滿天星辰,其實都和我們擁有的太陽一樣,共同屬於一個巨大的核工業體系——銀河系。億萬顆恆星在這裡聚變和生產元素,物質就在這裡生生滅滅地循環,包括生命所需要的所有原料、技術程序,都在這兒完成。
正是太陽主導了地球無機自然界和有機自然界(包括人類社會)的演化和發展,人類社會的一切都與太陽息息相關。
要知道太陽的威力以及它對於我們而言有多麼重要,我想最好的辦法是首先弄清楚沒有太陽時地球會發生怎樣的變化,這遠遠比描述它為什麼重要更加深刻。
那麼好吧,我們就讓高個子的姚明踩個凳子,拿張黑紙把太陽給糊起來,這下我們都深處黑暗之中了,呵呵。
請開燈,接下來請加州理工學院的行星科學教授史蒂文森和大家做分享,他竟然把失去太陽後對地球的溫度影響測算到了小數點後兩位,看起來也像是學計量的出身:
「失去陽光的一周內,地球平均地表溫度將降到低於零下17.78攝氏度,在一年內則會驟降到零下73.33攝氏度;海面將凍結,但由於海洋表面冰層形成了一張性能良好的絕緣體,在千年內淺層區下面的深水都不會凍結。百萬年後,生物體依賴的地球會達到一個相對穩定的零下240攝氏度,這是因為溫度從地球的核心散發的熱量與來自太空中的輻射相等。」
「依賴光合作用的植物將失去能量來源,大多數植物會在幾周內死亡。接下來大部分生命體會因為陽光的消失而煙消雲散,一切都將歸於死寂。得益於緩慢的新陳代謝和體內存儲了大量的糖,茂密的大樹雖然能夠堅持很長一段時間,但零下73.33攝氏度的寒冷能夠把一切凍結。或許只有接近地底熱源的地方還能有一些微生物繼續生存。」
聽了這些,你一定想起了「萬物生長靠太陽」這句話,對我們而言這是幼兒園級別的真理,是耳熟能詳的教誨,也是最最司空見慣的常識。但遺憾的是對大多數人而言這個開始往往成為了結束,因為幾乎每個人在童年時代便將其堆到了雜物堆中,自此之後的一生都可能再不提及。
現在,你還會讓那淺嘗輒止的認識繼續下去麼?如果有興趣,讓我們一起來探索和研究一下它的前世今生吧!
太陽開始於巨分子雲。星際空間存在著許多由氣體和塵埃組成的巨大分子雲。一個星系中大多數虛空的密度是每立方釐米大約0.1到1個原子,但是巨分子雲的密度是每立方釐米數百萬個原子。一個巨分子雲包含數十萬到數千萬個太陽質量,直徑為50到300光年。
這些巨分子雲由於分布不均勻而往往分裂成團塊,並向各自的中心凝聚,在逐步凝聚收縮過程中還會形成更多的中心,發生進一步的分裂,在局部形成體積和質量更小而密度卻更高的小球狀星雲。
在巨分子雲環繞星系旋轉時,巨分子雲之間互相衝撞,分子雲穿越星系旋臂的稠密部分,或者受到鄰近超新星爆發的擾動,抑或星系之間引力碰撞造成的星雲壓縮和擾動等等,都有可能誘發引力坍縮。
巨分子雲的坍縮是有規則的,英國物理學家金斯在1902年給出了金斯不穩定性定理,星際雲產生不穩定性所需的最小質量正比於溫度的3/2次方,反比於密度的1/2次方。相應的最小質量則稱為金斯質量。這種現象導致最終形成的太陽質量大約在太陽質量的幾分之一至幾倍之間,不會太過於巨大和微小。
星際雲在坍縮過程中,看似不起眼的自轉會因角動量的守恆而旋轉得越來越快,從而產生越來越顯著的離心效應。使得分子雲的形狀逐漸變成一個扁平的盤狀,太陽系的行星大致都處於同一平面的原因就顯而易見了。
原始太陽雲需要數十萬年進行坍縮,坍縮的勢能會造成升溫效應,溫度升高物質間的排斥力就會提高,當這種力強大到可以抗衡引力坍縮的程度,中心區就會處於一種流體靜力平衡狀態,這時候就形成了原始太陽。但這種平衡狀態能對原始太陽自身的坍縮形成阻礙,卻不能阻止外側的物質繼續向中心集聚。這種過程稱為吸積過程,它對於太陽的成長是極其重要的,太陽剛剛成為原始太陽時,它的質量僅為目前質量的1%左右,其餘99%的物質全靠吸積過程來侵吞。吸積過程大約持續幾十萬年,當這一過程接近完成時,吸積盤上的物質已大都被侵吞,使得質量大為壯大。
《笑傲江湖》中,金庸為任我行設計的吸星大法,和太陽吸積有著異曲同工之妙。大量吸積來的內力並不能為我所用,必須用《易筋經》調理,才能渾然一體。
