科普花园 您当前所在位置:首页 > 科普花园
太阳——地球上一切生命的主宰
    时间:2013-9-5     点击率:29108

 

     太阳——地球上一切生命的主宰

    林烈

    自古至今,人类一直在内心深处对太阳怀有无限的崇敬,世界上的许多民族都有关于太阳神的传说。在我国四川三星堆的发掘中,曾经出土过一颗高达数米的青铜太阳神树,它反映了三千多年前,我国先民对太阳那种至高无上地位的崇拜。


    三星堆青铜神树

    现代科学告诉我们,太阳对地球上的生命来说,的确非常重要。大家都知道地球上生命的三要素是:阳光、空气和水。如果没有太阳,地球无疑便是一个了无生机、荒凉、死亡的世界。事实也表明,太阳对地球上一切生命的生存握有生杀大权,它的一点微小变化都会影响到地球上物种的生存环境。所以说太阳是我们地球上一切生命的主宰。
    太阳的质量占整个太阳系质量的99.9%,太阳系内的八大行星及一些小天体都在围绕太阳旋转,从这一点来说,太阳名副其实是我们太阳系里的中心,是太阳系中所有成员的“家长”。


    银河系

    宇宙中大约有4000亿个星系,银河系只是其中的一员。银河系中有2000亿颗恒星,太阳只是其中一个平常的成员。银河系是一个旋涡星系,中心部位较厚,边缘较薄,尤如一个“大铁饼”,外围还有四条旋臂,我们的太阳系就位于其中的一条旋臂上。在这个“大铁饼”内,聚集着大量的恒星。科学家认为,在银河系的中心还隐匿着一个巨大的黑洞,银河系中的所有恒星就是靠这个黑洞的巨大引力,聚在一起,并围绕着中心不断地旋转。银河系的直径大约有十万光年,太阳距银河系中心的距离约2.5万光年。
    太阳是宇宙中的第二代恒星,它形成至今已过去了46亿年。太阳系是由八颗行星组成的大家族,我们的地球是其中之一。经过46亿年的演化,太阳系从最早的一片宇宙尘埃,变成了现在的模样。太阳位居正中,不断发出光和热,温暖及照亮它的八颗行星。从内向外,这八颗行星分别是:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星及海王星。我们人类就居住在这颗称为地球的行星上。从现在我们所掌握的知识来看,地球是太阳系中唯一存在高级生命的星球。


    太阳及其八大行星

    古代,人们还未掌握足够多的天文知识,不过当时的人们就已意识到,太阳也许是一个熊熊燃烧的大火球,但太阳上究竟在燃烧什么东西,使它可以如此经久不熄?人们猜想着各种各样的可能,根据我们地球上的生活经验,太阳是否也在燃烧各种枯草树枝?但这些东西不太耐烧,不可能维持那么长的时间。后来当地球上的人们发现了煤,因此有人就想象太阳可能是个大煤球,煤比那些枯草树枝要耐烧得多,但科学家作些简单计算就发现,如果太阳是个大煤球,用不了两千年也就烧完了,而太阳的历史显然比两千年长得多。十九世纪,热力学得到了长足的进步,在这方面很有建树的德国物理学家赫姆霍兹曾提出,太阳是依靠引力收缩来产生热量。根据这个理论,他估算出,太阳的年龄为2000万年到4000万年。当时,另一位英国物理学家汤姆孙,根据这一原理,算出了太阳的寿命约5亿年。我们再来看看地球的年龄究竟有多大?根据达尔文物种进化理论的推测,地球的年龄应该有几十亿年。地球物理学家根据对地质地层的考察研究,得出的结论是:地球的年龄至少为46亿年。从我们现在所掌握的知识来看,这个数据基本合理。作为太阳系“家长”的太阳,它的年龄当然不会比地球的年龄小。那么,太阳靠燃烧什么来维持如此长的时间?人们在很长时间里找不到关于这个问题的正确答案。
    上世纪初,爱因斯坦发表了他那个著名的相对论,提出了有名的质能公式:
    E=mc2
    上式中,E代表能量,m代表质量, c代表光速。
    上式表明了能量和质量之间的关系,质量可以转化为能量,能量也可以转化为质量。正如爱因斯坦自己所说,每一个原子都是一小撮能量。上式的内涵揭示出了核能的秘密。上世纪二十年代,英国的爱丁顿提出了一个假设,太阳内部,正在进行着氢的聚变反应,太阳是靠核能来维持长期的能量平衡。从而揭开了太阳这盆大火能经久不熄的秘密。
    现在我们对太阳上所发生的基本过程已有了一个较正确的认识。太阳和我们的地球不同,它主要由氢元素组成,太阳是通过氢的核聚变反应来不断产生热量,这和我们制造的氢弹及可控核聚变装置中发生的过程是一样的。在太阳的核心区域,不断在进行着一个核聚变反应,在这个反应中,四个氢原子核聚变成一个氦原子核,同时释放出两个正电子及两个中微子。
    4P(质子)→

