太陽科學: 一千五百萬度的探索之旅 | 誠品線上

15 Million Degrees: A Journey to the Centre of the Sun

內容簡介

內容簡介 囊括你我鍾愛的一切。這不是萬有理論。這是太陽科學。不是燃燒，並非火球。更別說「太陽底下沒有新鮮事」！太陽距離地球一億五千萬公里，核心有一千五百萬度，它的活動更是宰制了全太陽系的命運——自形成之初，地球複雜生命體的出現，到恆星壽命的盛大終結。太陽不只發射耀眼光線，更是一種隱形奇觀的起源：太陽風，由磁場挾帶的電離粒子，以每秒數百公里的高速擴張，像一層透明的球體，壟罩到冥王星軌道之外數倍的距離——太陽的勢力圈，無遠弗屆。而太陽的影響則近在眼前，地球生物幸運受地球磁場與大氣的保護，能倖免於太陽拋出的高能輻射的侵襲。但人類若想如伊隆．馬斯克與史蒂芬．霍金的遠見般，踏出地球的舒適圈，擴張成跨行星文明：無論是重返月球、移民火星，或到小行星帶採礦，就得先摸清太陽善變的脾氣──「太空天氣」，才能規劃平安旅程。老祖先看待太陽的眼光是直覺、詩意且天真的。但近代物理的突飛猛進，解答了天文學家長久以來觀測到的現象，往日的困惑疑難也漸露曙光。我們對太陽這顆「單純的大火球」也徹底改觀，變得科學且精準，原來太陽深具「內涵」更兼具神祕之美。本書《太陽科學：一千五百萬度的探索之旅》作者葛琳，就是致力運用先進的太空科技（和一些匠心獨運的老科技）來一層層揭開太陽之謎的一名天文物理學家。或是如他們比較愛自稱的：太陽科學家。集結整個科學界之力，我們如今明白了太陽核心如何進行核融合（這人類夢寐以求、試圖在地球上模倣的潔淨能源），但在那兒產生的光子卻命運坎坷，要在煉獄一般的稠密內部，歷經十七萬年的隨機衝撞才能逃脫；太陽的磁場更是最嘆為觀止的研究題材，強大、多變又複雜。神出鬼沒的太陽黑子、擾亂彗星尾巴的太陽風，甚至太陽系中最大的爆炸：太陽閃焰與日冕物質拋射，磁場都是幕後的元兇。就在人類越來越理解太陽的過程中，太陽仍不時發出突襲的怪招，更加令人迷惑卻也感到無比新奇。 雖然在充滿奇觀的廣袤宇宙中，客觀上太陽是顆各項條件中庸的恆星。但值得強調的是，也正是因為如此，複雜的生命現象、以至於能理解太陽自身的高等智慧才得以在地球上出現。人類的無盡好奇心，終究讓太陽獨一無二了起來！圍繞太陽科學，本書精心帶領讀者循序漸進、激盪腦力，一覽這顆恆星的美麗與狂野、浩瀚與簡潔。

作者介紹

作者介紹 ■作者簡介葛琳（Lucie Green）天文物理學家，任職於倫敦大學學院穆勒太空科學實驗室，專精太陽物理。她經常於BBC科學節目《觀星現場》、《今日》、《無限猴籠》、《BBC早餐》和《仰望夜空》節目中與觀眾、聽眾分享和解說最新的天文資訊。葛琳曾與NASA等太空機構合作，並參與ESA的「太陽軌道載具」（Solar Orbiter, SolO）計畫，此計畫將發射一具繞太陽運行的探測器，逐漸將它調動到比水星更接近太陽軌道上進行觀測。2009年，葛琳獲頒皇家學會的Kohn獎，以肯定她傳播科學、提升公眾科學認知的貢獻。目前葛琳是倫敦科學博物館諮詢委員，以及大眾天文協會的首席天文學家。■譯者簡介吳鴻從事資訊業，曾兼任講師、口譯員、廣播節目主持人、網站管理員。譯有《布羅卡哪裡去了？》、《化身博士》、《物理之演進》、《夏之門》、《滾石家族遊太空》、《ＩＣ雙雄》、《葛洛夫給你的一對一指導》等書。