剛剛吸積而成的原始太陽體積龐大,與成年的恆星相比看上去倒是飄逸,實際上太過虛胖。接下來就需要「易筋經」進行調理了,這個調理過程長達數千萬甚至億年,太陽的「易筋經」是在坍縮引力和勢能導致的升溫排斥力相對抗下的緩慢收縮,既美化「身材」,又增強體質——提升核心的溫度,為引發核聚變做必要的準備工作。隨著核心溫度持續升高,100萬、300萬、500萬、600萬,數量稀少的氘核、鋰核、鈹核、硼核相繼被點燃,核心溫度和密度越來越高。當核心溫度達到800萬度時,太陽成年了:它體內儲備最豐富的氫元素終於被點燃了。
現在我們知道,發生核聚變的核心區半徑是太陽半徑的四分之一,約17.5萬公裡,約佔太陽體積的六十四分之一,整個太陽一半以上的質量集中在核心區。那麼我們粗略的推算,當原始太陽半徑超過42.5萬公裡後,才有可能導致核聚變的發生。
因為壓力和溫度剛剛達到核反應開始的條件,這時候太陽的核反應既微弱,也很不穩定。因為太陽在引力坍縮下導致中心密度和溫度升高,當太陽發生核聚變反應時,向外的輻射壓力就大於了引力坍縮,從而推開物質導致太陽體積膨脹,隨之中心溫度和密度降低,反應強度降低,起始階段甚至有可能導致核聚變暫停。
隨著吸積盤上的物質持續向太陽掉落,其內部的引力坍縮越來越強,中心密度越來越大。同步的,核聚變區的半徑也逐步增大,輻射壓逐步增強。直到輻射壓向外推開物質後,引力坍縮依然能夠導致核聚變繼續發生,太陽便能夠持續向外輻射能量了。
剛開始發生核聚變的太陽是無法發光發熱的,因為其外層是厚達50萬公裡,極其大量的處於等離子態、中間態以及氣態的氫,核聚變開始後即便只是把整個太陽燒熱也需要若干年(具體時間不清楚)。當第一縷陽光終於能來到太陽表面時,你觀測到的一定是忽明忽暗的微弱的紅光。
隨著太陽表面溫度的升高,產生的光子攜帶的能量也逐步增強,它發出的光線的顏色也逐步向藍光偏移。差不多同一個時候,強勁的太陽風開始了,原先吸積盤上殘存的的氣體物質被逐步吹散,八大行星終於浮出水面,閃亮登場。
然而太陽中心的輻射壓和引力坍縮的鬥爭才剛剛開始,這種鬥爭將持續到太陽生命的終結。期間它的內部變化將主要源於核聚變的輻射壓和引力坍縮之間的此消彼長。太陽聚變導致內部輻射壓迅即升高,向外膨脹推開物質形成輻射壓力波,這個波在太陽輻射區的物質當中傳遞開去。而太陽核聚變區因為向外做功而導緻密度和溫度降低並縮小,輻射壓與引力坍縮最終達成一個平衡點,隨後由於引力又大於了輻射壓力,物質又開始向內坍縮,並引發新一波的核聚變,膨脹又一次開始了。
我們假設一個零狀態——就像中國科技大學那個託卡馬克裝置一樣,先讓半徑70萬公裡的太陽內部保持靜止狀態,聚變核心區域17.5萬公裡做好準備工作。當我們喊倒數五個數的時候才開始。
五、四、三、二、一,開始,摁鈕啟動。
現在太陽第一波聚變展開,輻射壓向外推開物質,輻射光波從核心滾滾向外傳遞,我們設為B1波。隨著B1波的傳遞,太陽核心的輻射壓力消耗完畢。第一波坍縮迅即開始,由於有向外的輻射光波B1向外推開物質,太陽發生第二波聚變時的坍縮壓力就會比第一次小,因而導致第二波輻射光波能量減小,我們把第二個輻射光波設為B2,依次類推......直到各波次的波動次第消失,物質的坍縮壓力才會重新逐次增加,隨著時間推移,太陽內部形成複雜的動態。
事實上,太陽內部比我們描述的要更為複雜,這種複雜或許已經難以找到語言來形容,然而,宏觀上的太陽必然有自然而又明確的運作規則。
我們用一個巨大的圓形池塘類比沿赤道做剖面的太陽,在其中心丟下質量大小不同的石塊代表核聚變產生的能量,其輻射壓就會向外形成壓力傳遞的波;碰到岸邊折返的波則如同引力坍縮產生的向心壓力。不斷的輻射壓力造成的向外傳遞的波與岸邊向內的波形成峰谷交叉。
當向外的波超越了向內的波時,太陽核聚變烈度降低,對外輻射能量就會減少;當向內的波超越了向外的波時,太陽核聚變烈度升高,對外輻射能量就會增加。
這或許也是太陽燃料補充的核心機制,太陽核心每秒鐘消耗萬噸的氫,雖然這對於太陽純屬九牛一毛,太陽形成至今,只不過損失了其質量的萬分之一。然而太陽能夠發生核反應的區域不過是半徑17.5萬公裡的核心區,如果沒有燃料補充,那麼太陽可能閃耀不了一百億年,那麼太陽核心的氫從何而來呢?
