对人类而言 太阳到底有多重要?

满天星辰,其实都和我们拥有的太阳一样,共同属于一个巨大的核工业体系——银河系。亿万颗恒星在这里聚变和生产元素,物质就在这里生生灭灭地循环,包括生命所需要的所有原料、技术程序,都在这儿完成。

正是太阳主导了地球无机自然界和有机自然界(包括人类社会)的演化和发展,人类社会的一切都与太阳息息相关。

要知道太阳的威力以及它对于我们而言有多么重要,我想最好的办法是首先弄清楚没有太阳时地球会发生怎样的变化,这远远比描述它为什么重要更加深刻。

那么好吧,我们就让高个子的姚明踩个凳子,拿张黑纸把太阳给糊起来,这下我们都深处黑暗之中了,呵呵。

请开灯,接下来请加州理工学院的行星科学教授史蒂文森和大家做分享,他竟然把失去太阳后对地球的温度影响测算到了小数点后两位,看起来也像是学计量的出身:

“失去阳光的一周内,地球平均地表温度将降到低于零下17.78摄氏度, 在一年内则会骤降到零下73.33摄氏度;海面将冻结,但由于海洋表面冰层形成了一张性能良好的绝缘体,在千年内浅层区下面的深水都不会冻结。百万年后, 生物体依赖的地球会达到一个相对稳定的零下240摄氏度,这是因为温度从地球的核心散发的热量与来自太空中的辐射相等。”

“依赖光合作用的植物将失去能量来源,大多数植物会在几周内死亡。接下来 大部分生命体会因为阳光的消失而烟消云散,一切都将归于死寂。得益于缓慢的新陈代谢和体内存储了大量的糖,茂密的大树虽然能够坚持很长一段时间,但零下 73.33摄氏度的寒冷能够把一切冻结。或许只有接近地底热源的地方还能有一些微生物继续生存。”

听了这些,你一定想起了“万物生长靠太阳”这句话,对我们而言这是幼儿园级别的真理,是耳熟能详的教诲,也是最最司空见惯的常识。但遗憾的是对大多数人而言这个开始往往成为了结束,因为几乎每个人在童年时代便将其堆到了杂物堆中,自此之后的一生都可能再不提及。

现在,你还会让那浅尝辄止的认识继续下去么?如果有兴趣,让我们一起来探索和研究一下它的前世今生吧!

太阳开始于巨分子云。星际空间存在着许多由气体和尘埃组成的巨大分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.1到1个原子,但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量,直径为50到300光年。

这些巨分子云由于分布不均匀而往往分裂成团块,并向各自的中心凝聚,在逐步凝聚收缩过程中还会形成更多的中心,发生进一步的分裂,在局部形成体积和质量更小而密度却更高的小球状星云。

在巨分子云环绕星系旋转时,巨分子云之间互相冲撞,分子云穿越星系旋臂的稠密部分,或者受到邻近超新星爆发的扰动,抑或星系之间引力碰撞造成的星云压缩和扰动等等,都有可能诱发引力坍缩。

巨分子云的坍缩是有规则的,英国物理学家金斯在1902年给出了金斯不稳定性定理,星际云产生不稳定性所需的最小质量正比于温度的3/2次方,反比于密度的1/2次方。相应的最小质量则称为金斯质量。这种现象导致最终形成的太阳质量大约在太阳质量的几分之一至几倍之间,不会太过于巨大和微小。

星际云在坍缩过程中,看似不起眼的自转会因角动量的守恒而旋转得越来越快,从而产生越来越显著的离心效应。使得分子云的形状逐渐变成一个扁平的盘状,太阳系的行星大致都处于同一平面的原因就显而易见了。

原始太阳云需要数十万年进行坍缩,坍缩的势能会造成升温效应,温度升高物质间的排斥力就会 提高,当这种力强大到可以抗衡引力坍缩的程度,中心区就会处于一种流体静力平衡状态,这时候就形成了原始太阳。但这种平衡状态能对原始太阳自身的坍缩形成 阻碍,却不能阻止外侧的物质继续向中心集聚。这种过程称为吸积过程,它对于太阳的成长是极其重要的,太阳刚刚成为原始太阳时,它的质量仅为目前质量的1% 左右,其余99%的物质全靠吸积过程来侵吞。吸积过程大约持续几十万年,当这一过程接近完成时,吸积盘上的物质已大都被侵吞,使得质量大为壮大。

