天體物理趣談

天體物理——09級環(huán)境工程甲班復(fù)仇者大學(xué)物理拓展之天體物理篇

聰明的你，告訴我，在這宇宙中，什么是無限的？宇宙中唯有兩件事物是無限的:那就是宇宙的大小與人的蠢笨。然而宇宙的大小我卻不能肯定。

天體物理學(xué)分為：太陽物理學(xué)、太陽系物理學(xué)、恒星物理學(xué)、恒星天文學(xué)、星系天文學(xué)、宇宙學(xué)、宇宙化學(xué)、天體演化學(xué)等分支學(xué)科。另外，射電天文學(xué)、空間天文學(xué)、高能天體物理學(xué)也是它的分支。太陽風(fēng)的影響能夠?yàn)槲覀冎苯痈惺?。日地關(guān)系密切，所以研究有關(guān)地球的科學(xué)，必須考慮太陽的因素。 銀河系有一、二千億顆恒星，其物理狀態(tài)千差萬別。球狀體、紅外星、天體微波激射源、赫比格一阿羅天體，可能都是從星際云到恒星之間的過渡天體。天體上特殊的物理?xiàng)l件，在地球上往往并不具備，利用天體現(xiàn)象探索物理規(guī)律，是天體物理學(xué)的重要職能。河外星系與銀河系屬于同一天體層次。星系按形態(tài)大致分為五類：旋渦星系、棒旋星系、透鏡型星系、橢圓星系、不規(guī)則星系。按星系的質(zhì)量大小，又可分為矮星系、巨星系、超巨星系，它們的質(zhì)量依次約為太陽的一百萬到十億倍、幾百億倍和萬億倍以上。同銀河系一樣，星系也由恒星和氣體組成三、五個、十來個、幾十個以至成百上千個星系組成星系集團(tuán)，稱星系群、星系團(tuán)。通過各種觀測手段，人們的視野擴(kuò)展到150億光年的宇宙“深處“。這就是“觀測到的宇宙”，或稱為“我們的宇宙”，也就是總星系……眼花了？沒關(guān)系我們要討論的是……面對浩瀚飄渺的宇宙也許災(zāi)難就在不遠(yuǎn)處……DoYouBelieveEndOfWorld?AndWhy?這些都是天體物理學(xué)所關(guān)心的，很簡單的問題，但是到現(xiàn)在也沒有答案……所有的所有只是猜測……你知道嗎？地球所處的太空環(huán)境并非我們想象的那樣的安全小行星及天體的撞擊太陽風(fēng)暴太空射線太空細(xì)菌……已知的威脅有：尤其是第一個和第二個，也許你還不以為然，讓我們來看看美國《發(fā)現(xiàn)》雜志曾經(jīng)評出威脅人類生存的21世紀(jì)20大危險，其中小天體撞擊地球位于首位。同時在聯(lián)合國認(rèn)定的世界四大突發(fā)災(zāi)難中，小天體撞擊地球也居于首位。人類遭遇天災(zāi)的可能性是存在的……小天體沖擊的強(qiáng)度有可能難以想像。一塊直徑250米的太空巖石，以具代表性的20公里/秒的速度落地，其爆炸力相當(dāng)于500兆噸TNT炸藥，其能量超過廣島原子彈3萬倍。其威力將是1883年把喀拉喀托島劈開、造成3.6萬人死亡的火山爆發(fā)的兩倍多?！?0000＝

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就小行星而論，250米相對來說不算大。猛擊地球的巖石中，最小只有幾米寬。但是，在其活動期內(nèi)，地球曾經(jīng)被來自外太空的巨大石塊（有些直徑超過10公里）打得一敗涂地。據(jù)說，6500萬年前那次滅絕了恐龍—實(shí)際上滅絕了地球上70%生命的事件就是由此引發(fā)。地球被砸簡史

地球從形成至今已有億年了。在這漫長的歲月里，發(fā)生過無數(shù)次小天體撞擊地球的事件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近1億年來，地球遭到小天體撞擊造成直徑大于1公里的隕石坑就有1萬處之多。由于地球大氣層的保護(hù)，體積和質(zhì)量小的小天體往往在墜落地面之前就已燃燒殆盡，但大的就給地球造成滅頂之災(zāi)。萬年前，一顆直徑約10公里、質(zhì)量為100億噸的小行星撞到地球表面上，也就是現(xiàn)在墨西哥尤卡坦半島東北沿岸地區(qū)；據(jù)專家估算，這一撞擊釋放的能量相當(dāng)于廣島原子彈爆炸威力的倍，造成當(dāng)時全球氣候、環(huán)境、生態(tài)的災(zāi)變，使稱霸世界的恐龍及其他生物種類滅絕。

1490年4月4日中午，一顆直徑約米的流星體撞到我國甘肅慶陽地區(qū)；當(dāng)時正逢清明時節(jié)，不少上墳的人被隕石碎塊擊中，據(jù)地方志記載“擊死人以萬數(shù)”。

46650050億5地球被砸簡史

1908年6月30日凌晨，一顆直徑約米的彗星在俄羅斯西伯利亞通古斯地區(qū)上空5公里處爆炸，其爆炸威力相當(dāng)于顆廣島原子彈爆炸的威力，所產(chǎn)生的沖擊波夷平了幾百平方公里的森林。

2009年10月8日，一顆直徑約米，運(yùn)行速度為每秒20公里的小行星在印度尼西亞蘇拉西島南部上空的地球大氣層中爆炸，釋放出的能量有顆廣島原子彈爆炸的威力。幸運(yùn)的是，由于爆炸的高度在地面以上20公里左右，因此沒有造成任何破壞。

