自然之力
作者： ${content.author} 時(shí)間：2021-09-13 瀏覽量：6,338當(dāng)?shù)谝豢|陽(yáng)光刺破灰蒙蒙的晨靄，大地重新感受到了溫暖。我們腳下這顆蔚藍(lán)色星球上的生物，也跟著這份和熙之中煥發(fā)出勃勃生機(jī)。面對(duì)如此周而復(fù)始的場(chǎng)景，我們或許早已習(xí)以為常，但我們遠(yuǎn)古的先民，卻難以掩飾心中的喜悅。對(duì)于整個(gè)人類而言，光代表了光明與溫暖，掌握光明更是意味著擺脫黑暗與愚昧。神奇的大自然創(chuàng)造了無(wú)限的光明，在敬畏神力的同時(shí)，我們也在探索著它們之中有隱藏的奧秘。
太陽(yáng)是如何發(fā)光的
作為人類肉眼可見(jiàn)的主要天體，太陽(yáng)通過(guò)其光、熱輻射滋養(yǎng)了大地上萬(wàn)物生靈，正是如此，人類很早就產(chǎn)生了對(duì)太陽(yáng)的崇拜。19世紀(jì)歐洲自然神話學(xué)派代表人物麥克斯·繆勒認(rèn)為，人類所塑造的最早的神便是太陽(yáng)神。北歐神話里的蘇爾，日本神道教里的“天照大神”，中國(guó)神話體系里的“羲和”這些都是人類創(chuàng)造的女性神；而希臘神話里的赫利俄斯、阿波羅，印度教里的蘇利耶，則把太陽(yáng)塑造為男性神。但隨著自然科學(xué)的發(fā)展，人類逐漸走出 了“萬(wàn)物有靈”的愚昧，太陽(yáng)也逐漸剝離了“神格”。
我們的太陽(yáng)大約誕生于45億年前，它是星云內(nèi)部因?yàn)橐ξe而坍縮形成的一顆恒星。太陽(yáng)質(zhì)量的70%為氫，其余大部分為氦，還有少部分重元素。從本質(zhì)上講，像太陽(yáng)這樣的恒星就是一個(gè)正在運(yùn)作的“核反應(yīng)堆”。但和人類的核反應(yīng)堆相比，太陽(yáng)的材料和原理則不太相同。太陽(yáng)的主要物質(zhì)為氣體，而太陽(yáng)上的氣體不同于我們所認(rèn)知的形態(tài)。在太陽(yáng)上，溫度異常的高，核心達(dá)到了驚人的1500萬(wàn)攝氏度，外表也有6000攝氏度，在這種極端條件下，物質(zhì)無(wú)法以原子或分子的形態(tài)存在，原子核外的電子將不再繞核旋轉(zhuǎn)，而是和原子核攪在一起，于是便形成了介于固體、液體、氣體的第四種形態(tài)——等離子態(tài)，也被形象地稱為“離子湯”。
就在這時(shí)，奇妙的現(xiàn)象發(fā)生了！處于核心部位的在高溫和高壓之下，四個(gè)氫核合體，聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核，并同時(shí)釋放出巨大的能量。根據(jù)科學(xué)家計(jì)算，每秒鐘有質(zhì)量為6億噸的氫元素經(jīng)過(guò)熱核聚變反應(yīng)為5.96億噸的氦，并釋放出相當(dāng)于400萬(wàn)噸氫的能量，正是這巨大的能源帶給了我們光和熱，但這損失的質(zhì)量與太陽(yáng)的總質(zhì)量相比，卻是不值一提的。在產(chǎn)生光和熱之外，太陽(yáng)無(wú)時(shí)無(wú)刻都在向宇宙中拋撒著大量物質(zhì)，這便是“太陽(yáng)風(fēng)”。
所謂的“太陽(yáng)風(fēng)”，是天文學(xué)界對(duì)太陽(yáng)射出的超高速等離子體流的形象說(shuō)法，其形成原理是在太陽(yáng)高溫的日冕之下，氫、氦等原子被電離為帶正電的質(zhì)子、氦原子核和帶負(fù)電的自由電子。這些離子流運(yùn)動(dòng)速度極快，每小時(shí)可達(dá)一百多萬(wàn)公里，它們擺脫太陽(yáng)的引力奔向茫茫的宇宙深處。當(dāng)與地球的磁場(chǎng)相遇時(shí)，便形成了絢麗的極光。
絢麗的極光
