2018年9月28日

帕克探測船窺探太陽

曾耀寰/任職於中研院天文所,科學月刊社理事長。

今(2018)年暑假不時出現高溫破表的新聞,回顧去(2017)年,同樣的高溫令人感到煩躁,某家電視臺甚至出現新聞標題:「太陽熱到出閃焰,臺北破120年紀錄」。2017年8月14日,當臺北氣溫達攝氏38.2度時,記者小姐∕先生們被熱到語無倫次,連「閃焰」這種高質量科學名詞都冒出來。其實,高溫主要和極端氣候有關,全球大量燃燒石油煤炭,排放過量二氧化碳,造成地球溫室效應,這是長期累積的現象,和太陽閃焰沒有太大關聯。

圖一:太陽內部結構和表面活動。(Wikipedia)

把氣溫太高歸咎太陽閃焰,很有電視購物專家的口吻,唸出一堆科學名詞,宣稱有實驗證實,卻歪曲解釋科學,例如將「鉑」、「鍺」、「鎵」、「鈦」湊在一起所製成的枕頭,宣稱有「遠紅外線」功效,可以和血管「共振」,加速血液循環,有助腦部健康。言歸正傳,到底太陽閃焰說是否又是另一個科學幻想?

太陽的確會發生閃焰,是太陽表面某個局部區塊驟亮的現象。太陽和地球在本質上有一個很大的差異,太陽是一顆大氣球,而地球主要是一顆石頭,外星人可以搭乘太空船在地球表面著陸,但飛到太陽,會沒有立足之地。我們第一個直覺反應:太陽像一顆氣球,總會有個類似橡膠表皮包住裡頭的氣體(先不管是何種氣體)。不!太陽沒有一層表皮包覆,但太陽氣體也沒有四散紛飛,主要是靠本身的萬有引力,將所有的氣體侷限在半徑70萬公里(地球半徑的109倍)的範圍內,且表面不時會有各種劇烈活動和變化,太陽閃焰就是其中一種現象。

一直以來,我們都知道太陽會發出很強的光線,照亮大地。由於無法雙眼直視,對於太陽的細微觀察並不太多。《列子.湯問》有一段小兒辯日的故事,話說孔子東遊遇到2個小朋友爭辯太陽遠近:一個說日出時,離我們比較近,因為看起來比日正當中的時候要大,物體離得越近,看起來就越大;另一個則說日出的時候較遠,因為比日正當中時還要涼快,物體越遠,應該越涼。孔子聽完後感到困惑,結果2個小朋友嘲笑他:「孰為汝多知乎!」。意思是:誰說你很有智慧啊!可知大部分的人對太陽的認知主要在大小、明暗和涼熱。

太陽風
我們一開始說太陽看起來是一顆圓圓的大氣球,但表面不是光滑的,除了耀眼的圓盤模樣外,太陽表面還有變化萬千的磁場。日食的時候,月亮恰巧遮住整個太陽盤面,這時盤面四周會出現向外延展的毛絮結構,像是怒髮衝冠(圖二)。過去在物理課本介紹磁場的章節中,常會看到利用鐵粉來展現磁力線的圖片,鐵粉沿著特定方向排列將磁力線視覺化。日食盤面四周看到的毛絮也是一樣,是太陽表面高溫物質(電漿)沿著磁力線所呈現的結構,並且它們是動態的,會隨時間變化。

圖二:2017年8月21日的日全食。太陽盤面被月亮遮食,在四周出現的日冕結構,這結構清楚顯示太陽表面的磁場分布。(Wikipedia)

利用太陽表面(光球層)的光譜分析,發現太陽表面溫度約6000度,但肉眼可見的太陽表面並不是太陽氣球的邊界,如上所述,更外層還有一個稀薄的日冕,只能在日食才能見到部分的結構,我們看到的,是太陽表面的光通過日冕時,受到日冕層內電子碰撞的散射光(圖三)。日冕的密度很低,大約是太陽表面的億分之一。根據常識,離發熱源越遠,溫度越低,估計日冕溫度應該低於6000度,但實際觀測發現日冕溫度可達百萬度。1942年瑞典物理學家艾德倫(Bengt Edlen)在日冕光譜內發現來自高溫的游離鐵譜線,此外,因溫度造成譜線變寬,也證實了高溫日冕。日冕如何被加熱,現今認為和太陽表面磁場有關,有很多理論解釋,但至今尚未定論。

圖三:1571年法國畫家卡倫(Antoine Caron)繪製一群天文學家正在研究日食,太陽盤面四周所呈現的光暈代表了日冕。(Wikipedia)

靜態太陽風模型
日冕長相分布是否就如同日食所見?範圍可達10個太陽半徑,超過就空無一物?其實不然,有時僅靠眼睛,是看不到全部的真相。1859年9月1日,英國業餘天文學家卡林頓(Richard Christopher Carrington)觀測到太陽表面很強的閃焰,經過1~2天的時間,地球就發生很大的磁暴(地球磁場突然發生劇烈的強度改變),並且在南北半球低緯度地區出現很強的極光。卡林頓隱約知道這一連串事件應該有其因果關聯性,太陽表面的閃焰引起地球磁暴和極光,可以合理推測太陽會有物質噴發到地球。1892年,愛爾蘭科學家費茲傑羅(George Francis FitzGerald)從發生閃焰和磁暴的時間延遲,估算這個噴發物質(可能是帶電的原子或離子雲)的速度約每秒480公里。除了磁暴,1951年,德國天文學家柏曼(Ludwig Biermann)認為太陽會不斷地向外發射太陽微粒(solar corpuscles),進而造成彗星尾沿著太陽的方向,間接顯示有連續物質從太陽噴發出來,現在稱這些物質為太陽風(solar wind)。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第586期】