《笑傲江湖》中,金庸为任我行设计的吸星大法,和太阳吸积有着异曲同工之妙。大量吸积来的内力并不能为我所用,必须用《易筋经》调理,才能浑然一体。

刚刚吸积而成的原始太阳体积庞大,与成年的恒星相比看上去倒是飘逸,实际上太过虚胖。接下来就需要“易筋经”进行调理了,这个调理过程长达数千万甚至亿年,太阳的“易筋经”是在坍缩引力和势能导致的升温排斥力相对抗下的缓慢收缩,既美化“身材”,又增强体质——提升核心的温度,为引发核聚变做必要的准备工作。随着核心温度持续升高,100万、300万、500万、600万,数量稀少的氘核、 锂核、铍核、硼核相继被点燃,核心温度和密度越来越高。当核心温度达到800万度时,太阳成年了:它体内储备最丰富的氢元素终于被点燃了。

现在我们知道,发生核聚变的核心区半径是太阳半径的四分之一,约17.5万公里,约占太阳体积的六十四分之一,整个太阳一半以上的质量集中在核心区。那么我们粗略的推算,当原始太阳半径超过42.5万公里后,才有可能导致核聚变的发生。

因为压力和温度刚刚达到核反应开始的条件,这时候太阳的核反应既微弱,也很不稳定。因为太阳在引力坍缩下导致中心密度和温度升高,当太阳发生核聚变反应时,向外的辐射压力就大于了引力坍缩,从而推开物质导致太阳体积膨胀,随之中心温度和密度降 低,反应强度降低,起始阶段甚至有可能导致核聚变暂停。

随着吸积盘上的物质持续向太阳掉落,其内部的引力坍缩越来越强,中心密度越来越大。同步的,核聚变区的半径也逐步增大,辐射压逐步增强。直到辐射压向外推开物质后,引力坍缩依然能够导致核聚变继续发生,太阳便能够持续向外辐射能量了。

刚开始发生核聚变的太阳是无法发光发热的,因为其外层是厚达50万公里,极其大量的处于等离子态、中间态以及气态的氢,核聚变开始后即便只是把整个太阳烧热也需要若干年(具体时间不清楚)。当第一缕阳光终于能来到太阳表面时,你观测到的一定是忽明忽暗的微弱的红光。

随着太阳表面温度的升高,产生的光子携带的能量也逐步增强,它发出的光线的颜色也逐步向蓝光偏移。差不多同一个时候,强劲的太阳风开始了,原先吸积盘上残存的的气体物质被逐步吹散,八大行星终于浮出水面,闪亮登场。

然而太阳中心的辐射压和引力坍缩的斗争才刚刚开始,这种斗争将持续到太阳生命的终结。期间 它的内部变化将主要源于核聚变的辐射压和引力坍缩之间的此消彼长。太阳聚变导致内部辐射压迅即升高,向外膨胀推开物质形成辐射压力波,这个波在太阳辐射区 的物质当中传递开去。而太阳核聚变区因为向外做功而导致密度和温度降低并缩小,辐射压与引力坍缩最终达成一个平衡点,随后由于引力又大于了辐射压力,物质 又开始向内坍缩,并引发新一波的核聚变,膨胀又一次开始了。

我们假设一个零状态——就像中国科技大学那个托卡马克装置一样,先让半径70万公里的太阳内部保持静止状态,聚变核心区域17.5万公里做好准备工作。当我们喊倒数五个数的时候才开始。

五、四、三、二、一,开始,摁钮启动。

现在太阳第一波聚变展开,辐射压向外推开物质,辐射光波从核心滚滚向外传递,我们设为B1 波。随着B1波的传递,太阳核心的辐射压力消耗完毕。第一波坍缩迅即开始,由于有向外的辐射光波B1向外推开物质,太阳发生第二波聚变时的坍缩压力就会比 第一次小,因而导致第二波辐射光波能量减小,我们把第二个辐射光波设为B2,依次类推......直到各波次的波动次第消失,物质的坍缩压力才会重新逐次 增加,随着时间推移,太阳内部形成复杂的动态。

事实上,太阳内部比我们描述的要更为复杂,这种复杂或许已经难以找到语言来形容,然而,宏观上的太阳必然有自然而又明确的运作规则。

我们用一个巨大的圆形池塘类比沿赤道做剖面的太阳,在其中心丢下质量大小不同的石块代表核聚变产生的能量,其辐射压就会向外形成压力传递的波;碰到岸边折返的波则如同引力坍缩产生的向心压力。不断的辐射压力造成的向外传递的波与岸边向内的波形成峰谷交叉。

