极光出现时黑子的变化

太阳黑子

我们需要回答的下一个问题是：我们自己的太阳靠得住么？在太阳还处于主星序阶段时，它会不会出什么毛病？太阳会不会在不远的将来在我们毫无防备的情况下突然出什么毛病，以致我们措手不及，一筹莫展？

除非我们今天对太阳演化的认识大错特错，否则，太阳在近期内是不会有什么危险的。太阳在过去很长时间里就是今天这种样子，它还会保持今天这种样子很长一段时间。太阳的性质即使有什么小变化，同庞大的太阳相比，也一定微不足道。

但是，会不会有同太阳尺度相比是微不足道的某些变化，对地球来说却是灾难性的呢？有，显然有这种情况。太阳性质哪怕发生像打一个嗝那样的小变化，对太阳自己当然不妨事，但是，即使从它的近邻恒星那样远的距离去观测太阳，也并非不可觉察。这样的小变化对于地球的影响，则足以明显地改变地球的性质。如果太阳性质的这种反常延续时间再长一些，那倒真可能给我们带来一场灾难。

我们知道，从宇宙尺度来看，生命毕竟是相当脆弱的事物。不需要太大的温度变化，海洋便会沸腾或冻结，从而使生命无法生存。然而，太阳输出的能量只要有不大的一点变化，便可能导致出现这种情况。因此，生命要能继续存在，太阳充其量只允许稍微偏离它目前的这种正常状态。

我们知道，地球上的生命已经有了30多亿年的历史。我们据此可以放心地说，太阳的确是一颗可以信赖的恒星。但是，说太阳是稳定的，那只是说它可以保证生命的存在而已；它其实是不稳定的，也许曾迫使生命渡过了某些可怕的劫难。在整个生命史上，的确曾经出现过好几场生物学灾变，我们不能说同太阳没有关系。我们下面就来讨论这个问题。

如果我们只考虑过去自有人类历史以来的时代，那么，我们可以说太阳是非常稳定的，至少，对于历史上的那些偶尔观看天空的人和那些并未掌握有今天这样复杂的观测仪器的天文学家来说，情况的确是这样。那么，如果认为太阳还将继续是非常稳定的，我们是否是盲目乐观呢？

要回答这个问题，办法是去观测其他的恒星。如果其他恒星的亮度始终完全保持一样，我们为什么不能假定我们的太阳也会是这样，给我们送来的辐射绝不会变得太多，也不会变得太少呢？

事实上，有一些我们肉眼就能看见的恒星，它们的亮度并不是稳定的。它们有些时候较暗，而有些时候较亮。英仙座里的大陵五（英仙座β）就是这样的一颗恒星。古代和中世纪的天文学家都没有提到过这颗恒星亮度的变化，这可能是古希腊人相信天空不会变化的那种信念太根深蒂固的缘故。有迹象表明，那时的天文学家多半发现过这种变化，只是不愿公开谈论而已。根据神话对英仙星座的描绘，英仙手里正抓着已砍下的女妖美杜莎的头颅，而美杜莎的头发是一些活动的长蛇。她瞧谁一眼，谁就会立即丧命变成石头。大陵五就被说成是美杜莎的头颅，因此，它又被称为“魔星”。事实上，大陵五的英文名称“Algol”就是从阿拉伯文“al ghul”一词演变而来，原意是“食尸鬼”。

人们倾向于认为，古希腊人被大陵五的变化弄得惶恐不安，不敢公开接受这一事实，只好把它诅咒为魔鬼。到了1669年，意大利天文学家蒙塔纳瑞（Geminiano Montanari，1632—1687）才第一次正式记录下大陵五光度变化的事实。后来在1782年，一位聋哑人，荷兰出生的英国天文学家古德里克（John Goodricke，1764—1786）指出，大陵五的光度变化是绝对有规律的，并认为它不是真正在光度上有什么变化，而是有一颗暗弱的伴星在围绕着它旋转，周期性地将它部分掩食。结果表明，他的猜测完全正确。

其实，早在1596年，德国天文学家法布里修斯（David Fabricius，1564—1617）就注意到了一颗比大陵五还要显著的变星，这就是我前面已经提到过的一颗近处的红巨星，蒭藁增二。蒭藁增二的英文名称“Mira”出自拉丁词组，意思是“怪事之由”。蒭藁增二的亮度变化比大陵五厉害得多，当变得暗弱时，有时连肉眼也无法看见它。蒭藁增二亮度变化的周期比大陵五长得多，规律性也要差得多。（人们同样认为，古人恐怕早已注意到了它的变化，只是不敢正视这个事实，故意回避提到它。）

我们可以不去考虑大陵五这样的恒星，因为它实际上是遭到掩食，才看起来像是发生了光度变化。这种情况同我们太阳这样的恒星发生灾变性变化毫无共同之处。我们也可以不考虑一颗恒星最后坍缩发生抽搐时才出现的那些超新星，以及已经发生坍缩，正在从它附近的一颗伴星吸收大量物质而其实是白矮星的那些普通新星。

