太阳风是由太阳大气层的最外层——日冕层的剧烈运动产生的。当太阳感觉到“不舒服”,突然“打了个喷嚏”,就会从日冕层向外喷出一些物质。这个过程称为日冕物质抛射。这些抛射出去的物质以很快的速度飞向太空,便形成了太阳风。
要回答为什么叫太阳“风”,我们先要解释一下什么是“风”。可能有人要说“这还用解释?”先不着急,我们由浅入深,分成三个层次来解释。第一层:呼呼地吹过来,让我们感觉凉爽,能把东西吹跑的就是“风”啊。这是最直观的、最贴近生活的、感受胜于言表、说出来反而别扭的理解,但同时也是最浅层的。科学家不满足于简单地去感受现象,而想方设法究其本质。
第二层,“风”是空气的流动。我们生活在地球的表面,周围充满了空气。这些空气是地球的大气层,包裹着海洋和陆地。由于温差等原因,空气会流动,便形成了风。比如在海边,由于海洋和陆地的温度不同,会形成海风。
第三层,“风”是空气中原子分子的集体定向运动。虽然原子分子很小,但“团结就是力量”。当它们以很快的速度集体“创”你脸上,你就能感受到它们的力量。一般的风速度是几米每秒,而台风、龙卷风的速度高达几十米每秒。小小的原子分子运动起来也能具有极强的杀伤力!
解释了“风”的本质,理解太阳风就容易了。太阳抛射出去的物质在扩散之后变得比空气还要稀薄得多,它们朝着一定的方向高速飞向太空,本质上和地球上的风类似(但不是原子分子,下一部分会讲),因此把它叫“太阳风”。
太阳风的速度有几百千米每秒,大约是台风的一万倍。这么吓人的速度,如果不是地球母亲撑起磁场这个“保护伞”来为我们“挡风”,地球上的生物怕是要遭殃。除了太阳,其他恒星也有类似的现象,天文学上把这一类现象统一称为“星风”。
太阳风的成分在上一部分我们理解了“风”,可是为什么太阳风能干扰电子设备、能产生极光呢?事实上,太阳风和地球上的风有相似之处,也有明显的区别。如上文所说,地球上的风是原子分子的运动,而太阳风主要是带电粒子的运动。究其原因,需要归结到太阳本身的组成成分。
分子是由原子组成的,原子又由带正电的原子核以及带负电的电子组成。
地球上温度不高,原子核和电子“不太活跃”,电磁力把它们紧紧地束缚在一起形成原子/分子,所以地球大气以原子/分子的形式存在。但太阳的温度非常高,原子核和电子都“躁动不安”,运动得非常剧烈,电磁力没法把它们一个个束缚起来。因此,虽然太阳绝大部分是氢和氦,但并不是我们化学里学过的氢气(分子)和氦气(原子),而是电离的氢核(质子)、氦核(alpha粒子)和电子。
太阳里这些活跃的带电粒子(原子核和电子)形成了不同于固态、液态、气态的第四种物质形态——等离子体。等离子体并不是太阳的专利。闪电、辉光球的光,以及我们最开始提到的极光,都是气体被电离成等离子体状态后发出的光。只是这些等离子体的温度远远没有太阳那么高,远不足以发生核聚变。
既然太阳是等离子体(带电粒子)组成的,那么非常自然地,它抛射出来的太阳风也是带电粒子。我们的电子设备的正常工作离不开电和磁,而太阳风中的带电粒子参与电磁相互作用,就像一群捣蛋鬼,搞得电子设备“无所适从”,导致无法正常工作。更糟糕的是,我们前面讲过太阳风速度极快,也就是说带电粒子的运动极快,能量很高,像一颗颗“子弹”一样,甚至能损坏电子设备。
带电粒子在磁场中会发生偏转,所以地球的磁场能防止大部分太阳风直接吹进地球。同时,很多带电粒子被偏转汇聚到地球两极,轰击大气中的原子分子使其电离成等离子体状态,从而产生美丽的极光。
太阳风既给我们带来了壮观的自然景象,又对我们的电子设备造成损害,可谓有利有弊。
在历史上,1859年的“卡灵顿事件”中,极强的太阳风使得很多中低纬度地区竟然也出现了极光;同时,全球的电报系统都失灵了,各地电报局电报机的操作员报告说他们的机器在闪火花,甚至电线也被熔化了。如果这种级别的太阳风出现在电子设备如此普及的今天,造成的损失真的不堪设想。因此,人们不断观测和研究太阳,希望更好地掌握它的变化规律。即便人类没有能力改变它的活动,也能在灾难到来前做好准备,尽可能减小损失。