当向外的波超越了向内的波时,太阳核聚变烈度降低,对外辐射能量就会减少;当向内的波超越了向外的波时,太阳核聚变烈度升高,对外辐射能量就会增加。

这或许也是太阳燃料补充的核心机制,太阳核心每秒钟消耗万吨的氢,虽然这对于太阳纯属九牛 一毛,太阳形成至今,只不过损失了其质量的万分之一。然而太阳能够发生核反应的区域不过是半径17.5万公里的核心区,如果没有燃料补充,那么太阳可能闪 耀不了一百亿年,那么太阳核心的氢从何而来呢?

我们知道,自太阳诞生起就由于角动量而做着自转,并且从赤道到两级自转的速度逐渐慢下来,因而赤道享受着强大的离心力,这会导致在精确的意义上太阳并非一个规整的球体,两级之间要比赤道处的直径更小些。

当太阳辐射光波向外传递时,赤道处推出来的距离要比两级更大一点,当引力坍缩向内压缩的时候,同理,两级将会向太阳深处更深入一些,形成填料机制。就像炼钢炉里的电极,逐步深入并燃烧消耗,从而保证太阳核心氢燃料的充足。

太阳内部究竟是怎样的运作机制,没有可能靠近它去了解它。科学家们也只能通过日震学和光谱分析等方式进行解读,然而那个球体是如此巨大,内部之复杂几乎让人摸不着头绪,因而至今也没有清晰准确的太阳模型和运作机制。

不过我们依然应该仔细的端详一下这个位于太阳系中心的动力场了。它已经存在了50亿年,超过了宇宙自身年龄的三分之一。它是一个炽热的气体球,表面是6000K的高温,从表面向中心,温度越来越高,中心区约有1600万摄氏度,3000亿个大气压。核心区物质的密度约为每立方厘米160克,相当于手指甲大的面积要承受几亿吨的重物,若从核心区随意挖出玻璃弹球大的一小块,就能够熔化几百公里外的钢铁。

太阳的直径为139万公里,是地球的109倍,体积是地球的130万倍;它的质量相当于 33万个地球,占太阳系总质量的99.86%。余下的质量中包括行星与它们的卫星、行星环,还有小行星、彗星、柯伊伯带天体、外海王星天体、理论中的奥尔 特云、行星间的尘埃、气体和粒子等行星际物质。太阳以自己强大的引力将太阳系中所有的天体紧紧地控制在他的周围,使它们井然有序地围绕自己旋转。

巨大的质量赋予了太阳最深远的力量——引力。太阳的重力场占统治地位,所有的行星被太阳的 重力场束缚。比如地球距离太阳1.5亿公里,也被称为一个天文单位。最远的行星海王星距离太阳30个天文单位,之后是柯伊伯带的天体以及前行星冥王星(冥 王星算不算第九颗行星,现在学界有争论),分布于距离太阳约50个天文单位的范围里。

这应该是太阳系的边界了吧?

No!冥王星之外的宇宙,是宇宙起源大爆炸残留的极度稀薄的各种气体和尘埃的混合物,其中 大部分是氢气和氦气,在广阔的轨道中不时地还会遇到一些薄冰,它们经历千年的时间环绕着太阳,这种由冰球形成的星云被称为奥尔特云,令人惊讶的是,这个由 肮脏冰球构成的星云,仍然被太阳的重力场束缚。在奥尔特云之外,空无一物,只有阳光漏入那片空寂之处。

被太阳引力场控制的距离最终达到5万个天体单位——即7.5万亿公里,以此为半径环绕着太阳的一个球体,才是太阳帝国的全部势力范围。

太阳不仅巨大,而且还是一个奢侈的使用核能的天体,按照爱因斯坦的质能方程E=mc2,在 4个氢原子聚变成一个氦原子的反应中,有千分之七的物质转换成能量。千分之七,乍听起来似乎很微小,然而仅仅是把1000克氢原子中千分之七的物质转换成 能量,就相当于4000吨石油或者6000吨煤。而如果把一节只能燃烧几分钟的树枝所蕴藏的核能释放出来,足以把一盏100瓦的灯泡点亮100万年。