產品目錄

產品目錄 作者序第一章 光︰不要相信你的眼睛第二章 恆星能源第三章 太陽一家親第四章 光子的祕密生活第五章 太陽黑子第六章 自轉的太陽，出擊！第七章 活力太陽第八章 日食與彩虹第九章 星際旅行者第十章 太空時代第十一章 閃焰之必要第十二章 日冕物質拋射第十三章 生活在太陽的大氣裡第十四章 然後呢？結語 我們的獨特太陽致謝附錄：如何安全觀日名詞解釋中英名詞對照暨索引

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試閱文字

內文 : 第十三章 生活在太陽的大氣裡



阿波羅任務教我們的一課



　　太空人是現代的英雄，見到太空人是一種榮幸。他們的成就，以及他們的見聞，讓他們與眾不同，成為不平凡的人，有不平凡的故事。但在他們之中，還有特別的一群，令人打從內心最深處肅然起敬：去過月球的阿波羅太空人。他們冒險穿過三十八萬四千公里的太空，在月球表面漫步，成為極少數曾經踏上太陽系另一個天體的人。本書這個關於太陽的故事，阿波羅太空人是其中一個關鍵，因為我們需要最尖端的太陽物理學知識，才能確保太空人的安全。NASA當年就知道，太陽活躍的時候可能對他們造成某種威脅。今天，這同樣的威脅，可能對我們所有人造成影響。

　　很遺憾，第一位登上月球的太空人阿姆斯壯（Neil Armstrong, 1930-2012）已經逝世。但第二個登月的艾德林（Buzz Aldrin, 1930-）仍然在世，我很榮幸能親自見到他。當時，我是BBC科普節目《仰望夜空》（The Sky at Night）的主持人之一，他是我們節目的來賓，當然，在錄影的時候，以及錄影前後，每個人都想找他說話，問他在阿波羅十一號的經歷。從月球看到的地球是什麼模樣？月球的景觀是什麼模樣？農神五型火箭發射的感覺怎麼樣？但是，對我來說，見到艾德林，就得趁機問問另一件事：在太空中，閉上眼睛的時候，他看到了什麼？

　　你看，艾德林與同期的太空旅客，屬於第一批離開地球大氣的保護，前往地球磁場邊緣的人類，而大氣與磁場共同保護我們，阻隔太空的各種危險。因為，雖然「太空」幾乎就像顧名思義的那麼空，但還是有一些高能粒子飛來飛去：原子核，多半是單個的質子，在太陽系到處奔馳，速度快得接近光速。阿波羅太空人屬於史上最先直接體驗「太空天氣」的人，因為這些粒子如雨般灑落在他們身上。

　　這些高速、高能的粒子，是在一九一二年的一次氣球飛行，上升到五公里以上的高度才發現的。今天，我們知道，這些「宇宙射線」可以大致分為兩種：「外來」或「本地」的。「外來」射線發源於我們的太陽系之外，在超新星爆炸的時候，粒子被加速到非常高的速度，行進了很長的距離才抵達地球。這些是長途旅行者，來自我們龐大星系（銀河）的遙遠地點。其他宇宙射線更接近「本地」，來自太陽偶爾產生的爆發，屬於閃焰與CME的副產品。