極光，西方人稱其為“歐若拉”（Aurora），是羅馬神話中的“曙光女神”。它是產(chǎn)生于兩極的高緯度地帶一種大規(guī)模放電發(fā)光現(xiàn)象，也是大自然最神秘的奇觀之一。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)奔襲1.5億公里后到達(dá)地球，會(huì)與地球的大氣層相撞，并將大氣中的氧、氮原子電離，并以可見(jiàn)光的形式釋放出能量，氧原子釋放出綠色，氮原子釋放出紅色，美麗的極光就這樣產(chǎn)生了。讓我們用北極光展品來(lái)體驗(yàn)一下，按下按鈕，真空機(jī)運(yùn)作，玻璃罩內(nèi)的空氣變得稀薄，就像高空稀薄的大氣一樣。同時(shí)高壓電極通電，會(huì)迅速電離空氣分子或原子，從而產(chǎn)生絢麗的光輝。但問(wèn)題是為什么只有兩極的高緯度地帶才會(huì)有極光呢？這就要提到地球的磁場(chǎng)。
天然的屏障
地球其實(shí)就是一塊大磁鐵，同樣具有南北兩極。但不同的是，地球的磁極和地理上的地極是相反的。意思就是說(shuō)，地磁南極在地理的北極附近，而地磁北極在地理的南極附近，所以指南針的北極指向北方因?yàn)楫愋韵辔?。地球磁?chǎng)產(chǎn)生的磁力是有方向的，總是從地磁的北極指向地磁的南極，形成一條磁感線。通過(guò)磁力線這個(gè)展品，我們可以看到，但按下按鈕，中心的永磁體會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而周圍的小磁針也會(huì)隨著一起動(dòng)，并總是按照一定的順序排列，即小磁針的北極會(huì)指向永磁體的南極，在永磁體內(nèi)部磁力線從南極指向北極，這樣內(nèi)外會(huì)形成一條閉環(huán)的曲線。磁力線其實(shí)又叫磁感線，這個(gè)概念最早由著名科學(xué)家邁克爾·法拉第引入。磁感線是為了形象地研究磁場(chǎng)而人為假想的曲線，并不是客觀存在于磁場(chǎng)中的真實(shí)曲線。
正是因?yàn)榇鸥芯€的存在，“太陽(yáng)風(fēng)”無(wú)法穿透磁層，只能順著磁感線的方向流向兩極地帶，在兩極磁感線的縫隙中鉆入大氣層形成極光。我們要知道，太陽(yáng)的高能離子流具有很強(qiáng)的電離作用，它可以很輕松剝奪物質(zhì)的電子。對(duì)于生物體來(lái)說(shuō)，電離會(huì)損壞DNA,造成組織變異或壞死?！疤?yáng)風(fēng)”所引發(fā)的“磁暴”還會(huì)對(duì)地球上通訊設(shè)備和人造衛(wèi)星造成致命的損害，地球的磁場(chǎng)就是我們天然的保護(hù)屏障。而我們的鄰居火星，則沒(méi)有這么幸運(yùn)。
火星上發(fā)生了什么
據(jù)多輪火星探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，40億年前的火星可能和地球一樣適合人類居住。但后來(lái)發(fā)生了什么？為什么火星變成了一顆死星？罪魁禍?zhǔn)拙褪恰疤?yáng)風(fēng)”。當(dāng)太陽(yáng)發(fā)出的等離子體帶電粒子流吹向火星大氣，太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子可能與大氣中的分子發(fā)生碰撞。碰撞的結(jié)果是，氣體分子丟失電子，成為帶正電荷的離子。這時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)帶來(lái)的電場(chǎng)使離子加速，逃離火星大氣。該過(guò)程稱作離子逃逸。相比較火星，地球因?yàn)橛写艌?chǎng)的保護(hù)使太陽(yáng)風(fēng)帶來(lái)的高能粒子流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，保護(hù)了地球大氣。但即便如此，地球上空的大氣每年會(huì)因?yàn)椤疤?yáng)風(fēng)”的電離作用損失10萬(wàn)噸之多，當(dāng)然，你不必要為此擔(dān)心，地球上的生物和地層之下會(huì)重新產(chǎn)生大量氣體作為補(bǔ)充。但火星上的磁場(chǎng)又是如何消失的了？