在太阳核心区,每秒钟有5亿吨的氢原子参与聚变,其中400万吨的物质转化为能量,我们不禁会这样问:太阳岂不是很快就要烧光了?实际上这个数字和太阳的质量相比实在是太微不足道了,太阳自存在以来,聚变损失的物质不过是其总质量的万分之一。

400万吨物质转换为能量,这个能量到底有多大呢?让我们做一个简单的实验就知道了。在一 个平常的夏日,把边长为1厘米的冰块放在直射的阳光下,大约40分钟就可以完全融化,相当于每平方米接受了大约一千瓦的能量。让我们假想一下,假如有一个 厚度为1厘米,半径为1.5亿公里(地球到太阳的距离)的冰壳,包裹在太阳周围,这个庞然大物也将在40分钟内消融瓦解,这其中还没有计算大气对于阳光的 耗散,以及被阻挡于地球之外的太阳风的能量。只是一秒钟,太阳散发的能量就高达400亿亿瓦,那是中国一年总耗能的100万倍。

太阳核聚变的能量在大约70万公里深处的核心产生,要经过17万年才能上升到表面,最后以电磁波的形式向四周放射,这就是人们常说的太阳辐射。经过一亿五千万公里空间的传输,地球只得到它的光辉的22亿分之一,但是对地球和人类的影响却不可估量。

太阳的原始辐射并不能直接的影响地球和生态圈,地球的大气层就好比是“此山是我开,此树是我栽”的好汉,“要想从此过,留下买路财”是必须的!大气用三种阻截方式对太阳辐射展开打劫。

对阳光阻截最强悍的是第一道关卡——白云,那真是有“一夫当关,万夫莫开”的气概,战斗力指数(平均反射率)为0.50~0.55。只是横刀立马就不战而屈人之兵,按地球平均云量为5计算,太阳辐射就有近25%被白云反射回宇宙空间。

第二道关卡分为两部分。在平流层以上,主要是氧和臭氧分工负责,来者哪个壮实就拿哪个开 刀,大部分紫外辐射(含紫外线、X射线、伽马射线等)在这里不幸了;接下来的平流层至地面,主要是水汽的工作范围,对红外辐射实施全面洗劫。看起来相当专 业!仅仅只有腿脚快的可见光成建制的逃脱了围捕,到达地面,余下的大部阵亡,化作了大气的热量。

对于阳光洗劫最慈悲的就是第三道关卡了,那是因为漫天都是空气分子、尘粒、云雾滴等中间 派,于是一路上阳光逃散的漫天都是。当大气中的水汽、尘粒等杂质较少时,主要是空气分子散射,太阳辐射中波长较短的蓝紫光被散射得多,所以晴朗的天空呈蔚 蓝色。日出、日落时,因光线通过大气路程长,可见光中波长较短的光被散射殆尽,所以看上去太阳呈桔红色。当大气中的水汽、尘粒等杂质较多时,那么恭喜你中 奖了,PM2.5超强的雾霾或者沙尘暴将所有的光散射,带给我们灰色天空。下面是太阳辐射大气上届和地面辐射曲线。

到达地面的太阳辐射不能完全被地面吸收,有一部分将被地面反射。地面反辐射的大小与地面对太阳辐射的反射率有关。反射率则主要由下垫面的颜色、湿度、粗糙度、不同植被、土壤性质及太阳高度角等因素决定。

对于太阳的重视并非始于现代,早在1833年,天文学家赫歇尔就在他的著作《天文学》中热 情洋溢表达了这样的观点:“阳光是地球表面几乎所有运动的最终根源。阳光带来的热量产生了风,由于阳光的“生气”,无机物转变成了植物,并进一步支持动物和人类的活动;在煤层中,阳光的动能效率沉积下来又能够为人类所用。”

然而这一切与我们的生活似乎太远了,因为不管发生什么,太阳依旧升起,从未缺席。以至于对于我们而言,太阳是如此的熟悉,但却相当的陌生;它是如此的重要,我们却并不了解它。

太阳是如此的古老和强大,它不仅在太阳系居于绝对的统治地位,更是地球上拥有生命奇迹并多姿多彩的金手指。

太阳辐射对地球的影响首先体现在太阳辐射是地理环境形成和变化的能量来源,即太阳能是维持 地表温度,促进地球上的水、大气、生物活动和变化的主要动力。太阳辐射的纬度差异,则导致了地面不同纬度获得热量的差异。受热的不平衡导致了大气和水体对 于热量的传递,形成大气环流和洋流,对地理环境的形成和变化具有极其重要的作用。

