陈鹏飞 南京大学天文与空间科学学院 教授

谁杀死了崇祯皇帝?是太阳!

造就 TALK · 2018-08-05 · 11:58:55

造就第314位讲者 陈鹏飞

长江学者

南京大学天文与空间科学学院教授

当我告诉别人我是研究太阳的,很多人都觉得太不可思议了。

太阳怎么研究?有什么可研究?不就是一个大火球在那儿吗?

在浩瀚的宇宙中,太阳是无数颗恒星中很普通的一颗,但却是离我们最近的一颗。

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如果你透过望远镜去看太阳,你会发现它跟我们肉眼看到的以及想象中的,都完全不一样。因为太阳有很多爆发活动,会对地球产生影响,我们通过研究这些爆发现象的规律,能够更好地了解人类在宇宙中的生存环境。

两千多年前,以亚里士多德和特勒密为首的科学家认为太阳以及所有的行星都是绕着地球转的;到了文艺复兴时期,以哥白尼和伽利略为首的科学家认为太阳才是中心,行星都绕着太阳转;现在我们知道,其实是太阳带着八颗行星在绕着银河系转。

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但即使在地心说盛行的时代,人们依然强烈地崇拜太阳,为太阳建造神庙,我们中国也有很多关于太阳的传说,比如后羿射日、夸父追日等等。这是为什么呢?很简单,因为太阳是生命的源泉。

太阳光

太阳光照到地球附近,它的能量大概是每平方米1360瓦,除去被大气吸收和反射的部分,大约有一半能量照射到我们地球表面。如果没有太阳,地球在一个星期之内温度会降到零下20多度,再过几个星期、几个月,会降到零下200多度,生物无法生存。

太阳为什么会发光呢?是因为在太阳核心四分之一半径的地方,由于高温高压发生氢的聚变反应,四个氢原子撞到一起变成一个氦原子,质量减少了千分之七,根据爱因斯坦那个著名的公式——能量等于质量乘以光速的平方(E=mc^2)可以算出,太阳每秒钟减少的质量大约为40亿公斤。

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很多人听了是不是觉得很可怕,会不会太阳明天就要缺一个角,后天就没了?不用担心,这对太阳的一生来说只是九牛一毛。少掉的这一点点,转变成了巨大的能量,所以太阳才发光。

太阳黑子

如果从望远镜里看,太阳表面还有一些小黑点,它是太阳表面磁场聚集的地方,我们称之为“太阳黑子”,一个普通的黑子大约是地球的三四倍大,它的形成和数量都不是恒定的,而且随着黑子数量的浮动,太阳的亮度也会发生改变。

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这张图显示的是1978年到2004年的黑子数变化,你会发现一个大约为期11年的波动周期,红线就是同时段的太阳可见光亮度,虽然它波动的幅度只有千分之一,但对地球气候却能产生显著的影响,树木的生长和农作物的产量也会随之发生改变。

一个极端的例子,明朝末年太阳黑子数急剧下降,尤其是在1645年至1710年,这期间太阳几乎没有黑子,亮度变低。

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这段时间正好可以跟地球上的小冰期对应上,导致农作物大量减产,农民收入锐减,使得社会矛盾加剧,最终引发农民起义。所以,明朝的灭亡很有可能也跟黑子有密切的关系,而不是崇祯皇帝的错。

无独有偶,在当时的欧洲,阿尔卑斯山的雪一直从山顶绵延到农田,老百姓都没有吃的了。对丹麦觊觎已久的瑞典,终于在厄勒海峡结冰的时候,从冰面上长驱直入,轻松攻占了哥本哈根(编注:1700年俄瑞大北方战争)。

太阳爆发

相反的,当黑子多了之后,就会产生太阳爆发,比如太阳耀斑。耀斑发生时,几十分钟内就能释放出相当于千亿颗原子弹同时爆炸的能量。

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这个动画演示了太阳耀斑爆发时的场景,大约十亿吨的高能带电粒子流以每秒上千公里的速度往外抛射,这速度相当于一秒钟从上海到北京。极光就是在这些高能带电粒子进入地球磁场加速轰击大气时产生的。