    4He(氦) +2e+(正电子)+ 2v(中微子)+19.78Mev(兆电子伏特)

    这个过程由下面的三个反应组成:

    P + P → 2H (氘)+ e+ + V

    2H + P → 3He(氦-3)

    3He + 3He → 4He + 2P

    上面第一个反应表示,两个氢原子核聚变成一个氢的同位素氘,同时放出一个正电子,一个中微子。第二个反应表示,一个氘核和一个氢原子核聚变生成一个氦的同位素氦-3(3He ),第三个反应表示,两个3He 最终聚变成一个氦的原子核,同时放出两个质子。
 

    
太阳

    太阳不断向四面八方释放出来的巨大热量就来自上述的核聚变反应。这样,长期以来人们心中的疑问已得到了解答。
    但细心的人可能会发现,这里面还存在一个大问题:为什么我们制造的氢弹在反应时是瞬间发生爆炸,在极短时间内放出所有的能量,而太阳上的核反应却如此温和、如此细水长流,在几十亿年中都没有太大的变化,如果太阳也是和我们制造的氢弹一样,它岂不瞬间就要被炸得四分五裂,太阳也早就不复存在了。看来这里面还有一些问题需要我们做出解释。
    实际上氢弹核聚变和太阳所发生核聚变的核燃料不同,氢弹的核燃料是氢的同位素氘(2H)和氚(3H),而太阳上的核原料为氢原子核(1H)。从前面的反应式可知,太阳上核聚变需要将四个氢的原子核,聚变成一个氦的原子核,这个过程得分三步进行,其中最困难的是第一步,两个氢原子核聚变成一个氘,在这个过程中有一个质子要转变为中子,同时释放出一个正电子。质子是构成物质世界的基本“砖块”,也是最稳定的,它极难衰变成其它粒子,否则也由质子构成的你、我,可能都不会出现在这个世界上。从一个质子衰变变成一个中子的过程大约需要1032年。科学家曾经在地下深处设计了一种装置,用来开展质子衰变的试验,但一直没有观察到质子发生衰变的可信结果。正是由于质子的这种非同寻常的稳定性,使得太阳上的聚变反应显得异常缓慢,也保证了太阳能够在几十亿年内一直稳定地燃烧,不断为地球提供光和热。也许有人会说,既然质子变中子需要非常非常长的时间,那为什么太阳还在不停地进行聚变,不断地散发出热量呢?这是因为太阳的体积及质量都非常大,太阳的质量大约为2×1033克,一个质子的质量为1.67×10-30克,因此太阳中约有1.2×1063个质子。这样,虽然单个质子发生聚变反应需要非常长的时间,但由于太阳中存在数目巨大的质子数,在某一时刻,总有许多质子在发生反应,并放出热量。据估计,每一秒钟内,太阳能把7亿吨氢聚变成6.95亿吨氦。这个过程中亏损的500万吨则转化为了能量。这些能量相当于引爆1000亿颗百万吨级的核弹。
    氢弹所使用的核原料为氘-氚或氘-锂,在这种聚变反应中不存在质子转变为中子的过程,因此反应非常迅猛,当核燃料一到反应温度,就会瞬间发生爆炸,释放出巨大的能量。
    太阳内部的这个反应过程会一直进行下去,直至燃料耗尽。到那时,地球上的一切生命都将灰飞烟灭。不过那一天还非常遥远,我们大可不必为此而担心。
    作为“家长”的太阳,为我们地球提供了光和热,也为地球提供了一个舒适的环境。有些参数是如此地却到好处,使我们不得不感叹人类之幸运。
    太阳的质量不大不小、却到好处。如果它的质量太大,它的燃烧速度就会太快,较大质量的恒星,一般的寿命只有几千万年,这样的寿命,不足于使围绕它的行星上进化出生命来;如果太小,又不足于引发核反应,那时它也就不可能为我们带来光和热。