地球磁場(chǎng)之謎
中國(guó)北宋的著名科學(xué)家沈括，在他的著作《夢(mèng)溪筆談》中記載磁偏角現(xiàn)象，這應(yīng)該最早關(guān)于磁場(chǎng)的記載。在隨后的幾百年中，磁現(xiàn)象被作為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科進(jìn)行研究，直到19世紀(jì)的1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)在通電的導(dǎo)體周圍存在著磁場(chǎng)，從而知道了電和磁相互依存的關(guān)系。安培認(rèn)為由導(dǎo)體中電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性和電流的流動(dòng)方向有關(guān)，即電流的方向始終垂直于磁場(chǎng)的方向，它服從右手法則。隨后，在法拉第和麥克斯韋等科學(xué)巨匠的努力下，經(jīng)典電磁理論被創(chuàng)立，電和磁成了一對(duì)不可分割的“好伙伴”。
當(dāng)你體驗(yàn)鐵釘搭橋這個(gè)展品時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它兩端有兩個(gè)鐵芯，外圍纏繞著銅線。在不通電的情況下，沒(méi)有任何磁現(xiàn)象。當(dāng)按下按鈕，倒計(jì)時(shí)開(kāi)始，通電的線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，迅速將鐵芯磁化，這樣就可用鐵釘進(jìn)行搭橋。30秒后電源自動(dòng)關(guān)閉，磁現(xiàn)象消失，鐵釘散落。難道地球的磁場(chǎng)也是電流產(chǎn)生的嗎？
地球存在磁場(chǎng)的原因還不為人所知，普遍認(rèn)為是由地核內(nèi)液態(tài)鐵的流動(dòng)引起的。最具代表性的假說(shuō)是“發(fā)電機(jī)理論 ”。在地球表面下約2800公里處，地核的液態(tài)外核在不斷流動(dòng)，為無(wú)形的地磁場(chǎng)提供了動(dòng)力。翻滾的導(dǎo)電巖漿產(chǎn)生了電荷，而這些電荷決定了磁極的位置，并形成了無(wú)形的磁力線，這種磁場(chǎng)被稱為地球發(fā)電機(jī)。雖然早期火星也擁有像地球這樣的全球性磁場(chǎng)，但是火星體積只有地球的15%，比地球小得多，因此火星地核冷卻的比地球快，地質(zhì)活動(dòng)趨緩，磁場(chǎng)消失。不過(guò)，地磁場(chǎng)平均每幾十萬(wàn)年就會(huì)發(fā)生一次地磁逆轉(zhuǎn)，即磁北極和磁南極突然互換位置。上一次發(fā)生這種情況大約是在78萬(wàn)年前，稱為布容尼斯-松山逆轉(zhuǎn)。據(jù)此我們不難理解，為什么沈括會(huì)發(fā)現(xiàn)地磁偏角現(xiàn)象。
從太陽(yáng)到極光再到磁場(chǎng)，無(wú)一不是大自然的造物之主創(chuàng)造的奇跡。人類崇拜自然，同時(shí)也對(duì)自然充滿了好奇與向往，因?yàn)榇笞匀毁x予了我們生命，為我們創(chuàng)造諸多奇觀，也給我留下了太多的謎題。隨著科學(xué)的發(fā)展，將會(huì)有更多的自然規(guī)律被人類揭秘和掌握，但敬畏自然是人類最該有的態(tài)度，因?yàn)檫@是我們共同的家園！
