(Sun) 2-1 前 言 是 銀 河 系 上 千 億 顆 恆 星 中 的 一 顆, 光 譜 型 屬 於 G2 直 徑 1,390,000 公 里, 質 量 1.989 10 30 公 斤, 是 系 中 最 大 的 星 體, 它 包 含 全 系 99.8% 以 上 的 質 量, 最 大 的 行 星 木 星 則 包 含 大 部 分 剩 餘 的 質 量 表 面 溫 度 約 6,000 K, 中 心 溫 度 更 高 達 2,000 萬 度 左 右 的 符 號 為, 它 象 徵 著 宇 宙 之 卵, 是 生 命 的 源 泉 在 許 多 神 話 中 被 人 格 化 (Personified), 希 臘 人 稱 為 赫 利 奧 斯 (Helios), 羅 馬 人 稱 為 索 爾 (Sol) Helios: 希 臘 神 話 中, 赫 利 奧 斯 (Helios) 是 神, 即 羅 馬 神 話 中 的 索 爾 (Sol) - 23 -
赫 利 奧 斯 (Helios) 索 爾 (Sol) 希 臘 神 話 中, 神 赫 利 奧 斯 (Helios) 駕 馭 著 一 輛 載 有 火 球 的 金 色 耀 眼 馬 車, 每 天 的 黎 明 祂 都 會 駕 駛 這 輛 馬 車, 循 著 固 定 的 軌 道, 繞 行 天 際 一 周 再 回 到 奧 林 帕 斯 山 (Olympus), 供 給 人 們 所 需 要 的 光 占 星 學 中, 代 表 著 個 人 的 活 力 能 力 權 力 父 親 老 闆 名 望 領 導 野 心 傲 慢 專 制 任 性 創 造 力 虛 榮 心 臟 眼 睛 2-2 觀 測 之 注 意 事 項 光 極 強, 所 以 絕 對 不 可 以 在 毫 無 任 何 保 護 裝 置 之 下, 以 肉 眼 或 望 遠 鏡 直 視, 否 則 視 網 膜 會 被 灼 傷 而 造 成 眼 睛 損 傷, 甚 至 永 久 失 明 以 下 幾 點 是 在 做 觀 測 時 須 注 意 之 事 項 ; 一 絕 對 不 可 利 用 肉 眼 直 視 二 絕 對 不 可 在 沒 有 減 光 或 減 光 不 足 的 情 況 下, 利 用 望 遠 鏡 進 行 觀 測 三 絕 對 不 可 透 過 燻 黑 的 玻 璃 舊 底 片 或 眼 鏡 等 進 行 觀 測 四 就 算 是 日 全 食 時, 也 不 可 進 行 上 述 的 行 動 五 望 遠 鏡 切 勿 裝 上 尋 星 鏡, 以 免 他 人 觀 看, 導 致 失 明 六 不 觀 測 時, 勿 把 相 機 或 望 遠 鏡 指 向, 並 須 將 鏡 頭 蓋 蓋 上 2-3 日 食 (Solar Eclipse) 由 於 月 球 軌 道 與 地 球 軌 道 ( 黃 道 面 ) 有 5 的 夾 角, 在 特 定 的 時 間 月 球 會 運 行 至 一 個 特 別 的 位 置, 令 月 球 及 地 球 連 成 一 線, 此 時 月 球 剛 好 遮 掩 了 的 光 球, 這 樣 便 形 成 日 食 - 24 -
的 實 際 大 小 比 月 球 大 400 倍, 但 月 球 在 天 空 上 的 大 小 ( 視 直 徑 ) 卻 與 相 近, 這 是 因 為 月 球 與 地 球 的 距 離, 剛 好 比 與 地 球 的 距 離 近 400 倍, 距 離 的 因 素 使 得 兩 者 在 地 球 上 觀 看 的 大 小 差 異 互 相 抵 消 1999 年 8 月 11 日, 俄 羅 斯 和 平 號 太 空 站 (Mir Space Station) 上 所 拍 攝 到 日 食 發 生 時, 月 球 影 子 落 入 地 球 表 面 的 照 片 1999 年 8 月 11 日 2003 年 11 月 23 日 日 食 的 種 類 日 食 共 分 為 三 種, 包 括 日 全 食 日 偏 食 與 日 環 食 日 全 食 : 完 全 被 月 球 遮 住 時, 稱 為 日 全 食 (Total Solar Eclipse) 日 偏 食 : 只 有 被 月 球 遮 住 一 部 份 時, 稱 為 日 偏 食 (Partial Solar Eclipse) 日 環 食 : 月 球 在 遠 地 點, 只 遮 住 中 心 部 分 時, 稱 為 日 環 食 (Annular Solar Eclipse) 日 全 食 (Total Solar Eclipse) 日 環 食 (Annular Solar Eclipse) 日 全 食 發 生 時 可 看 見 平 時 無 法 看 見 的 色 球 層 日 冕 與 日 珥 - 25 -
等 日 全 食 (Total Solar Eclipse) 而 且 還 能 在 白 天 看 到 水 星 金 星 火 星 木 星 與 土 星 等 較 亮 的 行 星 日 全 食 (Total Solar Eclipse)& 金 星 (Venus) 日 偏 食 發 生 時, 因 的 亮 度 還 是 非 常 亮, 無 法 觀 測 到 任 何 特 徵 日 偏 食 (Partial Solar Eclipse) 日 環 食 發 生 時, 由 於 月 球 在 遠 地 點 的 視 直 徑 較 小, 因 此 我 們 可 看 見 太 陽 的 環 狀 外 圍, 除 此 之 外, 亦 沒 有 其 它 的 特 徵 可 以 觀 測 - 26 -
日 環 食 (Annular Solar Eclipse) 日 偏 食 可 看 見 的 區 域 相 當 廣 闊, 但 能 看 到 日 全 食 或 日 環 食 的 地 區 則 非 常 狹 小, 必 須 進 入 日 全 食 帶 或 日 環 食 帶 才 能 看 得 到 倍 利 珠 與 鑽 石 環 (Bailey's Beads&Diamond Ring) 由 於 月 球 表 面 的 山 谷 凹 凸 不 平, 因 此 在 日 全 食 即 將 開 始 或 結 束 時, 也 就 是 月 球 進 入 面 及 離 開 面 的 時 候, 的 光 線 有 可 能 在 月 球 上 較 凹 的 位 置 漏 出, 剎 那 間 形 成 一 顆 光 珠, 而 這 便 是 所 謂 的 倍 利 珠 (Bailey's Beads) - 27 -
倍 利 珠 (Bailey's Beads) 1838 年 與 1842 年, 英 國 天 文 學 家 倍 利 (Francis Bailey,1774-1844) 首 先 描 述 並 研 究 這 種 現 象, 所 以 稱 為 倍 利 珠 (Bailey's Beads) 倍 利 珠 (Bailey's Beads) 倍 利 珠 加 上 色 球 層, 狀 似 一 顆 鑽 石 戒 指 掛 在 天 空, 此 景 象 為 鑽 石 環 (Diamond Ring Effect) 鑽 石 環 (Diamond Ring Effect) 2-4 日 食 觀 測 史 中 國 - 28 -
甲 骨 文 的 卜 辭 中 有 許 多 關 於 日 食 的 內 容, 如 商 朝 第 二 十 二 代 君 王 武 丁 (1250 BC-1192 BC, 在 位 59 年 ) 時 期, 即 有 卜 問 會 不 會 有 日 食 發 生? 商 朝 第 二 十 七 代 君 王 武 乙 (1147 BC-1113 BC, 在 位 35 年 ) 時 期, 曾 卜 問 發 生 在 黃 昏 的 日 食, 主 吉 或 主 凶? 甲 骨 文 : 貞.. 日 有 食? 壬 子 卜, 貞 : 日 韶 於 甲 寅? 甲 骨 文 : 癸 酉 貞 日 夕 又 食, 佳 若? 癸 酉 貞 日 夕 又 食, 非 若? 周 文 王 時 期 (~1100 BC) 即 建 有 靈 台 ( 天 文 台 ), 來 觀 測 天 象 詩 經. 大 雅. 靈 台 : 經 始 靈 台, 經 之 營 之 ; 庶 民 攻 之, 不 日 成 之, 經 始 勿 亟, 庶 民 子 來 王 在 靈 囿, 麀 鹿 攸 伏, 麀 鹿 濯 濯, 白 鳥 鶴 鶴 王 在 靈 沼, 於 牣 魚 躍 上 古 之 書 尚 書 記 載 了 天 文 官 羲 和, 因 沉 緬 於 酒 鄉, 而 不 知 日 食 發 生, 因 此 失 職 成 為 最 早 被 處 死 的 天 文 官, 後 來 推 算 是 發 生 於 西 元 前 2137 年, 夏 朝 第 三 代 君 王 太 康 時 期 的 一 次 日 食 尚 書. 胤 征 : 羲 和 廢 厥 職, 酒 荒 於 劂 邑 史 記 : 帝 太 康 時, 羲 和 緬 淫, 廢 時 亂 日 - 29 -
孔 子 所 著 的 春 秋 記 錄 魯 隱 公 元 年 ~ 魯 哀 公 十 四 年, 共 242 年 間 之 歷 史, 共 有 37 次 日 食 的 記 載, 據 研 究 其 中 32 次 是 可 靠 的 春 秋. 隱 公 : 三 年, 春, 王 二 月, 己 巳, 日 有 食 之 三 月, 庚 戌, 天 王 崩 夏, 四 月, 辛 卯, 君 氏 卒 秋, 武 氏 子 來 求 賻 八 月, 庚 辰, 宋 公 和 卒 冬, 十 有 二 月, 齊 侯 鄭 伯 盟 於 石 門 癸 未, 葬 宋 穆 公 東 漢 王 充 論 衡 : 彼 見 日 食 常 於 晦 朔, 晦 朔 月 與 日 合 故 得 食 之, 即 是 解 釋 日 食 的 成 因 2-5 探 測 史 尤 里 西 斯 號 (Ulysses 1990-090B):1990 年 10 月 6 日, 由 發 現 者 號 ( Discovery) 太 空 梭 發 射 升 空, 為 風 探 測 船, 專 門 用 來 觀 測 吹 向 星 際 間 的 風 尤 里 西 斯 號 (Ulysses) 尤 里 西 斯 號 搭 載 9 種 科 學 儀 器, 在 軌 道 上 運 行 時 持 續 進 行 著 測 量 工 作 這 些 測 量 有 助 於 研 究 風 行 星 際 磁 場 進 入 系 的 宇 宙 射 線 行 星 際 塵 埃 太 陽 發 出 的 X 射 線 和 無 線 電 波, 以 及 木 星 的 磁 層 尤 里 西 斯 號 為 了 抵 達 高 緯 度 區, 太 空 船 首 先 朝 木 星 前 進, 藉 由 木 星 強 大 的 萬 有 引 力 ( 重 力 ), 使 太 空 船 脫 離 黃 道 面 來 到 高 緯 度 地 區 因 為 沒 有 任 何 一 艘 太 空 船 能 夠 只 仰 賴 自 身 的 燃 料, 而 推 進 至 環 繞 極 區 的 軌 道 - 30 -
1992 年 2 月 8 日, 尤 里 西 斯 號 飛 掠 木 星 1994 年 9 月 13 日, 尤 里 西 斯 號 來 到 南 緯 80.2, 接 著 1995 年 夏 季, 進 入 北 緯 的 高 緯 度 地 區 2001 年 1 月, 尤 里 西 斯 號 二 度 來 到 的 南 極 區, 接 著 於 10 月 13 日, 來 到 最 北 邊 的 北 緯 80 附 近 尤 里 西 斯 號 繞 行 軌 道 一 周 需 時 6 年, 目 前 這 艘 超 過 10 年 的 太 空 船 已 經 繞 行 極 區 兩 周, 目 前 它 持 續 傳 送 回 高 緯 度 風 和 行 星 際 磁 場 結 構 的 資 料 Ulysses: 希 臘 神 話 中, 奧 德 修 斯 (Odysseus) 是 荷 馬 (Homer ~850 BC) 史 詩 伊 里 亞 德 (Iliad), 所 描 述 特 洛 伊 戰 爭 (The Trojan War) 中 希 臘 聯 軍 的 大 將, 拉 丁 文 稱 為 尤 里 西 斯 (Ulysses) 奧 德 修 斯 (Odysseus) 尤 里 西 斯 (Ulysses) 陽 光 號 (Yohkoh 1991-062A):1991 年 8 月 30 日, 由 日 本 太 空 總 署 發 射 升 空, 為 的 觀 測 衛 星, 是 一 個 由 日 本 美 國 與 英 國 共 同 合 作 的 太 空 探 測 任 務 陽 光 號 (Yohkoh) - 31 -