　　兩種宇宙射線粒子有很多受到太陽或地球的磁場影響而偏轉，否則就是與我們的大氣發生碰撞，因而四分五裂成無數帶有更小能量的粒子。其中極少數成功到達地球表面的粒子，貢獻的放射性不至於造成健康風險。通常只會無聲無息地通過我們的周遭，不被人注意到。除非你有一個特製的槽，內部充滿過飽和的酒精蒸氣——稱為雲霧室（cloud chamber）——才會讓宇宙射線現形。射線通過蒸氣的時候，將會使少部分分子帶電荷，導致一些液滴凝結出來，沿著粒子行經的路徑留下一道縹緲的雲霧。但是，使用雲霧室，你會看到的多半是那些較小的粒子一陣掠過之後留下的軌跡，也就是宇宙射線抵達大氣層之後產生的無數較小粒子，而不是原來的宇宙射線粒子。長久以來，我一直渴望在我的茶几上建一個雲霧室，提醒自己這些粒子一直在我們周圍。

　　前往月球的路上，艾德林會接觸到來自銀河系四面八方的宇宙射線。那麼，他就有可能曾經直接看過這些射線。我曾經聽說，如果宇宙射線到達你的眼睛，可能會與你的視網膜產生交互作用，導致你看到閃光。幸好我有機會向艾德林問起這件事，在電視錄影現場，而且在錄影之後問得更詳細。我們的太空實驗室也會協助打造下一艘送往火星的登陸器（ESA的火星探測計畫 ExoMars 任務預定於二○一八年發射），這是艾德林很關心的主題，所以，雖然其他幕前幕後的夥伴都聚攏過來，也想要找他說話，但我還能短暫抓住艾德林的注意，談論「紅色行星」的未來計畫。

　　他確實親眼看到了宇宙射線！聽到艾德林描述他看到的閃光，他原本以為那是太空船內部的什麼東西發出的，令人覺得很奇妙。他先是在夜晚休息時看到，第二天醒來，他問同組夥伴有沒有看到同樣的情況。柯林斯（Mike Collins, 1930-）說沒有，阿姆斯壯說他看到一百個左右。艾德林暗示，阿姆斯壯的個性爭強好勝！下一組阿波羅太空人接到指示，到了夜間，眼睛適應黑暗之後，要注意有沒有這些閃光，後來，他們也看到了。

　　但是，NASA早已知道這種太空輻射——即使並不知道阿波羅太空人會用肉眼看到。那些閃光是很新奇的現象，而且就算到現在也是值得一提的故事，但NASA知道，如果太空人要成功登陸月球，而且健康返回地球，就需要妥善防護，避開這些粒子。宇宙射線其實是危險的遊離輻射（ionizing radiation，能量足以破壞化學分子結構的射線），倘若太空人接觸的劑量夠高，可能會留下一些問題，例如輻射病，甚至罹患癌症。

　　艾德林當時看到的，很可能是來自我們銀河系的宇宙射線。NASA更擔心的是來自太陽的宇宙射線，我們將這些本地宇宙射線稱為「太陽高能粒子」。這些就像艾德林感受到在眼前飛掠而過的東西，屬於同一類的粒子，但數量就有天壤之別了。艾德林感受到的是毛毛細雨，而太陽高能粒子事件會是一場傾盆大雨。倘若阿波羅太空人遇到那樣的傾盆大雨，最嚴重可能會致命。

　　所以，在阿波羅任務期間，NASA有眾多望遠鏡組成的網路監測太陽，而且有輻射專家在任務控制中心的太空環境工作台。他們注意是否有太陽閃焰，因為當時知道的大規模太陽活動只有閃焰。日冕物質拋射，以及它可能產生大量高能粒子的後果仍然有待發現。

　　然而，即使這些粒子對前往月球的人可能造成傷害，但少數幾個人的健康風險，經過權衡，怎麼也比不上國家的政治利益，只要能夠搶先第一個走在月球表面上。而且，太陽高能粒子只是他們面臨的許多風險之一。所以，雖然阿波羅任務發射於第二十太陽週期的極大期，才要進入減弱的階段，那時候，閃焰可能頻繁發生，但他們還是決定執行任務。