于是剩下来需要考虑的便只有蒭藁增二和参宿四这样一些恒星。它们才是“真正的变星”，由于结构发生周期性变化，所发出的光随之而表现出变化。它们不停地脉动。有些这样的恒星是有规律地脉动，另外有些恒星则是无规律地脉动。在它们周期性地膨胀阶段，它们变得又冷又大；而在收缩阶段，则变得又热又小。

如果太阳也是这样一颗真正的变星，那么地球上便不可能存在生命；因为在那种情况下，太阳在它的一个变化周期里的不同时间会发出不同强度的辐射，周期性地使地球一会儿变得热不堪言，一会儿变得冷得要命。我们也许会说，人类会有办法抵御这样的极端温度。但是，生命起初就不大可能在这样的条件下发展起来，而且，生命恐怕也绝不会进化到这样的阶段，以致有哪种物种会先进到利用技术去应付这样的温度变化。幸好，太阳不是这样的变星。可是，太阳会不会变成一颗变星呢？我们会不会突然发现自己生活在一个具有极端温度的世界而苦不堪耐呢？

值得庆幸的是，不会出现这种情况。首先，真正的变星并不很多。目前已经知道的变星，恐怕总共只有14 000颗。即使考虑到有些变星离我们太远，又有一些变星为尘埃云所遮挡，不能为我们看见，因而还会有许多我们未能发现的变星，它们在全体恒星中仍然只占一个很小的百分比。看来，绝大多数恒星都像古希腊人认为的那样，是稳定的，不变化的。

此外，有些真正的变星是处于主星序末期的又大又亮的恒星；另外又有一些真正的变星，如像蒭藁增二和参宿四，则已经离开主星序，正处于其红巨星阶段的末期。变星的脉动现象很可能就反映了这种不稳定性，表明一颗恒星正在结束它生命史中的某一个阶段，而转入另一个阶段。

我们的太阳仍然是一颗中年恒星，还要过几十亿年，它目前所处的阶段才会结束。由此可见，在未来一个长时期里，它绝不可能变成一颗变星。然而，太阳还是有一定程度的变化，它现在或者将来的那些十分微小的变化，也许就能给我们带来麻烦。

譬如说，太阳黑子是怎么回事？不同时间出现不同数量的黑子，这是否意味着太阳输出的辐射能有某种微小的变化？大家知道，太阳黑子是太阳表面上一些比无黑子的地方温度明显偏低的区域。那么，太阳在有黑子时不是就会比无黑子时显得较冷，因而对我们地球产生某种影响吗？

这个问题由于德国一位药剂师施瓦贝（Heinrich Samuel Schwabe，1789—1875）的工作而引起人们的重视。他是一位天文业余爱好者，只有白天才有空到他的望远镜前去作观测。他仔细搜索太阳附近的天空，希望能发现当时有人猜测的一颗在水星轨道以内围绕太阳运行的未知行星。施瓦贝也认真小心地注视着太阳圆面，因为如果存在着那样一颗行星的话，它多半会周期性地从太阳圆面前穿过。

他从1825年开始寻找，在太阳圆面上仔细搜索，自然不得不去注意太阳表面上的那些黑子。不久，他就忘掉了他原来要找的那颗行星，干脆专心实意地去描绘黑子的图形。在长达17年时间里，只要遇上晴天，他就乐此不疲。到1843年，他终于宣布，太阳的黑子数目有一个10年周期的盛衰变化规律。

1908年，美国天文学家海尔（George Ellery Hale，1868—1938）又探测到了黑子内部的强磁场。他发现，在一个特定的黑子周期内这种磁场的方向是不变的，而到下一个周期，则发生反转。因此，如果把磁场也考虑进来，从磁场沿着某一方向的一次黑子数极大到磁场沿着那同一方向的下一次黑子数极大，这期间的时间总共是21年。

显然，太阳的磁场由于某种原因在不时地增强和减弱，太阳黑子就是伴随着这种变化而出现的。其实，还有一些效应也是如此。太阳表面上还会出现“耀斑”，即太阳表面上这里或那里突然出现的一些暂时性的特别明亮的斑块。看来，它们同太阳磁场的局部增强是有联系的。当黑子数增多时，耀斑也变得普遍起来，因为两者都反映了磁场的变化。由于这个缘故，当太阳处于黑子数极大时，我们说那是一个“活动太阳”；当黑子数极少时，我们说那是一个“宁静太阳”。⁽⁷⁾

太阳还不停地放出原子核流（主要是氢核，即质子），它们以非常高的速度向四面八方运动。1958年，美国的一位天文学家帕克（Eugene Norman Parker，1927—）把这种原子核流形象化地取名为“太阳风”。