陽 光 號 所 配 備 的 儀 器, 專 門 用 來 研 究 來 自 日 閃 (Solar Flare) 的 高 能 輻 射, 包 含 Hard X-ray Soft X-ray 與 高 能 中 子, 並 且 研 究 日 閃 的 結 構 與 生 成 條 件 Yohkoh: 日 文 為 光 束 (Sunbeam) 之 意 風 號 (Wind 1994-071A):1994 年 11 月 1 日 發 射 升 空, 其 主 要 目 的 是 測 量 風 粒 子 的 質 量 能 量 動 量 與 磁 場 先 在 環 繞 地 球 軌 道 上 觀 測 月 球 重 力 場, 之 後 進 入 公 轉 的 軌 道, 是 首 次 裝 有 俄 羅 斯 儀 器 的 美 國 太 空 船 風 號 (Wind) 風 號 具 有 推 進 系 統, 其 設 計 使 用 年 限 為 3~5 年 與 圈 觀 測 號 (Solar and Heliospheric Observatory 1995-065A):1995 年 12 月 2 日 發 射 升 空,1996 年 2 月 到 達 地 球 與 間 的 第 一 拉 格 朗 日 點 (L1 Lagrangian Point) 與 圈 觀 測 號 蘇 活 號 (Solar and Heliospheric Observatory SOHO) - 32 -
與 圈 觀 測 號 (Solar and Heliospheric Observatory) 簡 稱 蘇 活 號 (SOHO), 是 由 美 國 太 空 總 署 (NASA) 與 歐 洲 太 空 總 署 (ESA) 共 同 合 作 其 主 體 是 由 法 國 馬 特 拉 公 司 (Matra) 負 責 建 造, 其 他 的 儀 器 則 分 別 由 美 國 與 歐 洲 的 科 學 團 隊 共 同 提 供 蘇 活 號 運 行 軌 道 如 同 地 球 繞 的 軌 道 一 樣, 只 不 過 它 的 軌 道 半 徑 比 地 球 繞 行 的 軌 道 半 徑 少 了 150 萬 公 里 蘇 活 號 採 取 這 種 軌 道 運 行 就 不 會 被 地 球 的 陰 影 所 遮 蔽, 可 以 24 小 時 觀 測 第 一 拉 格 朗 日 點 : 位 於 地 球 往 方 向 約 150 萬 公 里 處, 約 地 球 到 間 距 離 的 百 分 之 一, 此 處 為 地 球 與 間 引 力 的 平 衡 點, 稱 為 第 一 拉 格 朗 日 點 (L1 Lagrangian Point), 或 第 一 天 平 動 點 (L1 Libration Point) 蘇 活 號 訊 號 的 接 收, 是 由 位 於 地 球 上 三 個 大 約 相 距 120 的 巨 型 天 線 來 接 收 這 三 個 地 點 分 別 為 澳 大 利 亞. 坎 培 拉 (Canberra.Australia), 西 班 牙. 馬 德 里 ( Madrid.Spain) 與 美 國. 加 州. 高 斯 登 (Goldstone.CA.USA) 這 三 個 地 方 的 天 線 構 成 NASA 的 深 太 空 通 訊 網 (Deep Space Network DSN), 當 地 球 自 轉 時, 蘇 活 號 24 小 時 的 觀 測 資 料 便 能 透 過 其 中 任 何 一 個 地 面 站 加 以 接 收 深 太 空 通 訊 網 (Deep Space Network DSN) 蘇 活 號 的 主 要 任 務 是 研 究, 日 冕 的 形 成 與 加 熱 的 物 理 過 程, 其 維 持 方 式 與 如 何 引 起 擴 張 形 成 風 與 內 部 的 構 造 1998 年 4 月, 蘇 活 號 成 功 地 完 成 兩 年 大 氣 層 表 面 與 內 部 的 研 究 任 務 - 33 -
1998 年 6 月 24 日, 地 面 人 員 在 維 護 操 作 下 與 蘇 活 號 失 去 連 繫, 太 空 船 進 入 的 緊 急 定 位 模 式 (Emergency Sun Reacquisition Mode), 只 有 當 異 常 狀 況 發 生, 太 空 船 失 去 面 對 方 向 時, 此 模 式 才 會 被 啟 動 1998 年 8 月 3 日, 經 過 六 個 星 期 音 訊 全 無 後, 再 度 與 蘇 活 號 連 繫 上 1998 年 9 月 16 日, 經 過 冗 長 的 調 整, 蘇 活 號 重 新 鎖 定 住 九 天 後, 蘇 活 號 重 回 正 常 的 模 式 1998 年 10 月 5 日, 觀 測 儀 器 再 度 啟 動 11 月 4 日, 蘇 活 號 完 全 恢 復 正 常 運 作, 直 到 目 前 為 止 先 進 組 合 探 險 家 號 (Advanced Composition Explorer 1997-045A):1997 年 8 月 25 日, 於 美 國. 佛 羅 里 達 州 甘 迺 迪 太 空 中 心 (Kennedy Space Center) 發 射 升 空 先 進 組 合 探 險 家 號 (Advanced Composition Explorer) 簡 稱 愛 司 號 ( ACE), 其 任 務 是 收 集 觀 測 (Solar) 行 星 間 (Interplanetary) 星 際 間 ( Interstellar) 銀 河 中 心 (Galactic Origins) 的 粒 子, 包 括 氫 (Hydrogen Z = 1)~ 鋅 (Zinc Z = 30), 能 量 測 量 範 圍 由 風 的 100eV, 至 銀 河 宇 宙 射 線 的 600 MeV 先 進 組 合 探 險 家 號 愛 司 號 (Advanced Composition Explorer ACE) 愛 司 號 的 軌 道 位 於 地 球 與 間 的 第 一 拉 格 朗 日 點 上 繞 運 行, 其 旋 轉 軸 (Spin Axis) 指 向 ±20 之 間, 能 量 來 源 為 能 電 池, 設 計 使 用 年 限 至 少 5 年, 每 天 經 由 NASA 的 深 太 空 通 訊 網 接 收 資 訊 愛 司 號 能 分 析 所 噴 發 來 的 物 質, 當 風 暴 發 生 時, 它 能 預 先 發 出 警 訊, 人 造 衛 星 便 能 及 早 關 閉, 防 止 損 壞 太 空 人 便 能 預 知 太 空 天 氣 (Space - 34 -
Weather) 狀 況, 避 免 暴 露 於 高 出 正 常 輻 射 的 磁 暴 中 愛 司 號 太 空 船 目 前 仍 有 充 足 的 推 進 燃 料, 可 穩 定 維 持 在 第 一 拉 格 朗 日 點 軌 道 上 至 2019 年 創 世 紀 號 (Genesis 2001-034A):2001 年 8 月 8 日 發 射 升 空,2001 年 11 月 16 日 抵 達 地 球 與 間 的 第 一 拉 格 朗 日 點 創 世 紀 號 太 空 船 主 要 的 任 務, 是 利 用 六 角 形 的 樣 本 蒐 集 器 (Sample Return Capsule) 採 集 風 粒 子, 並 將 所 採 集 到 的 樣 本 送 回 地 球, 科 學 家 便 可 用 以 直 接 研 究 的 一 些 訊 息 樣 本 蒐 集 器 是 由 純 矽 金 藍 寶 石 鑽 石 等 薄 片 所 製 成, 外 覆 碳 纖 維 高 彈 性 材 料 創 世 紀 號 (Genesis) 2001 年 12 月 3 日, 創 世 紀 號 展 開 樣 本 蒐 集 器 裝 置, 開 始 採 集 風 粒 子 的 樣 本 2004年 4 月, 創 世 紀 號 歷 經 30 個 月, 繞 行 完 整 5 圈 後, 結 束 樣 本 採 集, 並 關 閉 樣 本 蒐 集 器 的 艙 門 2004年 9 月 6 日, 創 世 紀 號 再 度 飛 掠 地 球, 準 備 將 樣 本 蒐 集 器 投 擲 回 地 球 2004年 9 月 8 日, 創 世 紀 號 將 樣 本 蒐 集 器 投 擲 回 美 國 空 軍 猶 他 州 測 試 訓 練 靶 場 (Utah Test and Training Range), 由 於 樣 本 蒐 集 器 上 有 降 落 傘 裝 置,NASA 準 備 讓 兩 架 直 昇 機 的 飛 行 員, 直 接 在 1,200 公 尺 高 空 中, 用 鉤 子 和 纜 繩 勾 住 艙 體 上 的 降 落 傘, 將 樣 本 蒐 集 器 帶 回 空 軍 基 地 - 35 -
當 樣 本 蒐 集 器 進 入 地 球 的 大 氣 層 時, 降 落 傘 故 障 無 法 展 開, 最 後 樣 本 蒐 集 器 以 每 小 時 311 公 里 的 速 度 直 接 撞 擊 沙 漠 地 面, 樣 本 蒐 集 器 嚴 重 損 壞, 導 致 大 部 份 樣 品 受 到 污 染 創 世 紀 號 (Genesis) 2-6 的 自 轉 1611 年, 義 大 利 天 文 學 家 伽 利 略 (Galilei Galileo,1564-1642) 發 現 黑 子, 並 藉 由 觀 測 黑 子 的 運 動, 得 到 的 自 轉 週 期 約 為 一 個 月 並 非 固 態, 而 是 類 似 於 氣 體 行 星, 所 以 外 層 的 自 轉 速 度 不 一, 赤 道 區 自 轉 一 圈 為 25.4 天, 但 兩 極 區 自 轉 一 圈 則 為 35 天 這 種 自 轉 速 度 不 一 的 狀 況, 一 直 延 伸 到 非 常 內 部, 但 到 了 核 心 則 自 轉 如 同 固 體 2-7 的 構 造 的 成 分, 以 原 子 數 量 來 看, 氫 佔 92.1%, 而 氦 佔 7.8%, 其 它 的 成 分 約 0.1% 以 質 量 來 看, 氫 大 約 佔 70%, 而 氦 約 佔 28%, 其 它 的 物 質 少 於 - 36 -
2% 的 內 部 構 造 包 含 核 心 輻 射 層 與 對 流 層 核 心 : 半 徑 的 10%, 產 生 能 源, 核 熔 合 反 應 之 處, 稱 為 核 心 (Core) 輻 射 層 : 核 心 向 外 到 半 徑 75% 的 區 域, 核 心 所 產 生 之 能 量 以 輻 射 形 式 傳 出, 稱 為 輻 射 層 (Rradiation Zone) 對 流 層 : 靠 近 表 面 處, 厚 約 15 萬 公 里, 能 量 以 對 流 形 式 傳 出, 稱 為 對 流 層 (Convection Zone) 核 心 (Core) 的 光 和 熱, 是 來 自 核 心 內 部 原 子 的 核 融 合 反 應 將 氫 核 ( 質 子 ) 合 成 氦 核 時, 所 釋 放 出 大 量 的 核 能 核 心 約 佔 半 徑 的 10%, 總 質 量 的 50%, 但 為 99% 的 能 量 來 源 太 陽 核 心 的 壓 力 為 地 球 大 氣 壓 力 的 2.5 10 11 倍, 溫 度 估 計 約 為 15,000,000 度, 是 氫 進 行 質 子 質 子 熱 核 熔 合 的 反 應 區 核 心 物 質 的 密 度 為 150 g/cm 3 ( 水 的 密 度 為 1 g/cm 3, 鐵 的 密 度 為 7 g/cm 3 ) 的 輸 出 功 率 為 每 秒 3.86 10 26 焦 耳, 絕 大 部 份 是 由 核 心 核 反 應 所 供 給 的 核 心 每 秒 約 有 六 百 三 十 萬 噸 的 氫, 經 核 熔 合 反 應 轉 換 成 氦, 這 過 程 造 成 的 質 量 損 - 37 -