　　事後看來，阿波羅太空人接收到的高能粒子劑量很小。而且，在任何任務期間，都沒有發生太陽高能粒子事件，所以，還好太空人不必應付可能發生的最惡劣狀況。但是，在任務與任務之間，有很多次粒子事件發生，例如倒數第二個與最後一個任務（讓塞爾南［Eugene Cernan, 1934-2017］成為登月最後一人的任務）之間。這是太空時代記錄到最大的粒子事件之一。回顧過去，以我們現今的知識來看，這種情形似乎可能造成太空人得到中度輻射病。NASA沒有安排任務在那個時段進行，純粹是運氣使然，因為當時並沒有任何辦法預報這些事件，現在仍然沒有。

　　太陽活動的衝擊，不只關係到去過地球大氣上方的少數幸運兒。今天我們知道，一直到地球，甚至到地球表面下，都能感覺到太陽活動帶來的影響。而且，引發惡劣太空天氣的主要因素並不是太陽閃焰，而是日冕物質拋射，在阿波羅計畫的時代，甚至還沒被發現。情況已經大幅改觀，今天，對我們的太空天氣做每日預報，已經成為現代社會的一項重要環節。



維多利亞時代的太空天氣



　　一八五九年的卡靈頓事件，仍然是我們說明極端太空天氣風暴的最佳範例。事件發生的時代，科技已進步到可以發現事件對地球的影響，但對我們還沒重要到足以造成社會陷於癱瘓。最近，英國皇家工程科學院（Royal Academy of Engineering）研究，倘若現代發生像一八五九年規模的事件，可能造成什麼樣的衝擊。研究發現，影響可能極為重大，但最重要的是，我們應該力求做好準備，而不是驚慌憂慮。

　　倘若再次發生類似一八五九年規模的太陽風暴（並且正面擊中地球），早晨醒來，你看不到任何明顯的徵兆，示警即將發生的事：日出看起來完全正常。與卡靈頓與霍吉森目睹閃焰那一天的確切時間相似，到了上午十一時十八分，閃焰正在進行，但地球還沒發生什麼太嚴重的事。然而，在太陽上，有些能量原本儲存在太陽黑子群的磁場裡，卻被釋放出來，轉換成粒子加速的動能，向下衝到光球層。在那裡，粒子與高密度電漿產生交互作用，造成電漿迅速加熱，導致電漿發射可見光的光子。這道可見光需要八分鐘從太陽到地球，就像卡靈頓與霍吉森看到的那樣。倘若由於某種原因，你碰巧在白光下看著太陽，也許是因為你參加了本地天文社團的活動，你可能會發現這個突然爆發的亮光，但除此之外，沒有什麼值得注意的狀況。

　　雖然在一八五九年還沒有辦法被人看見，但熱電漿迅速膨脹，並且升高到上方大氣中的磁結構裡，發出強烈的X射線與紫外光。倘若在今天，我們會注意到，因為有衛星使用這些波長觀察太陽。在一八五九年的唯一徵兆，就是這些高能光子抵達地球高層大氣的時候，將那裡的氣體離子化，因而改變地球的電流與磁場。在喬城天文台的地磁觀測站，儀器偵測到地球的磁場有一些擾動的跡象。但相對於接下來發生的事，這只是小菜一碟。

　　此刻，就在你進行日常活動的時候，一場大規模的日冕物質拋射已經從太陽爆發出來，切斷原本的磁場繫繩，加速向外進入太空。日冕物質拋射已經從剛才也產生了閃焰的太陽黑子群發射出來，而且很接近太陽盤面的中心。所以，地球正好在火線上，首當其衝。

　　第一波襲擊來自一連串的高能質子，屬於NASA在阿波羅計畫時代就很注意的那種粒子。最快的日冕物質拋射疾馳而出，速度相對於太陽風高出很多，可能會穿過後者，因而形成衝擊波。在這樣的衝擊當中，粒子受到加速，甚至快到接近光速，大量質子如陣雨灑向地球。經過大約二十分鐘就會抵達地球。想想太陽的光只需要八分多鐘，這其實還好。沒有直接的證據顯示卡靈頓事件曾經產生有如陣雨的高能粒子，但參考現代的資料，這種規模的事件通常會有這種情況。