我們知道,自太陽誕生起就由於角動量而做著自轉,並且從赤道到兩級自轉的速度逐漸慢下來,因而赤道享受著強大的離心力,這會導致在精確的意義上太陽並非一個規整的球體,兩級之間要比赤道處的直徑更小些。
當太陽輻射光波向外傳遞時,赤道處推出來的距離要比兩級更大一點,當引力坍縮向內壓縮的時候,同理,兩級將會向太陽深處更深入一些,形成填料機制。就像煉鋼爐裡的電極,逐步深入並燃燒消耗,從而保證太陽核心氫燃料的充足。
太陽內部究竟是怎樣的運作機制,沒有可能靠近它去了解它。科學家們也只能通過日震學和光譜分析等方式進行解讀,然而那個球體是如此巨大,內部之複雜幾乎讓人摸不著頭緒,因而至今也沒有清晰準確的太陽模型和運作機制。
不過我們依然應該仔細的端詳一下這個位於太陽系中心的動力場了。它已經存在了50億年,超過了宇宙自身年齡的三分之一。它是一個熾熱的氣體球,表面是6000K的高溫,從表面向中心,溫度越來越高,中心區約有1600萬攝氏度,3000億個大氣壓。核心區物質的密度約為每立方釐米160克,相當於手指甲大的面積要承受幾億噸的重物,若從核心區隨意挖出玻璃彈球大的一小塊,就能夠熔化幾百公裡外的鋼鐵。
太陽的直徑為139萬公裡,是地球的109倍,體積是地球的130萬倍;它的質量相當於33萬個地球,佔太陽系總質量的99.86%。餘下的質量中包括行星與它們的衛星、行星環,還有小行星、彗星、柯伊伯帶天體、外海王星天體、理論中的奧爾特雲、行星間的塵埃、氣體和粒子等行星際物質。太陽以自己強大的引力將太陽系中所有的天體緊緊地控制在他的周圍,使它們井然有序地圍繞自己旋轉。
巨大的質量賦予了太陽最深遠的力量——引力。太陽的重力場佔統治地位,所有的行星被太陽的重力場束縛。比如地球距離太陽1.5億公裡,也被稱為一個天文單位。最遠的行星海王星距離太陽30個天文單位,之後是柯伊伯帶的天體以及前行星冥王星(冥王星算不算第九顆行星,現在學界有爭論),分布於距離太陽約50個天文單位的範圍裡。
這應該是太陽系的邊界了吧?