失 是 被 轉 換 質 量 的 0.72%( 每 秒 四 萬 五 千 噸 ) 假 設 的 總 質 量 只 有 10% 能 參 與 核 反 應, 因 此 的 壽 命 約 為 100 億 年 太 陽 於 50 億 年 前 形 成, 生 成 至 今 核 心 的 氫 已 消 耗 大 約 一 半, 所 以 大 約 可 再 維 持 50 億 年 的 穩 定 最 後 核 心 的 氫 融 合 殆 盡, 進 一 步 引 發 氦 融 合 反 應, 終 將 在 急 速 膨 脹 成 紅 巨 星, 吞 噬 地 球 甚 至 火 星 之 後, 演 變 成 行 星 狀 星 雲 與 白 矮 星, 在 太 空 中 逐 漸 冷 卻 黯 淡, 成 為 黑 矮 星 核 心 的 核 反 應 是 經 由 氫 核 融 合 來 供 應 其 巨 大 的 能 量 輸 出 氫 核 融 合 的 主 要 過 程 有 質 子 質 子 鏈 (Proton-Proton Chain) 與 碳 氮 氧 循 環 (CNO Cycle) 兩 種 除 反 應 的 中 間 過 程 有 差 異 外, 此 兩 種 氫 核 融 合 反 應 可 簡 單 寫 為 : 4 H 1 He + 2 μ + 能 量 能 量 的 形 式 通 常 為 高 能 的 γ 射 線 光 子 與 X 射 線 光 子 現 行 理 論 模 型 的 推 測, 的 能 源 90% 來 自 質 子 質 子 鏈 而 碳 氮 氧 循 環 貢 獻 其 餘 的 10% 氫 核 融 合 產 生 的 能 量, 須 歷 經 百 萬 年 才 能 傳 抵 表 面, 而 微 中 子 幾 不 與 內 部 任 何 物 質 起 反 應, 以 光 速 或 近 光 速 的 速 度, 離 開 核 心 向 外 傳 播 電 影 蜘 蛛 人 2 (Spider-Man 2,2004) 其 中 即 描 述 一 位 科 學 家 八 爪 博 士, 為 了 在 實 驗 室 內 製 造 核 融 合 反 應 的 人 工, 於 是 在 自 己 的 背 後 裝 置 了 四 隻 機 械 手 臂, 在 一 場 意 外 中 造 成 這 四 隻 機 械 手 臂 根 植 於 他 的 身 上, 使 其 性 格 丕 變 蜘 蛛 人 於 是 獨 立 對 抗 八 爪 博 士, 最 後 終 於 消 滅 邪 惡, 世 界 重 獲 和 平 - 38 -
輻 射 層 (Radiation Zone) 來 自 核 心 的 γ 射 線 與 X 射 線 光 子, 不 斷 與 輻 射 層 內 的 物 質 粒 子 相 碰 撞, 被 物 質 粒 子 吸 收 再 輻 射, 最 後 主 要 以 可 見 光 的 形 式 傳 達 表 面, 然 後 才 輻 射 到 四 面 八 方 在 輻 射 區 內, 光 子 平 均 每 走 1 公 分 就 與 物 質 粒 子 碰 撞 一 次, 由 核 心 以 光 的 形 式 向 外 傳 遞 的 能 量 大 約 需 經 過 一 百 萬 年 的 掙 扎 與 反 覆 的 改 頭 換 面, 才 能 扺 達 太 陽 表 面 輻 射 區 到 核 心 的 密 度 增 加 很 快, 半 徑 為 一 半 的 球 體 內 含 有 90% 的 物 質 對 流 層 (Convection Zone) 輻 射 區 的 外 圍 溫 度 下 降 的 很 快, 物 質 的 透 明 度 大 為 減 低, 再 加 上 表 面 的 輻 射 損 失, 使 得 上 下 溫 差 很 大, 形 成 了 以 湍 流 為 主 的 強 烈 對 流 層 對 流 層 幾 乎 完 全 不 透 明, 輻 射 層 傳 來 的 能 量, 在 這 一 層 以 對 流 的 方 式 由 高 熱 氣 團 帶 到 表 面, 表 面 的 較 冷 氣 團 則 下 沉, 類 似 沸 騰 狀 態 的 一 壺 水 對 流 層 厎 部 的 溫 度 約 為 一 百 萬 度, 在 對 流 層 裡 來 自 內 部 的 能 量, 有 之 部 份 轉 化 為 氣 流 的 動 能 的 光 球 層 色 球 層 與 日 冕 之 各 種 活 動 與 噴 流 皆 與 對 流 層 有 密 不 可 分 的 關 係 - 39 -
2-8 的 大 氣 層 的 大 氣 層 包 含 光 球 層 色 球 層 日 冕 與 風 的 大 氣 層 光 球 層 : 表 面 厚 約 500 公 里, 溫 度 約 5,800 K, 即 是 我 們 所 見 到 的 表 面, 稱 為 光 球 層 (Photosphere) 色 球 層 : 表 面 外 5,000 公 里 以 內, 溫 度 由 4,200 K 升 至 數 萬 K, 因 呈 玫 瑰 色, 稱 為 色 球 層 (Chromosphere) 日 冕 : 表 面 外 厚 約 半 徑 的 1.3 倍, 溫 度 約 為 100 萬 K, 呈 淡 白 色 的 暈, 稱 為 日 冕 (Corona) 風 : 高 速 的 帶 電 粒 子, 如 氫 核 ( 質 子 ) 電 子 等, 被 吹 離 者, 稱 為 風 (Solar Wind) 2-9 光 球 層 (Photosphere) 的 光 球 層 由 米 粒 組 織 (Granulation) 所 構 成, 一 個 米 粒 組 織 的 直 徑 約 為 1,500 公 里, 此 一 結 構 是 由 對 流 所 造 成 的 - 40 -
米 粒 組 織 (Granulation) 米 粒 組 織 中, 熱 氣 從 內 部 上 升, 接 著 向 外 擴 散, 冷 卻, 再 下 降 至 米 粒 組 織 間 較 暗 的 通 路 從 形 成 到 消 失, 壽 命 約 為 8 分 鐘 另 外 在 光 球 層 可 明 顯 地 看 到 黑 子 (Sunspots) 光 球 層 的 物 質 相 當 不 透 明, 觀 測 時, 在 盤 面 的 中 央, 由 於 視 線 與 光 球 表 面 垂 直, 通 過 很 短 的 距 離 就 看 到 溫 度 較 高 的 光 球 層 底 部 在 盤 面 的 邊 緣, 視 線 幾 乎 與 光 球 表 面 平 行, 即 使 通 過 比 較 長 的 距 離, 也 只 能 看 到 溫 度 較 低 的 光 球 上 層 這 種 盤 面 中 央 較 亮 而 邊 緣 較 暗 的 現 象 稱 為 臨 邊 昏 暗 (Limb Darkening) 光 球 層 的 光 譜 (solar spectrum) 地 球 所 見 的 光 譜 主 要 來 自 光 球 層 光 球 層 的 底 部 是 濃 密 的 電 漿 態 物 質, 發 射 出 與 其 表 面 溫 度 相 當 的 熱 輻 射 光 譜, 在 可 見 光 範 圍 內 的 強 度 最 大, 譜 型 與 5,800 K 的 黑 體 輻 射 極 為 相 近 但 在 遠 紫 外 線 X 射 線 γ 射 線 及 遠 紅 外 線 到 無 線 電 波 段 的 輻 射 強 度 卻 遠 高 於 5,800 K 黑 體 輻 射 體, 而 且 變 化 莫 測 這 些 超 額 輻 射 主 要 來 自 光 球 層 外 的 稀 薄 太 陽 大 氣 的 非 熱 輻 射 式 輻 射 - 41 -
的 連 續 光 譜 上 有 非 常 多 的 暗 黑 吸 收 線, 在 可 見 光 的 範 圍 內 就 有 二 萬 多 條, 這 些 吸 收 線 幾 乎 全 起 源 於 光 球 層 經 由 精 密 的 光 譜 儀 分 析 連 續 光 譜 上 的 吸 收 譜 線, 可 辨 認 出 大 氣 中 的 主 要 化 學 組 成, 除 氫 以 外 尚 有 鐵 鎂 鋁 鈣 鈦 鉻 鎳 鈉 等 57 種 元 素 由 於 光 譜 過 長 無 法 容 在 同 一 帶 上, 故 將 光 譜 由 紅 光 至 紫 光 切 割 成 50 等 份, 每 一 片 光 譜 的 右 端 接 續 至 下 一 片 光 譜 的 左 端 光 譜 (Solar Spectrum) 光 球 層 的 溫 度 不 足 以 激 發 氦 原 子, 使 含 量 僅 次 於 氫 的 氦 元 素, 在 光 球 層 光 譜 中 沒 有 譜 線 2-10 色 球 層 (Chromosphere) 日 全 食 中, 當 月 面 恰 好 把 光 球 層 全 部 遮 擋 時, 才 能 看 到 玫 瑰 色 的 色 球 層, 而 這 也 是 其 名 稱 的 由 來 色 球 層, 厚 度 非 常 薄, 因 此 須 以 望 遠 鏡 才 可 觀 測 到 - 42 -
色 球 層 (Chromosphere) 色 球 層 沒 有 明 顯 的 上 邊 界, 的 邊 緣 氣 體 密 度 很 低, 使 得 此 部 份 的 發 光 強 度, 只 有 光 球 層 的 萬 分 之 一 色 球 層 的 溫 度 隨 高 度 的 增 加 而 上 昇, 由 光 球 層 頂 部 的 4,200 K 升 至 數 萬 K 的 高 溫 根 據 升 溫 的 情 況, 大 約 可 將 色 球 層 分 成 三 部 份, 為 色 球 層 厎 層 色 球 層 中 層 與 色 球 層 高 層 色 球 層 厎 層 : 厚 度 約 400 公 里, 溫 度 由 4,200 K 升 到 5,500 K, 稱 為 色 球 層 厎 層 色 球 層 中 層 : 厚 度 約 1,200 公 里, 溫 度 緩 慢 上 升 到 8,000 K, 稱 為 色 球 層 中 層 色 球 層 高 層 : 厚 度 在 最 後 約 400 公 里, 溫 度 急 劇 升 至 數 萬 K, 稱 為 色 球 層 高 層 在 不 到 5,000 公 里 的 高 度 裡, 過 渡 到 日 冕 的 百 萬 度 以 上 之 高 溫 部 份 色 球 層 的 溫 度, 高 於 激 發 氦 原 子 光 譜 的 2 萬 度, 故 色 球 層 光 譜 中, 可 見 到 光 球 層 光 譜 所 沒 有 的 氦 原 子 光 譜 2-11 日 冕 (Corona) 外 圍 還 有 一 層 比 色 球 層 更 暗 的 日 冕, 於 日 全 食 時 可 觀 測 得 到 當 月 面 將 色 球 層 遮 掩 後, 可 見 到 圍 繞 四 周 有 一 片 淡 白 色 的 暈, 這 就 是 日 冕 日 冕 (Corona) 日 冕 的 大 小 會 隨 著 磁 場 運 動 而 改 變 當 在 活 動 高 峰 時, 日 冕 會 較 明 顯, 範 圍 亦 會 較 大 - 43 -