在这里,我必须提到竺可桢了。他撰写的最重要的学术论文是《历史时代世界气候的波动》和《中国近五千年来气候变迁的初步研究》,它的观点是将太阳和人类社会链接起来的纽带,且让我们深入了解一下他的理论。

《历史时代世界气候的波动》依据北冰洋海冰衰减、苏联冻土带南界北移、世界高山冰川后退、 海面上升等有关文献资料记述的地理现象,证明了二十世纪气候逐步转暖,并由此追溯了历史时期和第四纪世界气候、各国水旱寒暖转变波动的历程,发现十七世纪 后半期长江下游的寒冷时期与西欧的“小冰期”相一致的情况。

《中国近五千年来气候变迁的初步研究》则是他数十年深入研究历史气候的心血的结晶,是一项 震动国内外的重大学术成就。他充分利用我国古代典籍与方志的记载,以及考古的成果、物候观测和仪器记录资料,进行去粗取精、去伪存真的研究,得出了令人信 服的结论:地球上气侯大的变动是受太阳辐射所控制的,所以,如冰川时期的寒冷是全世界一律的。但气候上小的变动,如年温1一2℃的变动,则受大气环流所左 右的,大陆气候与海洋气候作用不同,在此即可发生影响。

“地球上气候大的变动是受太阳辐射所控制的,所以,如冰川时期的寒冷是全世界一律的。”这绝对是一个重大的发现,遗憾的是直到今天,我们对于它的认识依然停留在数十年前。否则,就不会有“全球气候变暖大会”什么事了。

至于对人的影响,看来我们不得不继续提到古代的先贤。《易丰卦》曰:“天地盈虚,与时消息,而况人乎。”我们生存的每时每刻都会受到太阳运动的影响。事实上,寒来暑往,日夜更替,地球上一切生命都在根据太阳辐射的强度来完成能量转换,并进行非常有规律的变化绵延。

两千多年前的《内经灵枢》中指出:“夫百病者,多以旦慧昼安,夕加夜甚”,与太阳活动息息 相关。中国的古人已经发现人体内部的气机运行与太阳的运行有一定的相关性,这种节律影响着人体的阴阳升降、气血盛衰及脏气变化。宋元发明的 “子午流注”、“灵龟八法”就是这样,医生根据人体一日中各脏腑所主之时和营卫之气在十二经脉运行的次序,就可推算出有关穴位的开合时间,以此对某些疾病 施治可达到事半功倍之效。

国外对此的研究也颇有收获,2000年左右,日内瓦大学生物系的专家们研究确认:人体器官 几乎所有的细胞都拥有生物钟,生物钟是生物周期节律的一种守时现象,也是生物在演化过程中逐渐形成的一种本能。人体的生理机能会随着昼夜的流逝而呈现周期 性和节律波动,它们按照太阳的升落来制造蛋白质,不管作息时间如何人为打乱,身体中的主要生物钟都会按最初的节律发挥作用。

科学家们曾做过这样一个试验:让一些志愿者居住在一个与世隔绝的山洞中,他们不知道白天和黑夜,对时间观念完全模糊不清,但通过这些人的体温、脉搏、血压和脑电波测试表明,体内节律仍顽强地保持在一昼夜的周期之内,所有的数据都与太阳一同有规律的升降。

据研究生物钟科学四十多年的法国医学家海因柏教授介绍,人体器官除有味觉、听觉、触觉、嗅觉、视觉五大感觉功能外还有时觉,人的思想、精神、运动、睡眠及进食都会受到时觉的支配。一天中头 脑最清醒时是在上午10时;对体育运动员来说最佳的时间在下午3时;皮肤的敏感性从下午一点开始增强,半夜时反应最强烈,以后逐渐下降;中午11时反应最 迟钝;对重病患者来说,死亡率下半夜高于上半夜,下午高于上午,夜间高于白天。得脑血栓的病人,绝大部分也是发生在晚上。

地球和人类都笼罩在太阳的光辉下,然而在我们的感觉里,可能从未真正觉得阳光是重要的。日复一日,年复一年,太阳不知疲倦的东升西落,射向我们的阳光似乎从来也没有什么变化。

你是这样想的,但这样想你就错了。阳光不仅是生命自身,它还通过对地球生态和生物的影响左右着这一切。而发生这一切的原因,来自多彩的、变化的阳光,正是这种多彩和变化左右了世界和人类社会的变化。

来源:知道日报

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