No!冥王星之外的宇宙,是宇宙起源大爆炸殘留的極度稀薄的各種氣體和塵埃的混合物,其中大部分是氫氣和氦氣,在廣闊的軌道中不時地還會遇到一些薄冰,它們經歷千年的時間環繞著太陽,這種由冰球形成的星雲被稱為奧爾特雲,令人驚訝的是,這個由骯髒冰球構成的星雲,仍然被太陽的重力場束縛。在奧爾特雲之外,空無一物,只有陽光漏入那片空寂之處。
被太陽引力場控制的距離最終達到5萬個天體單位——即7.5萬億公裡,以此為半徑環繞著太陽的一個球體,才是太陽帝國的全部勢力範圍。
太陽不僅巨大,而且還是一個奢侈的使用核能的天體,按照愛因斯坦的質能方程E=mc2,在4個氫原子聚變成一個氦原子的反應中,有千分之七的物質轉換成能量。千分之七,乍聽起來似乎很微小,然而僅僅是把1000克氫原子中千分之七的物質轉換成能量,就相當於4000噸石油或者6000噸煤。而如果把一節只能燃燒幾分鐘的樹枝所蘊藏的核能釋放出來,足以把一盞100瓦的燈泡點亮100萬年。
在太陽核心區,每秒鐘有5億噸的氫原子參與聚變,其中400萬噸的物質轉化為能量,我們不禁會這樣問:太陽豈不是很快就要燒光了?實際上這個數字和太陽的質量相比實在是太微不足道了,太陽自存在以來,聚變損失的物質不過是其總質量的萬分之一。
400萬噸物質轉換為能量,這個能量到底有多大呢?讓我們做一個簡單的實驗就知道了。在一個平常的夏日,把邊長為1釐米的冰塊放在直射的陽光下,大約40分鐘就可以完全融化,相當於每平方米接受了大約一千瓦的能量。讓我們假想一下,假如有一個厚度為1釐米,半徑為1.5億公裡(地球到太陽的距離)的冰殼,包裹在太陽周圍,這個龐然大物也將在40分鐘內消融瓦解,這其中還沒有計算大氣對於陽光的耗散,以及被阻擋於地球之外的太陽風的能量。只是一秒鐘,太陽散發的能量就高達400億億瓦,那是中國一年總耗能的100萬倍。
太陽核聚變的能量在大約70萬公裡深處的核心產生,要經過17萬年才能上升到表面,最後以電磁波的形式向四周放射,這就是人們常說的太陽輻射。經過一億五千萬公裡空間的傳輸,地球只得到它的光輝的22億分之一,但是對地球和人類的影響卻不可估量。
太陽的原始輻射並不能直接的影響地球和生態圈,地球的大氣層就好比是「此山是我開,此樹是我栽」的好漢,「要想從此過,留下買路財」是必須的!大氣用三種阻截方式對太陽輻射展開打劫。
對陽光阻截最強悍的是第一道關卡——白雲,那真是有「一夫當關,萬夫莫開」的氣概,戰鬥力指數(平均反射率)為0.50~0.55。只是橫刀立馬就不戰而屈人之兵,按地球平均雲量為5計算,太陽輻射就有近25%被白雲反射回宇宙空間。
第二道關卡分為兩部分。在平流層以上,主要是氧和臭氧分工負責,來者哪個壯實就拿哪個開刀,大部分紫外輻射(含紫外線、X射線、伽馬射線等)在這裡不幸了;接下來的平流層至地面,主要是水汽的工作範圍,對紅外輻射實施全面洗劫。看起來相當專業!僅僅只有腿腳快的可見光成建制的逃脫了圍捕,到達地面,餘下的大部陣亡,化作了大氣的熱量。
對於陽光洗劫最慈悲的就是第三道關卡了,那是因為漫天都是空氣分子、塵粒、雲霧滴等中間派,於是一路上陽光逃散的漫天都是。當大氣中的水汽、塵粒等雜質較少時,主要是空氣分子散射,太陽輻射中波長較短的藍紫光被散射得多,所以晴朗的天空呈蔚藍色。日出、日落時,因光線通過大氣路程長,可見光中波長較短的光被散射殆盡,所以看上去太陽呈桔紅色。當大氣中的水汽、塵粒等雜質較多時,那麼恭喜你中獎了,PM2.5超強的霧霾或者沙塵暴將所有的光散射,帶給我們灰色天空。下面是太陽輻射大氣上屆和地面輻射曲線。
到達地面的太陽輻射不能完全被地面吸收,有一部分將被地面反射。地面反輻射的大小與地面對太陽輻射的反射率有關。反射率則主要由下墊面的顏色、溼度、粗糙度、不同植被、土壤性質及太陽高度角等因素決定。
對於太陽的重視並非始於現代,早在1833年,天文學家赫歇爾就在他的著作《天文學》中熱情洋溢表達了這樣的觀點:「陽光是地球表面幾乎所有運動的最終根源。陽光帶來的熱量產生了風,由於陽光的「生氣」,無機物轉變成了植物,並進一步支持動物和人類的活動;在煤層中,陽光的動能效率沉積下來又能夠為人類所用。」
然而這一切與我們的生活似乎太遠了,因為不管發生什麼,太陽依舊升起,從未缺席。以至於對於我們而言,太陽是如此的熟悉,但卻相當的陌生;它是如此的重要,我們卻並不了解它。