日 冕 的 物 質 非 常 稀 薄, 其 密 度 約 為 地 球 表 面 大 氣 的 十 億 分 之 一, 比 實 驗 室 能 達 到 的 高 真 空 還 要 低, 因 此 只 有 在 日 全 食 時 才 能 觀 測 到 日 冕 的 溫 度 非 常 高, 可 達 200 萬 度 以 上, 如 此 高 的 溫 度, 可 能 是 經 由 儲 存 在 磁 場 中 的 能 量 加 熱 而 成 的, 但 確 切 的 過 程 為 何, 乃 待 進 一 步 的 研 究 日 冕 的 輻 射 包 含 許 多 來 源, 有 日 冕 中 自 由 電 子 對 光 球 輻 射 的 直 接 散 射, 還 有 日 冕 發 射 線 此 外, 電 子 在 磁 場 中 運 動 產 生 的 同 步 輻 射 和 其 它 非 熱 輻 射, 也 是 日 冕 輻 射 的 主 要 來 源 日 冕 發 射 線 是 物 質 在 高 溫 下, 高 度 電 離 的 離 子 所 產 生 的, 例 如, 其 中 有 失 去 13 個 電 子 的 鐵 離 子 之 譜 線 這 些 發 射 線 是 日 冕 輻 射 中 紫 外 線 及 X 射 線 的 主 要 來 源 之 一 日 冕 洞 (Coronal Hole) 1950 年, 瑞 士 天 文 學 家 瓦 爾 德 邁 爾 從 日 冕 儀 觀 測 的 圖 像 中, 發 現 日 冕 中 有 些 暗 黑 的 區 域, 他 把 這 種 區 域 叫 做 洞 後 來 天 文 學 家 把 這 些 洞 稱 為 日 冕 洞 (Coronal Hole) 日 冕 洞 (Coronal Hole) 1964 年, 太 空 船 拍 攝 到 X 射 線 的 日 冕 洞 照 片 1967 年, 軌 道 觀 測 臺 四 號 (Orbiting Solar Observatory-4 OSO-4) 利 用 遠 紫 外 線 觀 測 到 日 冕 洞 1972 年, 坎 杜 等 在 無 線 電 波 段 觀 測 到 日 冕 洞 - 44 -
1975 年, 博 林 等 利 用 太 空 實 驗 室 所 拍 攝 的 He II 304 單 色 照 片, 繪 製 了 日 冕 洞 邊 界 的 綜 合 圖 集 日 冕 洞 是 日 冕 中 密 度 比 較 小 的 區 域, 它 的 平 均 密 度 約 為 一 般 寧 靜 日 冕 區 的 三 分 之 一, 中 心 密 度 甚 至 小 到 周 圍 的 十 分 之 一 日 冕 洞 又 是 低 溫 區, 日 冕 洞 的 溫 度 約 為 100 萬 度, 而 日 冕 的 溫 度 為 150~200 萬 度 因 此, 從 密 度 和 溫 度 來 看, 日 冕 洞 的 確 是 個 黑 暗 的 洞 日 冕 洞 大 致 可 分 為 極 區 日 冕 洞 孤 立 日 冕 洞 與 延 伸 日 冕 洞 ; 極 區 日 冕 洞 : 極 區 日 冕 洞 位 於 兩 極 區 域, 常 年 都 有, 而 且 面 積 總 和 似 乎 不 變, 可 佔 面 積 的 15% 孤 立 日 冕 洞 : 孤 立 日 冕 洞 位 於 低 緯 度 區, 通 常 出 現 在 赤 道 附 近 一 般 面 積 較 小 且 較 破 碎, 但 壽 命 長, 可 佔 面 積 的 1~5% 延 伸 日 冕 洞 : 延 伸 日 冕 洞 向 南 北 延 伸, 從 北 極 區 向 南 延 伸 至 南 緯 20 左 右 或 由 南 極 區 向 北 延 伸 至 北 緯 20 左 右, 且 與 極 區 日 冕 洞 相 接, 面 積 較 大, 可 佔 面 積 的 6~10% 較 寧 靜 的 期 間, 日 冕 洞 通 常 出 現 在 的 極 區 在 活 躍 期 中, 日 冕 洞 從 下 方 的 南 極 一 直 延 到 北 半 球 日 冕 洞 的 性 質 太 空 實 驗 室 (Skylab,1973-1979) 首 先 利 用 表 面 能 量 較 高 的 電 子 所 發 出 來 的 較 短 波 長 X 光 (Hard X-ray), 觀 測 到 表 面 的 日 冕 與 日 冕 洞 的 分 佈 太 空 實 驗 室 飛 行 期 間 正 值 活 動 下 降 期, 此 時 表 面 覆 蓋 18~19% 的 日 冕 洞 日 冕 洞 是 上 一 種 比 較 穩 定 的 現 象, 其 面 積 可 以 緩 慢 地 變 大 或 縮 小 但 面 積 增 長 率 和 衰 減 率 相 同, 約 為 每 秒 1.1~1.9 萬 平 方 公 里 - 45 -
有 趣 的 是, 極 區 日 冕 洞 面 積 的 總 和 是 相 當 穩 定 的, 若 一 極 的 日 冕 洞 變 大, 另 一 極 的 日 冕 洞 便 縮 小, 而 總 面 積 基 本 上 保 持 不 變 日 冕 洞 一 般 的 壽 命 約 為 5 個 自 轉 週 期, 有 的 可 達 8~10 個 自 轉 週 期, 甚 至 1 年 日 冕 洞 相 對 於 表 面 的 位 置 變 化 不 大, 隨 著 自 轉 作 近 似 剛 性 旋 轉 與 黑 子 相 比, 日 冕 洞 具 有 更 強 的 剛 性 旋 轉 特 性 日 冕 洞 與 風 由 紫 外 光 和 X 光 波 段 研 究 顯 示, 日 冕 洞 是 高 速 風 的 源 頭 高 能 的 原 子 和 電 子, 由 此 磁 場 線 開 放 區 噴 流 而 出 日 冕 洞 (Coronal Hole) 不 少 學 者 對 日 冕 洞 與 風 地 球 磁 場 擾 動 之 間 的 關 係 作 了 統 計 研 究, 發 現 ; 極 區 日 冕 洞 : 能 產 生 高 速 的 風, 但 一 般 都 不 能 到 達 地 球 孤 立 日 冕 洞 : 是 風 的 風 源, 與 地 球 附 近 每 秒 550 公 里 的 風 有 很 好 的 相 關 性 延 伸 日 冕 洞 : 與 地 球 周 圍 大 於 每 秒 700 公 里 的 風 有 較 好 的 相 關 性 延 伸 日 冕 洞 旋 轉 週 期 為 27 天, 所 以 地 球 上 的 磁 暴 也 呈 現 出 27 天 的 週 期 - 46 -
2-12 風 (Solar Wind) 1908 年, 挪 威 物 理 學 家 伯 克 蘭 (Kristian Birkeland,1867-1917) 曾 經 提 出 太 陽 風 的 看 法, 不 過 並 未 獲 得 重 視 1945 年, 德 國 物 理 學 家 霍 夫 麥 斯 特 (Cuno Hoffmeister,1892-1968) 和 比 爾 曼 (Ludwig Biermann,1907-1986) 兩 人 由 彗 星 其 藍 色 離 子 尾 (Plasma Tail) 的 擺 動 及 彎 曲 提 出 風 的 概 念, 認 為 離 子 尾 是 風 所 造 成 的 現 象 1950 年, 比 爾 曼 計 算 顯 示, 來 自 光 的 輻 射 壓 力 不 足 以 解 釋 為 何 彗 星 的 離 子 尾 總 是 筆 直 背 向 於 是, 他 認 為 必 然 隨 時 都 會 發 出 粒 子 流 1958 年, 美 國 天 文 學 家 派 克 (Eugene Parker,1927-) 建 立 風 的 理 論 模 式, 並 預 測 風 的 速 度 比 音 速 更 快 1959 年, 衛 星 在 太 空 中 的 觀 測, 證 實 風 確 實 存 在 其 平 均 速 度 高 達 每 秒 400 公 里, 比 音 速 快 約 八 倍 日 冕 的 溫 度 高 達 百 萬 度 以 上, 因 此 日 冕 物 質 粒 子 的 熱 運 動 速 度 都 非 常 快, 脫 離 日 冕 而 遠 離 的 高 速 粒 子 即 為 風 風 強 盛 時 及 日 閃 所 發 出 的 更 高 能 量 粒 子 會 干 擾 地 球 的 無 線 電 通 訊, 並 會 在 地 球 兩 極 區 的 大 氣 造 成 極 光 現 象 風 對 彗 星 的 彗 尾 形 成 及 方 向 有 決 定 性 的 影 響, 即 使 是 太 空 船 的 軌 道 也 會 受 其 影 響 彗 尾 - 47 -
風 的 成 分 風 的 成 分 主 要 是 由 質 子 與 電 子 構 成, 其 中 質 子 ( 氫 核 ) 佔 95%,α 粒 子 ( 氦 核 ) 佔 4%, 其 他 1% 為 離 子, 主 要 有 碳 氮 氧 氖 鎂 矽 和 鐵 等 風 的 成 分 和 的 成 分 差 不 多, 幾 乎 包 含 週 期 表 上 所 有 的 元 素 風 的 密 度 很 低, 在 地 球 附 近, 密 度 約 為 每 立 方 公 分 5 顆 粒 子, 比 實 驗 室 中 所 能 製 造 出 來 的 真 空 還 要 稀 薄 相 較 之 下, 地 球 表 面 的 大 氣 每 立 方 公 分 約 有 10 19 個 分 子 風 所 造 成 的 質 量 的 流 失 每 年 約 有 107 公 噸, 但 與 的 總 質 量 相 較, 仍 微 不 足 道 風 的 傳 播 速 度 約 為 每 秒 450 公 里, 吹 遍 整 個 系 由 極 區 流 出 來 的 風 其 速 度 更 可 高 達 每 秒 750 公 里, 而 且 極 區 風 的 成 份 也 略 有 不 同 風 的 速 度 在 經 過 地 球, 甚 至 到 遙 遠 的 冥 王 星 都 不 會 下 降, 直 到 抵 達 圈 (Heliosphere) 的 邊 界 才 會 減 慢 2-13 圈 (Heliosphere) 圈 也 就 是 系 的 範 圍, 是 我 們 所 能 影 響 的 區 域, 一 般 定 義 為 風 所 涵 蓋 的 範 圍, 也 就 是 風 所 能 夠 到 達 的 邊 界 位 置, 風 範 圍 之 外 就 屬 於 其 它 恆 星 的 區 域 了 圈 距 離 大 約 100~200 AU( 天 文 單 位 ) 之 遠, 其 範 圍 遠 遠 超 過 冥 王 星 的 軌 道, 但 確 實 的 大 小 及 形 狀 並 不 十 分 清 楚 圈 是 由 風 在 空 間 中 所 產 生 的 巨 泡, 雖 然 星 際 中 電 中 性 原 子 可 穿 透 此 巨 泡, 實 際 上, 圈 中 所 有 的 物 質 都 是 由 自 己 所 發 出 的 圈 中 粒 子 的 密 度 非 常 低, 其 真 空 度 比 實 驗 室 所 能 產 生 的 還 要 低 - 48 -
星 際 間 的 電 中 性 原 子, 以 時 速 25 公 里 的 速 度 飛 向 時, 這 些 電 中 性 原 子 會 經 由 光 離 作 用 (Photo-Ionization) 或 電 交 換 (Charge Exchange) 而 失 去 一 個 電 子, 使 原 本 電 中 性 原 子 成 為 帶 電 粒 子 這 些 帶 電 粒 子 就 會 被 的 磁 場 給 抓 住, 並 帶 往 圈 內 部 與 風 發 生 碰 撞 圈 (Heliosphere) 太 陽 圈 : 包 含 我 們 系 風 以 及 整 個 磁 場 的 磁 性 巨 泡, 稱 為 圈 (Heliosphere) 終 止 震 波 : 風 由 發 出, 到 達 距 離 85AU 附 近, 一 般 認 為 是 在 75~ 90 AU 處, 風 越 來 越 稀 薄, 開 始 與 星 際 介 質 (Interstellar Medium) 發 生 碰 撞, 因 而 減 低 了 風 的 速 度 風 的 速 度 由 每 小 時 110~240 萬 公 里 驟 然 減 速, 降 至 聲 速 以 下 幾 近 停 止, 形 成 太 陽 圈 內 層 的 終 止 震 波 (Termination Shock) 圈 頂 : 由 於 風 中 的 粒 子 與 星 際 介 質 間 的 碰 撞 無 法 很 快 達 成 平 衡, 因 此 風 的 速 度 還 會 持 續 降 低, 直 到 距 離 120AU 左 右 處 也 就 是 風 與 系 外 星 際 介 質 間 的 交 界 處, 稱 為 圈 頂 ( Heliopause) 弓 形 震 波 : 由 於 系 本 身 也 是 以 非 常 快 的 速 度 在 宇 宙 空 間 中 前 進, 圈 頂 在 星 際 介 質 中 移 動 時, 前 方 的 星 際 介 質 因 減 速 亦 會 形 成 一 道 激 震 波, 約 在 距 離 230 AU 處, 稱 為 弓 形 震 波 (Bow Shock) 2002 年 11 月, 航 海 家 一 號 傳 回 來 的 訊 號, 分 析 認 為 終 止 震 波 距 離 約 在 101~118 AU 處, 而 圈 頂 則 約 在 153~158 AU 處 - 49 -
