波。波动会从耀斑区域传播到太阳表面，波动的速度大概每秒一千到两千公里的范围。

　　　　我现在给大家看到的是第23太阳活动周，也就是说这次太阳活动周，是最壮观、最剧烈的一次太阳斑耀爆发情形。大家看到这是紫外观测到的太阳辐射。那么在太阳爆发之后，大家看到这个画面上出现了很多的雪花点，这种雪花点，空间物理学家把它称为雪暴。什么叫做雪暴？为什么会出现雪暴？可能有的同学会想到，因为这个观测是在空间地球轨道处的卫星上观测到的，那么耀斑爆发的时候，产生大量的高能粒子，这些高能粒子传播到以差不多相对论的速度，就是零点几倍的光速，也就是说花几分钟到几十分钟的时间，传播到地球轨道处，打在卫星探测器的耙面上，打在耙面上之后，使得探测器短期工作失灵，所以这个时候你看到的是这种雪花点，所以空间物理学家把它称雪暴。

　　　　太阳上不只是有X射线爆发，软硬X射线爆发，太阳上还有核反应，核反应的标志，就是你观测到γ射线。那么太阳主要的γ射线，我不能一一给大家介绍，但是大家至少要明白，太阳上由于核反应的结果会有正电子、负电子，正电子、负电子在湮没的时候，出现了0。511兆电子伏特的γ暴γ射线。这是条