太陽是如此的古老和強大,它不僅在太陽系居於絕對的統治地位,更是地球上擁有生命奇蹟並多姿多彩的金手指。
太陽輻射對地球的影響首先體現在太陽輻射是地理環境形成和變化的能量來源,即太陽能是維持地表溫度,促進地球上的水、大氣、生物活動和變化的主要動力。太陽輻射的緯度差異,則導致了地面不同緯度獲得熱量的差異。受熱的不平衡導致了大氣和水體對於熱量的傳遞,形成大氣環流和洋流,對地理環境的形成和變化具有極其重要的作用。
在這裡,我必須提到竺可楨了。他撰寫的最重要的學術論文是《歷史時代世界氣候的波動》和《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》,它的觀點是將太陽和人類社會連結起來的紐帶,且讓我們深入了解一下他的理論。
《歷史時代世界氣候的波動》依據北冰洋海冰衰減、蘇聯凍土帶南界北移、世界高山冰川後退、海面上升等有關文獻資料記述的地理現象,證明了二十世紀氣候逐步轉暖,並由此追溯了歷史時期和第四紀世界氣候、各國水旱寒暖轉變波動的歷程,發現十七世紀後半期長江下遊的寒冷時期與西歐的「小冰期」相一致的情況。
《中國近五千年來氣候變遷的初步研究》則是他數十年深入研究歷史氣候的心血的結晶,是一項震動國內外的重大學術成就。他充分利用我國古代典籍與方志的記載,以及考古的成果、物候觀測和儀器記錄資料,進行去粗取精、去偽存真的研究,得出了令人信服的結論:地球上氣侯大的變動是受太陽輻射所控制的,所以,如冰川時期的寒冷是全世界一律的。但氣候上小的變動,如年溫1一2℃的變動,則受大氣環流所左右的,大陸氣候與海洋氣候作用不同,在此即可發生影響。
「地球上氣候大的變動是受太陽輻射所控制的,所以,如冰川時期的寒冷是全世界一律的。」這絕對是一個重大的發現,遺憾的是直到今天,我們對於它的認識依然停留在數十年前。否則,就不會有「全球氣候變暖大會」什麼事了。
至於對人的影響,看來我們不得不繼續提到古代的先賢。《易豐卦》曰:「天地盈虛,與時消息,而況人乎。」我們生存的每時每刻都會受到太陽運動的影響。事實上,寒來暑往,日夜更替,地球上一切生命都在根據太陽輻射的強度來完成能量轉換,並進行非常有規律的變化綿延。
兩千多年前的《內經靈樞》中指出:「夫百病者,多以旦慧晝安,夕加夜甚」,與太陽活動息息相關。中國的古人已經發現人體內部的氣機運行與太陽的運行有一定的相關性,這種節律影響著人體的陰陽升降、氣血盛衰及髒氣變化。宋元發明的 「子午流注」、「靈龜八法」就是這樣,醫生根據人體一日中各臟腑所主之時和營衛之氣在十二經脈運行的次序,就可推算出有關穴位的開合時間,以此對某些疾病施治可達到事半功倍之效。
國外對此的研究也頗有收穫,2000年左右,日內瓦大學生物系的專家們研究確認:人體器官幾乎所有的細胞都擁有生物鐘,生物鐘是生物周期節律的一種守時現象,也是生物在演化過程中逐漸形成的一種本能。人體的生理機能會隨著晝夜的流逝而呈現周期性和節律波動,它們按照太陽的升落來製造蛋白質,不管作息時間如何人為打亂,身體中的主要生物鐘都會按最初的節律發揮作用。
科學家們曾做過這樣一個試驗:讓一些志願者居住在一個與世隔絕的山洞中,他們不知道白天和黑夜,對時間觀念完全模糊不清,但通過這些人的體溫、脈搏、血壓和腦電波測試表明,體內節律仍頑強地保持在一晝夜的周期之內,所有的數據都與太陽一同有規律的升降。
據研究生物鐘科學四十多年的法國醫學家海因柏教授介紹,人體器官除有味覺、聽覺、觸覺、嗅覺、視覺五大感覺功能外還有時覺,人的思想、精神、運動、睡眠及進食都會受到時覺的支配。一天中頭腦最清醒時是在上午10時;對體育運動員來說最佳的時間在下午3時;皮膚的敏感性從下午一點開始增強,半夜時反應最強烈,以後逐漸下降;中午11時反應最遲鈍;對重病患者來說,死亡率下半夜高於上半夜,下午高於上午,夜間高於白天。得腦血栓的病人,絕大部分也是發生在晚上。
地球和人類都籠罩在太陽的光輝下,然而在我們的感覺裡,可能從未真正覺得陽光是重要的。日復一日,年復一年,太陽不知疲倦的東升西落,射向我們的陽光似乎從來也沒有什麼變化。
你是這樣想的,但這樣想你就錯了。陽光不僅是生命自身,它還通過對地球生態和生物的影響左右著這一切。而發生這一切的原因,來自多彩的、變化的陽光,正是這種多彩和變化左右了世界和人類社會的變化。