2-14 磁 層 (Magnetosphere) 地 球 的 磁 場 在 風 中 帶 電 高 能 粒 子 的 吹 襲 之 下, 形 成 了 迎 風 面 被 壓 縮, 而 背 風 面 被 拉 拽 的 磁 層 (Magnetosphere) 結 構 風 (Solar Wind)& 地 球 磁 層 (Magnetosphere) 迎 風 面 的 地 球 磁 場 受 到 擠 壓, 在 距 離 地 球 表 面 5~10 個 地 球 半 徑 處, 形 成 呈 弓 狀 突 起 的 弓 形 震 波 (Bow Shock) 與 磁 層 頂 (Magnetopause) 介 於 弓 形 震 波 與 磁 層 頂 間 的 區 域 為 磁 鞘 (Magnetosheath) 背 風 面 的 地 球 磁 場 受 到 拉 拽, 延 伸 成 長 達 數 百 萬 公 里 長 的 磁 尾 ( Magnetotail) 磁 尾 最 遠 可 達 地 球 半 徑 的 數 百 倍, 有 時 甚 至 可 達 1,000 個 地 球 半 徑 還 有 位 於 地 球 南 北 磁 極 區 的 極 尖 區 (Polar Cusp), 極 尖 區 的 磁 場 線 與 風 中 的 行 星 際 磁 場 線 相 接, 相 接 處 磁 場 強 度 可 為 零 風 中 的 電 漿 可 沿 著 磁 場 線 直 接 進 入 極 尖 區 - 50 -
地 球 磁 層 (Magnetosphere) 磁 層 : 地 球 磁 場 所 佔 據 的 範 圍, 稱 為 磁 層 (Magnetosphere) 磁 層 頂 : 磁 層 與 風 接 壤 處, 位 於 外 側 的 風, 其 電 漿 密 度 高 溫 度 也 高 位 於 內 側 的 磁 層, 其 電 漿 密 度 低 溫 度 也 低 因 此, 形 成 了 一 個 明 顯 的 邊 界, 稱 為 磁 層 頂 (Magnetopause) 弓 形 震 波 : 風 撞 上 磁 層 頂 時, 因 受 到 地 球 磁 場 的 阻 擋 於 是 速 度 大 減 當 風 的 速 度 由 超 磁 音 速 減 小 至 次 磁 音 速 時, 形 成 一 個 激 震 波, 稱 為 弓 形 震 波 (Bow Shock) 磁 鞘 : 弓 形 震 波 與 磁 層 頂 之 間 的 亂 流 區 域, 稱 為 磁 鞘 (Magnetosheath) 磁 尾 : 磁 層 中 背 向 處 尾 巴 狀 的 結 構, 稱 為 磁 尾 (Magnetotail) 極 尖 區 : 地 球 南 北 磁 極 處 呈 喇 叭 狀 的 區 域, 稱 為 極 尖 區 (Polar Cusp) 弓 形 震 波 的 特 性, 與 船 在 水 中 航 行 時, 船 首 前 方 所 形 成 的 船 首 波, 或 飛 機 以 超 音 速 飛 行 時, 飛 機 前 方 所 造 成 的 弧 形 震 波 相 類 似 - 51 -
弧 形 震 波 (Bow Shock) 2-15 極 光 (Aurora) 風 中 的 高 能 帶 電 粒 子 如 直 接 吹 襲 地 球 表 面, 對 地 球 的 生 命 與 生 態 環 境 具 有 極 毀 滅 性 的 影 響 地 球 有 磁 場 與 大 氣 的 遮 蔽, 大 部 份 的 高 能 帶 電 粒 子 被 阻 隔 在 地 球 之 外, 少 部 份 在 地 球 的 極 區 進 入 與 空 氣 分 子 相 碰 撞, 使 空 氣 分 子 游 離 並 發 出 瑰 麗 的 極 光 極 光 通 常 出 現 於 南 北 緯 高 緯 度 地 區, 尤 其 是 南 北 緯 67 的 環 帶 範 圍 內 較 容 易 看 見, 所 以 稱 為 極 光 位 於 南 北 緯 60 ~70 的 高 緯 度 國 家, 每 年 有 上 百 次 的 機 會 觀 賞 到 壯 麗 的 極 光, 中 緯 度 地 區 每 年 約 有 10~20 次 的 機 會 可 看 到 極 光 由 於 黑 子 週 期 的 影 響, 每 10 年 約 有 一 次 可 在 赤 道 地 區 發 現 極 光 1909 年, 靠 近 赤 道 的 新 加 坡 也 觀 測 到 極 光 極 光 : 風 中 的 高 速 帶 電 粒 子 受 地 球 磁 場 的 影 響, 在 地 磁 南 極 與 地 磁 北 極, 離 地 面 80~120 公 里 處, 與 地 球 大 氣 層 中 的 氣 體 分 子, 由 其 是 氮 與 氧 發 生 碰 撞, 使 這 些 空 氣 分 子 被 激 發 而 發 光, 此 現 象 稱 為 極 光 ( Aurora) 極 光 (Aurora) - 52 -
地 球 上 南 北 兩 極 的 極 光 各 有 不 同 的 稱 呼 ; 北 極 光 : 北 極 光 一 般 稱 為 (Northern Lights), 亦 稱 (Aurora Borealis) 南 極 光 : 南 極 光 一 般 稱 為 (Southern Lights), 亦 稱 (Aurora Australis) 太 空 船 於 太 空 中 亦 可 見 到 地 球 南 北 兩 極 的 極 光 極 光 於 發 生 的 過 程 中, 高 能 帶 電 粒 子 損 失 了 大 部 份 的 能 量, 也 降 低 其 對 地 球 上 生 命 的 傷 害 性 Aurora: 羅 馬 神 話 中, 奧 蘿 拉 (Aurora) 為 黎 明 女 神, 即 希 臘 神 話 中 的 伊 歐 斯 (Eos) 伊 歐 斯 (Eos) 奧 蘿 拉 (Aurora) 黎 明 女 神 伊 歐 斯 (Eos) 是 神 赫 利 奧 斯 (Helios) 與 月 亮 女 神 西 倫 (Selene) 的 姊 姊 祂 亦 是 四 風 之 神 (Four Winds) 的 母 親, 同 時 也 代 表 黎 明 時 出 現 的 金 星 赫 歐 斯 弗 斯 (Heosphorus) - 53 -
四 風 之 神 : 北 風 之 神 伯 瑞 斯 (Boreas) 東 風 之 神 幽 魯 斯 (Eurus) 西 風 之 神 芮 弗 斯 (Zephyrus) 與 南 風 之 神 諾 突 斯 (Notus) 極 光 的 成 因 19 世 紀 中 葉 以 前, 極 光 的 成 因, 一 直 被 認 為 極 地 空 氣 中 的 小 冰 片, 反 射 太 陽 光 而 形 成 的 瑞 典 科 學 家 安 格 斯 壯 (1814-1874) 提 出, 如 果 極 光 是 由 小 冰 片 反 射 光 而 形 成 的, 那 麼 以 三 菱 鏡 去 分 析 極 光, 必 定 可 以 將 它 分 解 成 七 個 色 光 安 格 斯 壯 分 析 的 結 果, 確 定 極 光 並 不 是 被 反 射 的 光 在 經 過 光 譜 的 分 析 之 後, 他 推 測, 極 光 是 放 電 現 象 的 產 物 1896 年, 挪 威 物 理 學 家 伯 克 蘭 (Kristian Birkeland,1867-1917) 倡 議, 從 太 陽 黑 子 來 的 電 子 形 成 電 流, 衝 入 地 球 大 氣 而 導 致 極 光 的 產 生 事 實 上, 他 所 提 出 的 解 釋 只 正 確 了 一 半 1930 年 代, 伯 克 蘭 的 學 生, 瑞 典 天 體 物 理 學 家 艾 爾 文 (Hannes Alfven,1908-1995) 利 用 英 國 物 理 學 家 查 普 曼 (Sydney Chapman,1888-1970) 所 提 出 的 風 和 地 球 磁 層 (Magnetosphere) 模 型, 指 出 所 謂 的 伯 克 蘭 電 流 ( Birkeland Currents) 不 是 來 自, 實 際 上 來 自 地 球 磁 層 的 磁 尾 (Magnetotail ) 1940~1950 年 代, 艾 爾 文 這 項 理 論 的 爭 議 很 大 直 到 1974 年, 藉 由 探 險 家 十 二 號 (Explorer 12) 太 空 船 所 得 到 的 資 料, 才 證 實 了 艾 爾 文 的 解 釋 是 正 確 的 2-16 極 光 觀 測 史 - 54 -
中 國 我 國 古 代 對 極 光 的 可 靠 記 載 有 294 次, 最 早 見 於 西 元 前 950 年, 記 載 中 主 要 以 各 種 顏 色 的 氣 來 描 述 極 光, 如 赤 氣, 紫 氣 等 古 今 圖 書 集 成. 曆 象 匯 編. 庶 微 典 : 周 昭 王 末 年, 夜 清, 五 色 光 貫 紫 微, 其 年, 王 南 巡 不 返 五 代 會 要 : 五 代 晉 高 祖 天 福 二 年 正 月 乙 卯, 夜 初, 北 方 有 赤 氣, 西 至 戊 亥 地, 東 北 至 丑 地, 南 北 闊 三 丈 餘, 狀 如 火 光, 赤 氣 內 見 紫 微 官 及 北 斗 諸 星, 至 三 點 后, 內 見 白 氣 數 條, 次 行 至 西, 夜 半 子 時 方 散 即 為 西 元 937 年 2 月 14 日, 在 開 封 觀 測 到 的 一 次 極 光 紀 錄 西 漢 以 前, 古 人 將 極 光 視 為 吉 兆, 常 稱 之 為 神 光 或 神 氣 西 漢 以 後, 漸 將 極 光 視 為 凶 兆, 認 為 極 光 是 未 來 戰 亂 兵 災 或 天 災 人 禍 的 警 示 西 方 在 西 方, 希 臘 哲 學 家 亞 那 克 西 門 尼 斯 (Anaximenes,585 BC -528 BC) 亞 那 薩 哥 拉 斯 (Anaxagoras,499 BC -428 BC) 和 亞 里 斯 多 德 (Aristotle,384 BC -322 BC) 都 曾 描 述 過 可 能 是 極 光 的 現 象 亞 里 斯 多 德 稱 極 光 為 發 光 的 雲, 甚 至 有 天 堂 之 門 稀 有 景 色 ( Rare Sight) 或 天 上 的 裂 縫 (Chasmata) 等 稱 呼 一 些 紀 錄 中, 甚 至 將 極 光 稱 作 流 星 或 閃 爍 的 星 美 國 科 學 思 想 家 富 蘭 克 林 (Benjamin Franklin,1706-1790) 則 認 為 極 光 可 能 是 雲 層 上 端 之 閃 電 所 發 出 的 光 芒 十 七 世 紀, 法 國 天 文 學 家 伽 生 迪 (Pierre Gassendi,1592-1655) 才 將 極 光 稱 為 北 方 的 曙 光 (Aurora Borealis Northern Dawn) - 55 -