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这是在地球上拍到的极光图片,非常壮观,有些中国大妈买机票跑到北欧去看,而如果你研究太阳的话,你在办公室就可以看到。

因为有地球磁场和大气的保护,太阳爆发不会给地球上的生命带来直接威胁,但高能带电粒子会极大地干扰地球的电磁场。

最极端的一个例子,是发生在1859年的一场剧烈太阳爆发(编注:即卡林顿事件),它引起的地磁干扰使得电报机冒出火花,甚至关掉电源都还能发电报,很多电报员因此触电;1989年3月份,另外一次太阳爆发直接烧坏了加拿大魁北克省一个水电站的变压器,这个水电站供应着整个魁北克省和美国五六个州的用电,大面积断电使得六百万人在冰天雪地中冻了九个小时。

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每年,由于太阳爆发给人类生活造成的损失高达几十亿元,天文学家们一直在试图像预报天气一样预报太阳爆发。

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大物理学家理查德·费曼的妹妹琼·费曼是一位天文学家,她发现了一个非常有趣的规律。如果一个地方要发生太阳耀斑,前一天在它旁边会有黑子从太阳内部浮出来,并且浮出来的正极,正好靠近原来磁场的负极,正负抵消就会有爆发。据此,我们就可以对太阳爆发进行预报。

未解之谜

但是关于太阳,还有太多未解之谜等待着我们去探索。

前面我们说太阳中心在发生核聚变,一秒钟会损失40亿公斤的物质,加上太阳的大气也不是静止的,它不断地在往外吹,我们称之为“太阳风”,它每秒钟要带走15亿公斤的物质,合起来相当于太阳每秒钟要损失掉55亿公斤物质。质量少了之后,它对地球的引力就弱了,地球就会往外跑。目前,地球正在以每年1.6厘米的速度远离太阳。

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听上去不是很多,对吧?但是这里带来一个非常有趣的问题,太阳的寿命是一百亿年,目前已经过了46亿年,还有54亿年。到那个时候,年老的太阳由于内核收缩,外壳膨胀,会变成一个红巨星,把水星和金星都吞没掉。

地球有没有可能也被吞没呢?目前谁也不知道,大家都在争论。原因之一就在于我们对太阳风还不是很了解。如果太阳风弱一点,地球就被吞没掉了,如果太阳风强一点,地球就逃掉了。所以,54亿年之后如果有一个外星人从太空中看我们的话,他也许会看到一个非常有趣的现象:太阳在不断地膨胀,想把地球吞没掉,而地球在拼命地跑。

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美国宇航局今年8月份准备发射帕克太阳探针,它将是人类史上第一个能靠近太阳最表面对它进行观测的卫星——它不仅会极大地靠近太阳表面,甚至还会进入日冕。中国也计划在2022年发射一个先进天基太阳天文台,对太阳耀斑和日冕物质抛射进行探索。

不过,根据恒星演化规律,大约60亿年之后,太阳有一半物质由于膨胀抛射损失掉了,剩下的一半急剧塌缩到跟地球差不多大,从红巨星变成密度极高的白矮星,最终归于死寂。所以即使地球逃过了被太阳吞没的命运,到那时候也不再适合生存。

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大家是不是觉得很可怕?

其实在太阳塌缩成白矮星之前,还有比这个更值得担心的事情。因为太阳在慢慢变热,大约10亿年之后黄浦江的水甚至太平洋的水就会被蒸干,到那时只有南极洲才是绿洲,我们只能跟企鹅生活在一起。然后再过10亿年,连南极的水也蒸干了,这时候地球真的会变成一个光秃秃的……球。我们要不要担心这些呢?

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我觉得大可不必。近代科学只有三百多年的历史,但人类已经可以登月甚至去火星了,我们还在积极寻找系外行星,尤其是那些适合我们人类生存的,正如英国历史学家韦尔斯所说:

生命总是死而复生,
总是充满朝气,
充满渴望,
地球只是它的一个驿站,
它终将延伸到浩瀚的星空。


文字丨漫倩

校对丨其奇

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