    从太空中鸟瞰地球上灯火璀璨的夜晚

    太阳离我们地球的距离也是不远不近,刚刚好。如果再近一点,如地球的邻居金星,它表面的温度太高,如果地球也处于金星的位置,地球上的海洋就会沸腾,一切生命都会消失。太远了,地球终年是一个冰封世界,即使北极熊也无法生存。
    太阳在建造太阳系大家庭时,也为我们的地球“设计”了一个很合理的运行轨道。我们地球围绕太阳转动的轨道虽然也属椭圆轨道,但偏心率仅为2%,所以地球的轨道接近圆形。如果是一个偏心率很大的椭圆轨道,我们地球围绕太阳转动的速度就会时快时慢,我们离开太阳的距离也会有时很近,有时又很远。如水星的轨道偏心率为20%,它在近日点和远日点的温差达200oF,如果我们地球的轨道也有那么大的偏心率,地球的环境将变得非常恶劣,一切生命很难存活。
    还有值得我们庆幸的是,太阳是宇宙中的第二代恒星,在第二代恒星及其行星中已有了各种重元素,我们地球上有多达100多种元素,正因为地球上有如此丰富的元素,为生命的诞生创造了条件。而在第一代恒星中,主要成分为氢和氦,及少量的锂。由于这样的恒星系统中没有生命所必须的氧、碳、氮等元素,在它的行星中是不可能产生生命的。

    太阳系诞生时还为我们地球“找”了一个伴侣——月球。如果没有月球,我们地球上的气候环境将会恶劣得多。地球的黄道和赤道平面之间有一个23度27分的夹角,由于地轴和黄道之间这个倾角的存在,使地球上产生了有规律的四季气候变化。如果这个倾角不能保持稳定,那么地球上各地的气候就会变化无常、毫无规律,洪水飓风、酷热干旱、冰封严寒等恶劣的天气将会在地球上任何地区无规律地出现,地表的植物、动物及我们人类都将无所适从,大部分生物都将陷入生存危机。而月球环绕地球的公转,对保持地轴方向的稳定起着决定性的作用,如果月球消失,地轴就会出现摆动,甚至翻转,那时地球上的一切都将面目全非。

    在我们太阳系的行星中还有一位老大哥——木星,木星的质量是太阳系的行星中最大的,它的质量是地球的318倍,达到太阳质量的千分之一,在形成太阳系时,“家长”太阳把木星的轨道“安排”在我们的邻居火星的外面。这个“安排”对我们地球极为有利。在太阳系形成早期,太阳系内还残留有许多垃圾:如小行星、流星及各种碎片。经过长时间的“清扫”,才有今天较干净的太空环境,这些残余物的“清扫”,木星功不可没。正是由于木星的巨大引力,将这些垃圾甩向了外太空,给了我们地球一个较干净的运行环境,如果我们地球四周充斥着小行星及各种宇宙碎片,它们时不时要到访我们地球,地球就不会像现在这样生机勃勃、到处都有各种动植物繁衍生息。6500万年前,一颗直径为10公里的小行星撞击了地球,使地球上极大部分生命毁灭,那些统治地球达一亿多年的恐龙也从此消声灭迹。现在火星和木星的轨道之间,还有一个小行星带,在那里还有数千颗小行星,不过它们离我们地球较远,对我们没有多大威胁。


    位于火星及木星之间的小行星带

    2012年12月13日,我国“嫦娥二号”飞船,
    在离地球700万千米的太空深处拍摄到的“战神”小行星

    太阳虽然为我们地球提供了各种优越的条件,但是,它也有“发脾气”的时候。人类很早就已观察到太阳表面会周期性地出现黑子,伴随黑子的活动,太阳表面会有耀斑出现。在此期间,太阳就会发射出比平时多得多的各种粒子,这种强烈的太阳风暴,会使地球的磁场发生激烈的变化,从而影响地球上的各种通讯及电力系统。它会破坏我们的通讯卫星、导航卫星及地面上的许多电力设备。如1989年3 月的一次强烈的太阳耀斑活动,损坏了许多在轨的卫星,同时使北美地区的许多电力设备被烧毁,造成大面积停电,好几天后,才恢复供电,经济损失达数十亿美元。太阳黑子的活动也会直接影响地球上的气候,对地球上的各种生命的生存环境产生严重影响。
    虽然,太阳有时候显得脾气“暴躁”,严重影响地球上人类及各种生物的生存,但从总体上来说,我们人类要感谢太阳系为我们提供了一个如此优越的外部环境。在天文学家已观察到的天体中,很少有地球这样适合人类居住的星球,可见我们眼前的一切多么来之不易。不过,地球上的生物圈也很脆弱,如果我们不加保护,肆意毁坏,那么,总有一天,人类会追悔莫及。
    好好爱护我们得天独厚的家园——地球吧!