極 光 可 同 時 發 生 在 北 半 球 與 南 半 球 1770 年 9 月, 英 國 人 到 澳 洲 時, 第 一 次 觀 測 到 南 極 光 而 剛 好 同 一 天, 在 清 朝 的 史 書 中 也 記 載 觀 測 到 北 極 光 的 紀 錄, 這 是 極 光 在 南 北 半 球 同 時 發 生 之 第 一 次 紀 錄 2-17 黑 子 (Sunspots) 表 面 有 時 也 會 有 黑 色 斑 點, 這 就 是 黑 子, 是 最 顯 著 的 表 面 特 微, 有 時 甚 至 用 肉 眼 便 能 看 見 但 實 際 上 單 一 黑 子 的 照 度 與 滿 月 相 去 不 遠 黑 子 所 在 區 域 有 很 強 大 的 磁 場, 在 磁 場 強 的 區 域, 會 使 帶 電 物 質 移 動 緩 慢, 減 少 那 區 域 能 量 的 補 充, 因 而 溫 度 比 其 他 區 域 低 了 一 千 多 度, 約 為 4,000K 其 溫 度 比 周 圍 區 域 低, 所 以 看 起 來 顏 色 比 較 深 暗, 因 此 稱 為 黑 子 黑 子 : 表 面 溫 度 較 其 它 處 為 低 之 區 域, 因 看 起 來 呈 黑 色 狀, 稱 為 黑 子 (Sunspots) 黑 子 (Sunspots) 黑 子 壽 命 的 長 短 和 它 大 小 有 密 切 關 係, 最 大 的 黑 子 可 以 維 持 三 個 月 之 久, 大 多 數 的 黑 子 壽 命 不 到 一 天 它 們 有 時 匯 合, 有 時 分 散, 成 群 地 消 失 和 出 現 多 數 的 黑 子 成 群 結 隊, 隨 自 轉 而 通 過 日 面, 每 群 黑 子 中 通 常 有 前 導 黑 子 和 後 隨 黑 子 之 分 - 56 -
前 導 黑 子 和 後 隨 黑 子 的 磁 極 性 相 反, 南 半 球 與 北 半 球 的 黑 子 群 其 磁 極 性 也 恰 好 相 反 前 導 黑 子 在 自 轉 前 方, 存 留 時 間 較 長, 後 隨 黑 子 容 易 分 裂 並 首 先 消 失 黑 子 的 出 現 並 不 能 減 弱 的 光 輝, 反 而 表 示 出 具 有 高 度 的 活 動 性 當 黑 子 增 加 時, 表 示 活 動 力 也 加 強 了, 發 出 更 多 的 光 與 熱 黑 子 的 構 造 黑 子 是 由 兩 部 份 組 成, 本 影 區 與 半 影 區 本 影 區 : 黑 子 中 心 區 暗 黑 的 部 分, 稱 為 本 影 區 (Umbra) 半 影 區 : 黑 子 其 本 影 區 周 圍 稍 亮 的 區 域, 稱 為 半 影 區 (Penumbra ) - 57 -
黑 子 (Sunspot) 本 影 區 面 積 約 佔 不 到 整 個 黑 子 的 五 分 之 一, 溫 度 在 4,000K 以 上 半 影 區 面 積 比 本 影 區 大 的 許 多, 溫 度 則 為 5,500K, 且 半 影 區 中 間 有 許 多 細 長 的 條 紋 黑 子 的 大 小 不 一, 多 成 不 規 則 的 圓 形 黑 子 最 小 的 直 徑 約 有 1,600 公 里, 最 大 者 直 徑 可 達 16 萬 公 里, 是 地 球 直 徑 的 十 數 倍 之 多 黑 子 的 成 因 1908 年, 美 國 天 文 學 家 赫 爾 (George Ellery Hale,1868-1938) 利 用 奇 曼 效 應 (Zeemann Effect) 所 造 成 的 鈣 元 素 之 光 譜 線 分 裂, 來 測 量 表 面 的 磁 場, 發 現 黑 子 處 的 磁 場 約 為 表 面 平 均 磁 場 的 數 百 倍 1960 年, 美 國 天 文 學 家 巴 布 科 克 (Horace Welcome Babcock,1912-2003) 提 出 一 個 很 簡 單 的 磁 力 線 糾 結 模 型, 來 解 釋 部 份 黑 子 週 期 的 特 性 巴 布 科 克 理 論 說 明 如 下 ; 赤 道 部 分 的 轉 速 ( 自 轉 週 期 約 25 天 ), 較 南 北 極 部 分 的 轉 速 ( 自 轉 週 期 約 35 天 ) 為 快 由 於 旋 轉 速 度 的 差 異 性, 造 成 磁 力 線 糾 結 內 部 的 擾 流 將 此 磁 力 線 糾 結 部 分 浮 出 表 面 而 形 成 所 謂 的 黑 子 磁 力 線 的 糾 結, 從 高 緯 度 開 始, 到 了 低 緯 度 已 糾 纏 的 太 厲 害, 造 成 磁 力 線 斷 裂 磁 力 線 斷 裂 使 得 磁 場 南 北 極 互 換, 再 開 始 另 一 次 的 黑 子 週 期 奇 曼 效 應 : 磁 場 會 影 響 原 子 的 基 本 能 階, 若 沒 有 磁 場 存 在, 原 子 將 吸 收 某 些 特 定 波 長 的 光 子, 產 生 吸 收 譜 線 若 有 磁 場 存 在, 原 子 能 階 會 被 分 裂 成 多 重 能 階, 原 先 的 單 譜 線 則 被 分 裂 成 三 條 或 更 多 的 細 線, 此 稱 為 奇 曼 效 應 - 58 -
(Zeeman Effect) 黑 子 的 週 期 1843 年, 德 國 業 餘 天 文 學 家 史 瓦 貝 (Samuel Heinrich Schwabe,1789-1875) 透 過 觀 測 數 據 的 分 析, 發 現 黑 子 具 有 11 年 的 週 期 變 化 依 據 歷 年 來 世 界 各 地 所 觀 測 黑 子 的 平 均 數 目, 對 年 份 作 圖, 可 看 出 黑 子 的 週 期 性 變 化 黑 子 週 期 每 一 個 黑 子 週 期 長 者 可 達 13.3 年, 短 的 只 有 7.3 年, 平 均 值 是 10.8 年, 所 以 最 常 被 引 用 的 黑 子 週 期 為 11 年 1645~1715 年, 曾 有 一 段 活 動 低 落 期, 黑 子 的 數 目 幾 乎 趨 近 於 零 這 一 段 時 間 我 們 稱 為 蒙 德 極 小 期 (Maunder Minimum), 可 能 是 造 成 當 時 北 歐 小 冰 期 的 原 因 之 一 黑 子 週 期 發 現 至 今 已 進 入 第 23 個 高 峰 期, 高 峰 期 大 約 是 從 1999 年 6 月 ~2001 年 6 月, 以 2000 年 6 月 達 到 最 高 峰 在 高 峰 期 的 時 候, 黑 子 每 個 月 可 多 達 200 顆, 但 在 低 峰 期 就 只 剩 下 十 幾 顆, 有 很 大 的 差 異 磁 極 性 的 週 期 前 一 個 黑 子 週 期 中, 北 半 球 的 前 導 黑 子 磁 極 性 為 N, 則 後 隨 黑 子 的 磁 極 性 必 為 S 而 在 南 半 球 的 前 導 黑 子 磁 極 性 則 為 S, 後 隨 黑 子 的 磁 極 性 為 N 南 半 球 的 磁 極 性 與 北 半 球 完 全 相 反 下 一 個 黑 子 週 期 中, 北 半 球 的 前 導 黑 子 磁 極 性 則 變 為 S, 後 隨 黑 子 的 磁 極 性 則 變 為 N, 與 前 一 週 期 相 反 而 南 半 球 黑 子 群 的 磁 極 性 也 - 59 -
與 前 一 週 期 相 反 因 此, 磁 極 性 週 期 為 黑 子 週 期 的 兩 倍, 約 為 22 年 2-18 黑 子 觀 測 史 中 國 由 於 太 亮 無 法 用 肉 眼 直 視, 因 此 觀 察 黑 子 都 是 選 擇 在 清 晨 或 傍 晚 中 國 早 在 春 秋 時 期 就 有 日 中 有 三 足 烏 的 記 載, 而 這 三 足 烏 指 的 是 形 似 烏 鴉 的 黑 子, 也 因 此 在 古 代 常 被 稱 為 金 烏 春 秋 緯. 元 命 苞 : 日 中 有 三 足 烏 者, 陽 精, 其 僂 忽 也 戰 國 石 申 開 元 易 經. 卷 六 : 日 中 有 立 人 之 象 戰 國 屈 原 楚 辭. 天 問 : 羿 焉 彃 日, 烏 焉 解 羽 大 意 是 說 : 是 怎 樣 被 后 羿 射 落 的? 裏 面 烏 鴉 的 羽 毛 又 是 怎 樣 掉 下 來 的? 西 漢 劉 安 淮 南 子. 精 神 訓 : 日 中 有 踆 烏, 而 月 中 有 蟾 蜍 東 漢 班 固 漢 書. 五 行 志 : 漢 元 帝 永 光 元 年 ( 西 元 前 43 年 ) 四 月, 日 黑 居 仄, 大 如 彈 丸 東 漢 班 固 漢 書. 五 行 志 : 成 帝 河 平 元 年 ( 西 元 前 28 年 5 月 10 日 ), 三 月 己 未, 日 出 黃, 有 黑 氣, 大 如 錢, 居 日 中 央 北 宋 王 欽 若 冊 府 元 龜 : 漢 文 帝 十 五 年 ( 西 元 前 165 年 ), 日 中 有 五 字 - 60 -
漢 書. 五 行 志 是 世 界 公 認 最 早 的 黑 子 觀 測 記 錄, 其 中 不 僅 記 載 了 黑 子 出 現 的 日 期, 還 記 載 了 它 的 大 小 形 狀 和 位 置 從 漢 代 到 明 末, 中 國 共 記 載 黑 子 一 百 多 次, 都 有 其 出 現 的 時 間 形 狀 和 大 小 的 記 錄 依 史 書 的 記 載, 這 些 黑 子 從 形 狀 上 可 以 分 為 三 類 ; 圓 形 黑 子 : 圓 形 黑 子 如 錢 環, 這 類 可 能 是 剛 出 現 的 黑 子 橢 圓 形 黑 子 : 橢 圓 形 黑 子 如 雞 卵 鴨 卵, 這 可 能 是 雙 極 黑 子 不 規 則 形 黑 子 : 不 規 則 形 黑 子 如 飛 燕 鳥 人, 可 能 是 大 黑 子 群 這 三 類 形 狀 分 別 對 應 著 黑 子 產 生 發 展 與 消 失 的 不 同 階 段 黑 子 產 生 時 是 一 個 小 黑 點, 後 來 慢 慢 增 大 並 分 裂 成 前 導 黑 子 和 後 隨 黑 子 兩 部 份 逐 漸 遠 離, 前 導 黑 子 繼 續 增 大, 後 隨 黑 子 逐 漸 分 裂 而 消 失 西 方 807 年 8 月 19 日, 艾 因 哈 德 (Einhard, 約 775-840) 查 理 曼 大 帝 傳 The Life of Charlemagne 中 記 載 著 歐 洲 對 黑 子 最 早 的 記 錄, 比 中 國 至 少 要 晚 835 年 當 時 歐 洲 人 誤 以 為 是 水 星 淩 日, 或 認 為 黑 子 是 一 些 在 水 星 軌 道 內, 繞 著 運 轉 的 小 行 星 所 造 成 的 陰 影 1128 年, 英 國 傳 教 士 伍 西 斯 特 (Wocester) 畫 下 第 一 張 黑 子 的 草 圖 - 61 -
1611 年, 義 大 利 天 文 學 家 伽 利 略 (Galilei Galileo,1564-1642), 首 先 利 用 望 遠 鏡 觀 察, 認 為 黑 子 是 上 的 烏 雲 所 造 成 的 伽 利 略 並 藉 由 觀 測 太 陽 黑 子 在 日 面 的 運 動, 找 出 的 自 轉 週 期 1749 年, 歐 洲 天 文 台 開 始 每 天 記 錄 黑 子 的 數 目 黑 子 分 佈 圖 ( 蒙 德 蝴 蝶 圖 ) 1904 年, 英 國 天 文 學 家 蒙 德 (Edward Walter Maunder,1851-1928), 首 先 以 年 份 為 橫 軸, 取 黑 子 出 現 的 緯 度 為 縱 軸, 繪 製 黑 子 出 現 的 緯 度 對 時 間 變 化 的 分 佈 圖, 此 分 佈 圖 稱 為 蒙 德 圖 (Maunder Diagram) 在 同 一 週 期 中 黑 子 的 緯 度 分 佈 形 狀 像 一 隻 蝴 蝶, 故 也 稱 為 蒙 德 蝴 蝶 圖 (Maunder Butterfly Diagram) 蒙 德 蝴 蝶 圖 (Maunder Butterfly Diagram) - 62 -