太阳风到达和经过地球时，同高层大气起作用，会引起各种各样的效应，如北极光就是。太阳耀斑会喷出大量质子，在短时间里使太阳风暂时变得更强。地球以这种方式受到太阳活动加强和减弱的影响，要比黑子周期里单纯由于太阳温度变化而受到的影响大得多。

太阳黑子周期性变化，无论它对地球有怎样的影响，显然绝不会对生命有任何明显的干扰。然而问题在于，太阳黑子的这种周期性变化是否会失去控制，太阳是否会突然发生某种剧烈变化，以至于——譬如说，引起一场灾变。我们现在只能作如下的推断：据我们所知，太阳在过去从未发生过这种事情，那么，它今后也不会发生这种事。倘若黑子周期一直是非常有规律的，这个推断当然是比较可信的，然而事实并非如此。例如，记录在案的两次黑子数极大之间相隔的时间，短的只有7年，而长的却有17年。

而且，黑子数极大的程度也不总是一样。太阳表面黑子化的程度由一个称为“苏黎世黑子数”的量来量度。每有一个单独的黑子，记数为1；而每有一群黑子，记数为10，然后再把两者的和数乘上一个表征观测时所使用的仪器和观测条件的修正因子，这样得到的就是苏黎世黑子数。年复一年地测量和记录这种苏黎世黑子数，结果发现，遇上有的黑子极大期，黑子的数目竟少到只有50，如18世纪初和19世纪初那两次就是这样；相反，在1959年那次极大，黑子数竟达到从未有过的最高值200。

当然，只是在1843年施瓦贝提出他的报告以后，人们才开始认认真真地对黑子数做记录。在那之前，一直追溯到1700年，我们所采用的数据恐怕是不大可靠的。在伽利略发现黑子以后的那100多年里有关黑子数的记录，由于过于零散，其可靠性也是要打折扣的。

可是，一位英国天文学家蒙德（Edward Walter Maunder，1851—1928）在1893年系统地研究旧时的记录时惊奇地发现，在1645—1715年那段时间古人对太阳表面所作的那些观测记录中，几乎没有提到过黑子。在那70年间记录到的黑子总数比现在任何一年的黑子数还要少。他的这一发现在当时并未引起天文学家的重视，因为人们想当然地认为那70年间的数据过于零散和原始，根本就没有什么意义。然而，最近所作的一些研究支持了蒙德的论断，现在，天文学家把1645—1715年那段时期称作“蒙德极小期”。

在那段时期，不仅几乎见不到黑子，连极光（在黑子极大期，由于整个太阳圆面到处都有耀斑爆发，见到极光是很寻常的）记录也难得找到。而且，根据保留下来的那段时期天文学家对几次日全食的描述和绘图来判断，日全食时日冕的形状恰好具有黑子极小期时的外貌特点。

此外，反映了黑子周期的太阳磁场的变化能够间接影响地球大气中碳14（碳的一种放射性同位素）的含量。碳14是由照射到大气中的宇宙线产生的。太阳的磁场在黑子极大期会膨胀，这可以对地球起到保护作用，使它少受到宇宙线的照射。在黑子极小期，太阳磁场收缩，宇宙线不会受到偏转。因此，大气中碳14的含量在黑子极小期会高一些，而在黑子极大期会低一些。

地球上的植物在吸收大气中的二氧化碳时，把碳（包括碳14在内）吸收到体内。这些碳原子（包括碳14）再与其他元素的原子结合成组成树木木质的分子。碳14是可以探测出来的，人们可以非常精确地测定它的数量。通过研究古树，设法测定出每一圈年轮中所含有的碳14的数量，我们就能知道碳14逐年的变化情况。碳14的含量应该在黑子极小期偏高，而在黑子极大期偏低。测量结果表明，碳14的含量在整个蒙德极小期一直是比较高的。

用这种办法，人们还发现了延续时间较长的其他好多个太阳不活跃的时期。这其中，有的只持续50年，有的则长达好几个世纪。测量结果表明，自公元前3000年以来，总共大约有过12段这种太阳不活跃时期。

总之，似乎存在着一个更长的太阳黑子周期。这就是说，存在着好多个持续时间较长的太阳不活跃的极小期，在它们之间则插进有好些时间也比较长的太阳活动在这期间一会儿低，一会儿高的振荡时期。我们现在正处在自1715年以来的一个振荡时期。

这种比较长的黑子周期对地球会有什么影响呢？可以肯定地说，历史上出现过的那12个蒙德极小期从未对人类的存在产生过严重危害。由此看来，我们似乎用不着担心下一次这种持续时间较长的极小期的再次出现。但是，这些事实恰好表明，我们对太阳的了解远比我们原以为的要少得多。我们既没有彻底搞清楚是什么原因引起目前存在着的10年黑子周期，也不能肯定是什么原因导致存在着那些蒙德极小期。我们既然对这些全不了解，我们又怎能担保太阳不会在什么时候在我们毫无觉察的情况下突然失去控制呢？