在這初始的騷動（雖然一般大眾不會注意到）之後，現在會有幾個小時的相對平靜。可是，接下來，在看到閃焰之後只過了十七個小時半，平均速度每秒兩千三百公里，向我們這裡飛奔而來的日冕物質拋射，將會猛力撞擊地球的磁場。這時，你會注意到有事發生了。

　　日冕物質拋射在一八五九年來襲的時候，喬城天文台的地磁儀爆錶，因為巨大的地磁暴開始了——這仍然是有記錄以來最大的地磁暴之一。地球磁場的快速變化產生了感應電流（法拉第當時已發現電磁感應的原理），流經那個年代的通信系統，也就是電報，營運商竟然可以切斷電池，使用這種天然的電力來作業。卡靈頓事件的影響與牽連甚廣，但當時的社會畢竟對電子科技的依賴不多，因此造成的破壞相當少。倘若發生在今天，情況可能就大不相同了。

　　人在家中坐，卡靈頓事件規模的CME與地球的磁場發生碰撞的時候，你絕對不想見到的狀況就是停電。一九八九年三月的清晨，有個移動非常緩慢的CME撞到地球磁場，加拿大首當其衝，魁北克電力公司（Hydro-Québec）的電力網承受了強烈的電壓波動。由於波動太大，觸發了電力網的防護系統，導致整個電力網不到兩分鐘就關閉了。結果就是，幾百萬人醒來發現沒電可用。那是寒冬的早晨，停電超過九個小時。缺乏電力供應推動社會，最終造成六十億美元的經濟損失。

　　一九八九年的這場事件彷彿敲響一記警鐘，提醒我們太陽對整個社會構成的威脅究竟可能有多大。皇家工程科學院的焦點主要放在英國，評估發現，現代卡靈頓事件可能導致某些地區的電力配送中斷，但也許只有偏遠地區，在供電網路的周邊才會受到影響。幸好，經過一九八九年的驚嚇之後，電力網一直在加強，能夠承受這種等級的太陽風暴。現實上，在英國，電力中斷很可能起因於其他極端天氣事件，例如大雪。在這些情況下，供電通常很快就能恢復。不過，有些國家並未做好充分的準備，可能就沒那麼幸運了。世界各地的電力網情況不同，有些較能承受太空天氣的考驗。

　　我們假設你住在電力網有充分準備，可承受CME的房屋。你可能會碰到短暫的停電，但情況不會太糟。遺憾的是，你頭上的衛星就沒那麼幸運了。皇家工程科學院的報告發現，現役中的整個人造衛星群可能有多達一成受到破壞，意味著我們生活中許多習以為常的事變成不可能。除此之外，由於衛星的信號透過電離層傳遞，這時候，電離層發生變化，意味著即使是正常運作的衛星，它們的收發訊也可能靠不住了。

　　衛星導航信號將會大幅減弱。銀行活動可能出錯，因為轉帳往往使用衛星導航信號提供時間戳記。航空公司可能決定整個機隊暫時停飛，因為電離層的變動將會導致無線電通信中斷，以及衛星導航失準。而且，最重要的是，帶電粒子威脅到飛機核心微電子裝置的功能運作，而且可能使乘客受到比平常還要高的輻射劑量，相當於經過三次胸腔電腦斷層掃描的X射線暴露。

　　在這一切陰霾籠罩下，倒是有一線光明：極光將會很壯觀。「極光」通常只發生在地磁南北極附近，但在大規模地磁暴期間，就會往赤道方向移動。在一八五九年九月一日的夜晚，北極光閃動著血紅色，而且非常明亮，英格蘭的人竟然不需要額外照明就能讀報。於是，你的衛星電視停止運作，航空公司取消你的班機，可能連你家裡都沒電可用，但是，至少你會目睹最壯觀的天文奇景。