天 文 學 家 發 現, 整 個 循 環 週 期 開 始 時, 黑 子 主 要 出 現 在 南 北 緯 30 ~40 的 地 方, 約 35 處 極 大 期 時, 則 移 至 緯 度 15 附 近 而 在 週 期 結 束 時, 黑 子 通 常 出 現 在 南 北 緯 約 5 處, 相 當 接 近 赤 道 2-19 的 大 氣 現 象 研 究 黑 子 活 動 的 過 程 中, 天 文 學 家 發 現 大 氣 還 有 日 珥 日 閃 日 冕 凝 聚 與 日 冕 質 量 拋 射 等 活 動, 而 這 些 活 動 皆 與 黑 子 活 動 有 關 日 珥 : 表 面 一 些 巨 大 的 環 狀 或 弧 狀 噴 出 物, 稱 為 日 珥 (Solar Prominence) 日 閃 : 的 磁 場 嚴 重 扭 曲, 將 所 儲 存 的 巨 額 能 量 於 瞬 間 內 釋 放 出 而 產 生 的 閃 焰, 稱 為 日 閃 (Solar Flares) 日 冕 凝 聚 : 日 冕 內 層 電 子 密 度 比 周 圍 大 溫 度 異 常 高 的 區 域, 稱 為 日 冕 凝 聚 (Coronal Condensation) 日 冕 質 量 拋 射 : 日 珥 噴 發 時 會 向 外 拋 射 出 很 多 日 冕 的 電 漿 物 質, 稱 為 日 冕 質 量 拋 射 (Coronal Mass Ejections CMEs) 日 珥 (Solar Prominence) 日 珥 是 一 些 游 離 化 的 氣 體, 受 黑 子 附 近 扭 曲 的 弧 形 磁 場 牽 引 所 造 成 的 一 種 現 象, 主 要 存 在 於 日 冕 中 並 常 與 色 球 層 相 連 日 珥 的 紅 顏 色 和 色 球 層 相 同 都 是 由 氫 的 放 射 線 (Emission Lines) 所 造 成 的 日 珥 由 於 溫 度 較 低, 所 以 只 有 在 日 全 食 時 才 能 於 盤 面 週 圍 見 到 日 珥 一 般 可 分 為 寧 靜 式 日 珥 (Quiescent Prominences) 爆 發 式 日 珥 和 活 躍 式 日 珥 (Eruptive Prominences) 寧 靜 式 日 珥 : 寧 靜 式 日 珥 壽 命 較 長, 在 日 面 上 的 表 現 為 長 形 暗 色 條 紋 - 63 -
爆 發 式 日 珥 : 爆 發 式 日 珥 比 較 少 見, 運 動 速 度 很 快, 高 達 每 秒 數 百 公 里 活 躍 式 日 珥 : 活 躍 式 日 珥 的 運 動 速 度 也 可 達 每 秒 數 百 公 里, 其 伸 展 高 度 約 在 十 萬 公 里 內 日 珥 (Solar Prominence) 日 冕 質 量 拋 射 (Coronal Mass Ejections CMEs) 日 珥 噴 發 時 會 向 外 拋 射 出 很 多 日 冕 的 電 漿 物 質, 稱 為 日 冕 質 量 拋 射 (Coronal Mass Ejections CMEs) 1973 年, 日 冕 質 量 拋 射 首 先 被 觀 測 到, 它 是 最 大 規 模 的 拋 出 物 質 過 程 日 冕 質 量 拋 射 (Coronal Mass Ejections CMEs) 日 冕 凝 聚 (Coronal Condensation) 1939 年, 瑞 士 天 文 學 家 瓦 爾 德 邁 爾 發 現 日 冕 的 內 層, 存 在 著 電 子 密 度 比 周 圍 大 溫 度 異 常 高 的 區 域, 此 現 象 稱 為 日 冕 凝 聚 (Coronal Condensation) - 64 -
日 冕 凝 聚 它 是 表 面 局 部 的 活 動 在 日 冕 層 中 的 延 伸, 日 冕 凝 聚 這 種 高 溫 的 區 域 也 是 異 常 強 大 微 波 與 X 射 線 的 輻 射 源, 其 X 射 線 的 強 度 比 周 圍 大 70 倍 左 右 日 閃 (Solar Flares) 1859 年 11 月, 英 國 天 文 學 家 蓋 林 頓 (Richard Christopher Carrington,1826-1875 ) 與 哈 德 森 (Richard Hodgson) 第 一 次 觀 測 到 不 尋 常 白 光 的 產 生, 稱 為 日 閃 或 閃 焰 (Solar Flares) 他 們 並 推 測 日 閃 發 生 在 黑 子 的 上 方,18 小 時 之 後 地 球 便 發 生 了 相 當 大 的 磁 暴 (Geomagnetic Storm) 現 象 日 閃 (Solar Flares) 日 閃 (Solar Flares) 的 現 象 往 往 比 日 珥 要 來 得 更 劇 烈, 日 閃 的 發 生 和 磁 場 有 關, 可 能 是 磁 場 嚴 重 扭 曲 將 所 儲 存 的 巨 額 能 量 於 瞬 間 內 釋 放 出 而 產 生 閃 焰 日 閃 會 輻 射 出 大 量 的 X 射 線 紫 外 光 可 見 光 及 高 能 的 電 子 束 中 子 束 與 震 波 日 閃 與 日 冕 質 量 拋 射 是 高 能 帶 電 粒 子 流 的 主 要 成 因 風 暴 (Sun Storm) 所 發 出 的 這 些 高 能 帶 電 粒 子 流 與 強 大 的 輻 射 線, 通 稱 為 風 暴 ( Sun Storm) 風 暴 會 對 人 類 所 居 住 地 球 的 生 活 環 境 產 生 非 常 嚴 重 的 影 響 ; - 65 -
電 信 通 訊 : 日 閃 所 釋 放 的 X 射 線 和 紫 外 光 會 於 8 分 鐘 內 到 達 地 球, 並 增 加 地 球 上 空 大 氣 層 中 電 離 層 的 游 離 現 象, 造 成 離 子 濃 度 增 高, 電 波 吸 收 增 強 使 地 球 面 向 半 球 的 無 線 電 信 號 立 即 衰 減 或 完 全 中 斷, 但 一 般 只 能 持 續 幾 分 鐘 至 1 小 時 衛 星 導 航 : 行 動 電 話 利 用 電 離 層 傳 送 電 波, 或 靠 衛 星 傳 訊 都 有 斷 訊 的 危 機 飛 機 和 船 艦 因 通 訊 網 路 中 斷, 失 去 衛 星 導 航 而 迷 失 方 向 高 緯 度 區 : 日 閃 釋 放 的 高 能 質 子 束 和 電 子 束, 約 在 幾 小 時 至 幾 天 之 後, 形 成 吹 向 地 球 的 風, 被 地 球 磁 場 引 導 至 高 緯 度 區 使 高 緯 度 區 中 頻 高 頻 和 甚 高 頻 的 無 線 電 波 強 烈 吸 收, 可 以 持 續 幾 天 造 成 訊 號 中 斷 流 入 地 磁 極 區 的 強 大 電 流, 使 高 層 大 氣 分 子 或 原 子 受 激 發 產 生 極 光, 也 使 地 球 的 磁 場 變 形 和 產 生 磁 暴 輸 配 電 線 網 路 : 強 大 的 電 磁 能 會 順 著 輸 配 線 的 傳 輸, 引 起 短 路 或 燒 毀 電 氣 設 備 人 造 衛 星 : 日 閃 會 使 大 量 的 電 荷 聚 集 在 人 造 衛 星 表 面, 造 成 幽 靈 訊 號, 累 積 的 電 量 有 時 會 產 生 火 花, 使 人 造 衛 星 電 路 失 靈 此 外, 磁 暴 會 使 地 球 大 氣 層 變 熱 而 膨 脹, 摩 擦 力 增 大 會 使 人 造 衛 星 飛 行 變 慢, 軌 道 下 降, 脫 離 正 常 軌 道, 因 而 墜 回 地 面 太 空 站 : 風 暴 使 太 空 站 暴 露 在 強 烈 的 高 能 帶 電 粒 子 之 下, 高 能 帶 電 粒 子 能 穿 透 太 空 人 的 太 空 衣, 及 損 毀 太 空 站 的 電 子 系 統, 甚 至 太 空 站 的 防 護 牆 1859 年 9 月 1~2 日, 科 學 家 記 錄 到 史 上 最 大 的 風 暴 事 件 電 報 通 訊 業 務 剛 發 展 起 來 即 受 到 強 烈 的 風 暴 侵 襲, 造 成 歐 美 地 區 電 信 完 全 中 斷 數 小 時 之 久, 並 引 起 多 起 嚴 重 火 災 平 常 只 出 現 在 高 緯 度 地 區 的 極 光, 居 然 也 出 現 在 低 緯 度 附 近 的 羅 馬 古 巴 夏 威 夷 等 地 1959 年, 風 暴 使 得 當 年 紐 約 地 區 曾 出 現 壯 觀 的 極 光 1989 年 3 月 13~14 日, 風 暴 爆 發 期 間 導 致 加 拿 大 魁 北 克 地 區 大 停 電, 六 百 萬 人 遭 受 停 電 之 苦, 美 國 的 東 北 部 和 瑞 典 的 部 分 地 區 也 出 現 了 停 電 現 象 日 本 - 66 -
一 顆 通 信 衛 星 異 常, 美 國 一 顆 衛 星 軌 道 下 降, 中 國 大 陸 風 雲 二 號 B 氣 象 衛 星 提 前 報 廢 1998 年 5 月, 風 暴 導 致 許 多 國 家 的 衛 星 受 損, 摩 托 羅 拉 (Motorola) 更 是 失 去 四 個 通 訊 衛 星, 損 失 慘 重 2000 年 7 月 14 日, 發 生 日 閃 和 日 冕 質 量 拋 射, 導 致 地 球 上 短 波 通 訊 中 斷, 所 有 科 學 衛 星 受 損 減 短 壽 命, 日 本 ASCA 衛 星 失 控 2001 年 3 月, 地 球 籠 罩 在 極 度 惡 劣 的 太 空 天 候 中 長 達 六 個 星 期 之 久, 嚴 重 影 響 地 面 上 的 通 訊 電 力 系 統 飛 機 航 班 等 風 暴 造 成 執 行 太 空 任 務 的 危 險 性, 許 多 太 空 計 畫 亦 受 到 這 次 風 暴 影 響 而 延 期 或 暫 時 取 消 2003 年 10 月, 強 烈 風 暴 來 襲, 日 本 有 兩 顆 衛 星 受 損 電 影 驚 奇 4 超 人 (Fantastic Four,2005) 即 描 述 五 名 太 空 人 從 事 外 太 空 實 驗 時, 無 預 警 地 暴 露 在 強 烈 的 太 空 輻 射 中, 意 外 地 各 自 擁 有 不 同 的 超 能 力 四 個 超 人 為 可 任 意 延 展 自 己 身 軀 的 隊 長 奇 幻 人, 可 隱 形 並 能 發 出 強 大 磁 場 的 隱 形 女, 可 化 成 一 團 火 球 並 飛 行 的 霹 靂 火, 外 表 堅 硬 如 石 且 力 大 無 窮 的 石 頭 人, 以 及 可 吸 收 能 量 的 大 反 派 角 色 末 日 博 士 2-20 星 等 (Magnitude) 古 希 臘 天 文 學 家 希 巴 克 斯 (Hipparchus,190 BC - 120 BC) 為 了 辨 別 星 體 明 亮 的 程 度, 將 他 自 己 所 編 製 星 表 中 的 1,022 顆 恆 星 按 照 其 相 對 亮 度, 劃 分 成 六 個 等 級 ( 1~6 等 ), 由 較 亮 的 一 等 星 到 肉 眼 勉 強 能 見 的 六 等 星 1850 年, 英 國 天 文 家 普 森 (Pogson) 加 以 訂 定 其 標 準, 基 本 上 定 義 一 等 星 的 亮 度 約 為 六 等 星 的 100 倍, 而 每 一 星 等 間 的 亮 度 差 為 100 的 5 次 方 根, 約 為 2.512 倍 即 星 等 每 差 一 等, 亮 度 即 相 差 2.512 倍 5 100 = 2.511886 2.512 或 (2.512) 5 = 100-67 -
星 等 亮 度 倍 數 一 等 星 1 二 等 星 三 等 星 四 等 星 五 等 星 六 等 星 1 ( 2.512) 1 1 ( 2.512) 2 1 ( 2.512) 3 1 ( 2.512) 4 1 ( 2.512) 5 1 2.512 1 6.310 1 15.851 1 39.818 1 100 1 2.5 1 6 1 16 1 40 1 100 國 際 上, 定 義 織 女 星 (Vega) 為 標 準 星, 其 亮 度 為 零 等, 與 標 準 星 比 較 所 得 的 星 等, 稱 為 視 星 等 (Apparent Magnitude) Vega: 天 琴 座 α 星 (α Lyr), 英 文 名 稱 為 Vega, 阿 拉 伯 古 名 為 Wega, 是 俯 衝 而 下 的 禿 鷹 (The Swooping Vulture) 之 意, 中 文 名 稱 為 織 女 星 其 亮 度 為 0.03 等, 全 天 星 體 ( 恆 星 ) 亮 度 排 名 第 五, 是 天 上 所 有 星 星 亮 度 的 標 準 12,000 年 前, 織 女 星 是 地 球 的 北 極 星 全 天 空 中 肉 眼 可 以 看 到 的 星 星, 一 等 星 有 20 顆 二 等 星 有 46 顆 三 等 星 有 134 顆 四 等 星 有 458 顆 五 等 星 有 1,476 顆 六 等 星 有 4,840 顆, 全 部 共 6,974 顆 星 星 數 目 ( 顆 ) 一 等 星 20 二 等 星 46 三 等 星 134 四 等 星 458 五 等 星 1,476 六 等 星 4,840 合 計 6,974-68 -
亮 度 比 一 等 星 更 亮 的 星 體, 稱 為 零 等 星 再 亮 的 則 用 負 數 表 示, 稱 為 負 等 星, 如 1 等 2 等 3 等 等 一 般 常 見 的 負 等 星 大 多 為 行 星, 如 為 26 等, 滿 月 為 13 等, 金 星 最 明 亮 時 約 為 4 等 行 星 亮 度 Sun -26.8 滿 月 Full Moon -12.5 金 星 Venus -4.40 木 星 Jupiter -2.70 火 星 Mars -2.01 水 星 Mercury -1.90 天 狼 星 Sirius -1.47 老 人 星 Canopus -0.72 大 角 Arcturus -0.04 南 門 二 Rigil Kentaurus -0.01 織 女 星 Vega 0.03 土 星 Saturn 0.67 視 星 等 與 絕 對 星 等 (Apparent Magnitude&Absolute Magnitude) 亮 度 與 距 離 的 平 方 成 反 比, 因 此 亮 度 會 因 距 離 不 同 而 改 變 也 就 是 說, 相 同 亮 度 的 恆 星, 距 離 地 球 越 近, 看 起 來 越 亮 距 離 地 球 越 遠, 看 起 來 就 越 暗 於 是, 將 恆 星 亮 暗 的 程 度, 不 考 慮 其 距 離 因 素, 更 進 一 步 地 計 算 出 代 表 恆 星 真 正 亮 度 的 絕 對 星 等 (Absolute Magnitude) 視 星 等 與 絕 對 星 等 間 之 關 係 式 為 ; m - M = 5 log(d)- 5 m: 視 星 等 M: 絕 對 星 等 d: 恆 星 與 地 球 間 之 距 離 - 69 -
視 星 等 : 人 類 肉 眼 所 看 到 的 恆 星 亮 度, 稱 為 視 星 等 (Apparent Magnitude), 以 符 號 m 表 示 絕 對 星 等 : 將 恆 星 放 在 相 同 的 距 離, 也 就 是 32.6 光 年 (10 差 ) 處, 計 算 出 恆 星 真 正 的 亮 度, 稱 為 絕 對 星 等 (Absolute Magnitude), 以 符 號 M 表 示 恆 星 視 星 等 絕 對 星 等 距 離 光 譜 m M d( 光 年 ) 型 態 Sun -26.8 4.83 8.3 光 分 G2 V 天 狼 星 Sirius 大 犬 座 α 星 -1.47 1.4 8.7 A1 V 老 人 星 Canopus 船 底 座 α 星 -0.72-2.5 74 A9 II 大 角 Arcturus 牧 夫 座 α 星 -0.04 +0.2 34 K1.5 III 南 門 二 Rigil Kentaurus 半 人 馬 座 α 星 -0.01 +4.4 4.3 G2 V 織 女 星 Vega 天 琴 座 α 星 +0.03 +0.6 25 A0 V 五 車 二 Capella 御 夫 座 α 星 +0.08-0.4 41 G6 III / G2 III 參 宿 七 Rigel 獵 戶 座 β 星 +0.12-8.1 815 B8 Ia 南 河 三 Procyon 小 犬 座 α 星 +0.38 +2.7 11.3 F5 IV-V 水 委 一 Achernar 波 江 座 α 星 +0.46-1.3 69 B3 V 參 宿 四 Betelgeuse 獵 戶 座 α 星 +0.50-7.2 500 M2 Iab 馬 腹 一 Hadar 半 人 馬 座 β 星 +0.63-4.4 320 B1 III 河 鼓 二 ( 牛 郎 星 ) Altair 天 鷹 座 α 星 +0.77 +2.3 16.5 A7 V 畢 宿 五 Aldebaran 金 牛 座 α 星 +0.86-0.3 60 K5 III 心 宿 二 Antares 天 蠍 座 α 星 +0.92-5.2 520 M1.5 Ia 角 宿 一 Spica 室 女 座 α 星 +1.00-3.2 220 B1 V 北 河 三 Pollux 雙 子 座 β 星 +1.14 +0.7 35 K0 III 北 落 師 門 Fomalhaut 南 魚 座 α 星 +1.16 +2.0 22.6 A3 V 天 津 四 Deneb 天 鵝 座 α 星 +1.25-7.2 1,500 A2 Ia 十 字 架 三 Becrux 南 十 字 座 β 星 +1.28-4.7 460 B0.5 III 軒 轅 十 四 Regulus 獅 子 座 α 星 +1.35-0.3 69 B7 V - 70 -
2-21 恆 星 的 分 類 恆 星 大 小 (Size) 恆 星 半 徑 ( 半 徑 ) 超 巨 星 Supergraints 100~1,000 巨 星 Gaints 10~100 主 序 星 Main Sequence Stars ~1 白 矮 星 White Dwarfs ~0.01 恆 星 光 度 (Luminosity) 恆 星 的 發 光 強 度 與 其 大 小 的 平 方 成 正 比, 所 以 在 同 一 光 譜 類 型 的 恆 星, 可 依 其 光 度 再 加 以 細 分 ; 恆 星 光 度 實 例 亮 超 巨 星 Ia 參 宿 四 ( 獵 戶 座 α 星 ) 心 宿 二 ( 天 蠍 座 α 星 ) 超 巨 星 Ib 北 極 星 ( 小 熊 座 α 星 ) 亮 巨 星 II 弧 矢 七 ( 大 犬 座 ε 星 ) 巨 星 III 五 車 二 ( 御 夫 座 α 星 ) 次 巨 星 IV 牛 郎 星 ( 天 鷹 座 α 星 ) 主 序 星 V 恆 星 標 示 恆 星 一 般 以 其 光 譜 與 光 度 來 標 示 其 類 型 的 標 示 為 G2 V, G 代 表 的 光 譜 分 類 為 G 型 星, 表 面 溫 度 介 於 5,000~6,000 K 之 間, 2 代 表 的 表 面 溫 度 為 5,800 K, V 代 表 為 主 序 星 恆 星 光 譜 - 71 -
恆 星 的 光 譜 大 致 可 分 成 吸 收 光 譜 (Absorption Spectrum Dark Line Spectrum) 與 發 射 光 譜 (Emission Spectrum Bright Line Spectrum) 兩 大 類 恆 星 依 其 光 譜 中 最 明 顯 的 譜 線 特 徵, 由 高 溫 排 至 低 溫, 大 致 可 分 為 七 類, 每 類 又 再 細 分 成 10 級 (0~9); 光 譜 特 徵 分 類 O B A F G K M 0~9 0~9 0~9 0~9 0~9 0~9 0~9 其 主 要 譜 線 特 徵 如 下 ; 光 譜 表 面 溫 度 顏 色 類 型 (K) O 藍 藍 白 > 30,000 光 譜 主 要 特 徵 具 有 離 子 化 的 氦 元 素 及 其 他 元 素 的 譜 線, 氫 的 譜 線 不 明 顯 實 例 參 宿 一 ( 獵 戶 座 ζ 星 ) B 藍 白 11,000 較 強 烈 的 氫 譜 線, 中 性 的 氦 及 一 些 離 子 角 宿 一 - 72 -
青 白 ~30,000 化 的 元 素 也 會 出 現 ( 室 女 座 α 星 ) A 白 7,500 ~11,000 氫 譜 線 十 分 強 烈, 並 有 離 子 化 的 鈣 鐵 鎂 等 元 素, 無 氦 線 天 狼 星 ( 大 犬 座 α 星 ) F 黃 白 6,000 ~7,500 氫 線 又 再 轉 弱, 鈣 線 十 分 清 晰 南 河 三 ( 小 犬 座 α 星 ) G 黃 5,000 ~6,000 強 烈 的 鈣 線 和 其 他 中 性 與 離 化 金 屬 元 素 的 譜 線, 氫 線 較 F 型 星 更 弱 K 橘 黃 3,500 ~5,000 金 屬 元 素 譜 線 占 盡 優 勢, 氧 化 鈦 分 子 開 始 出 現, 氫 線 甚 弱 大 角 ( 牧 夫 座 α 星 ) M 紅 2,000 ~3,500 強 列 的 中 性 金 屬 元 素 與 氧 化 鈦 譜 帶 參 宿 四 ( 獵 戶 座 α 星 ) 本 銀 河 系 中 的 恆 星, 總 數 近 90% 為 各 類 型 的 主 序 星, 其 類 型 分 佈 如 下 ; 光 譜 類 型 百 分 率 (%) M 70 白 矮 星 10 K 10 G 4 F 1 A 1 B <1 O <1 赫 羅 圖 (The Hertzsprung-Russell Diagram) 1907 年, 丹 麥 天 文 學 家 赫 茲 普 隆 (Ejnar Hertzsprung,1873-1967), 首 先 發 展 出 恆 星 的 絕 對 星 等 (Absolute Magnitude), 繪 出 恆 星 的 顏 色 (Color) 與 光 度 (Luminosity) 間 之 顏 色 星 等 圖 (Color Magnitude Diagram CMD) 1913 年, 美 國 天 文 學 家 羅 素 (Henry Norris Russel,1877-1957), 發 表 恆 星 的 光 譜 型 光 度 圖, 統 稱 赫 羅 圖 (Hertzsprung-Russell Diagram H-R Diagram ) - 73 -
赫 羅 圖 以 恆 星 表 面 的 溫 度 為 橫 軸, 以 恆 星 的 光 度 為 縱 軸, 將 各 個 恆 星 按 照 它 的 光 度 與 溫 度, 依 次 填 入 圖 表 中 赫 羅 圖 (Hertzsprung-Russell Diagram H-R Diagram) 我 們 發 現, 恆 星 在 圖 表 中 的 位 置 並 不 是 散 亂 排 列, 大 致 可 分 為 主 序 星 ( Main Sequence Stars) 巨 星 (Giants) 超 巨 星 (Supergiants) 與 白 矮 星 (White Dwarfs) 等 四 個 集 團 赫 羅 圖 : 以 恆 星 的 表 面 溫 度 ( 光 譜 型 態 ) 為 橫 軸, 光 度 ( 絕 對 星 等 ) 為 縱 軸, 所 繪 出 的 恆 星 分 佈 圖, 稱 為 赫 羅 圖 (The Hertzsprung-Russell Diagram) - 74 -