502000萬103我們的周圍：

在接近地球軌道的地方，據(jù)NASA近地天體項(xiàng)目辦公室的數(shù)據(jù)，有765顆直徑大于1公里的近地小行星，5886顆各種大小的近地小行星。當(dāng)你算上近地彗星時，各種大小近地天體的總數(shù)就會達(dá)到5968顆。這樣的近地小天體無論是撞上陸地，還是擊中海洋，都將是一場全球性的浩劫。目前已知的對地球威脅最大的近地小天體是“阿波菲斯”小行星，其直徑為400米；一旦它撞上地球，將釋放出比廣島原子彈高10萬倍的能量。據(jù)專家測算，“阿波菲斯”小行星將于2029年和地球“擦肩而過”；由于它的軌道被地球引力改變，它將于2036年重新“光臨”地球，并很可能撞擊地球，相撞的概率高達(dá)三十七分之一，是有史以來發(fā)現(xiàn)的小天體中危險等級最高的。目前全球有100多個研究小組在從事“阿波菲斯”的太空任務(wù)研究，希望在它接近地球時能降低或排除相撞的可能性。前不久，英國著名理論物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家霍金在接受媒體采訪時就指出：由于近地小天體的威脅，人類必須移民到其他適宜生存的行星以擺脫滅亡的命運(yùn)。我們可能的應(yīng)對：核攻擊？擊毀它？改變其飛行方向？在災(zāi)難片《世界末日》中，布魯斯·威利斯（BruceWillis）所用核武器來終結(jié)殺手小行星。事實(shí)上，核爆炸釋放出來的巨大能量會把小行星粉碎成無數(shù)更小的碎片。如果它們的直徑超過30米，那么，就等于你成功地把一顆步槍子彈轉(zhuǎn)變成獵槍散彈。比如用航空器給它施加壓力；在它的表面插入一種像火箭那樣的裝置，利用反作用力推動它改變飛行方向；用鏡子、燈甚至油漆來影響它吸收太陽光和熱量，通過熱能的變化改變其軌道（這種方法見效比較慢，需要20年左右）；還有用火箭把一面巨大的太陽帆發(fā)送到它的上面，張開的太陽帆就吸收由太陽放射的光子，而光子產(chǎn)生的壓力把它逐漸推離原來的軌道……

所有的方法現(xiàn)都停留在理論設(shè)想階段；是否可行，還要靠將來的實(shí)踐來檢驗(yàn)......

太陽風(fēng)暴

太陽風(fēng)暴的歷史記憶

人類對太陽風(fēng)暴影響的清晰記憶，始于1859年9月1日。兩位英國天文學(xué)家在觀測太陽時看到，在一個大黑子群附近，有一大片新月形的明亮閃光以每秒100多公里的速度掠過黑子群，然后很快消失。不久后，電報聯(lián)絡(luò)中斷，地磁臺記錄到強(qiáng)烈的地磁暴。在當(dāng)天晚上和第二天晚上，地球上高緯度地區(qū)的人們，看到了明亮絢麗的極光。這是人類第一次觀測到太陽耀斑現(xiàn)象。不過，當(dāng)時的科學(xué)家還不知道這就是太陽耀斑爆發(fā)，只是隨后的一連串意外事件使他們感到十分震驚。

太陽風(fēng)暴

當(dāng)“2012”成為口頭禪，2013似乎成為一個新的時間“劫點(diǎn)”——美國宇航局(NASA)警告，2013年地球可能遭遇強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴，到時候全球?qū)⑾萑氪笸ｋ?，網(wǎng)絡(luò)電子通訊將全部癱瘓。如果惡夢成真，人類生活將發(fā)生歷史性的大倒退——當(dāng)然，像《先知》這樣的末日說，按照中科院地質(zhì)和地球物理所研究員萬衛(wèi)星的說法，情節(jié)“過于荒誕”。

太陽風(fēng)暴發(fā)生時會向周圍空間輸出三種影響：電磁輻射直接影響地球向日面的大氣層和電離層，對短波通訊造成干擾；耀斑爆發(fā)噴射出的大量高能粒子，會嚴(yán)重危及宇宙飛行器內(nèi)的宇航員和儀器的安全；日冕物質(zhì)拋射，則會引起地球強(qiáng)烈的磁場變化，即磁暴，屆時地表電網(wǎng)可能過熱，航空運(yùn)輸可能中斷，而電子設(shè)施、導(dǎo)航裝置和主要的衛(wèi)星可能失去功能。

太陽風(fēng)暴

太陽表面釋放著大量的等離子體——高能量粒子，它們從太陽表面逃逸以太陽風(fēng)的形式在太空中穿梭。有時太陽風(fēng)會攜帶著數(shù)十億噸的等離子球，如果大量的等離子球進(jìn)入地球磁場，將釀成毀滅性的災(zāi)難。

等離子進(jìn)入地球大氣層將導(dǎo)致地球磁場結(jié)構(gòu)的快速改變，誘導(dǎo)地面上較長電線的電網(wǎng)產(chǎn)生電流，其結(jié)果是導(dǎo)致變壓器的銅線快速加熱并被融化，電流失去控制。1989年3月，加拿大魁北克省就發(fā)生了類似的停電事件，600萬居民在沒有電的狀況下度過了9小時。

太陽風(fēng)暴

在歷史上最嚴(yán)重的太空天氣事件發(fā)生在1859年，這就是著名的卡林頓事件，該事件是以英國業(yè)余天文學(xué)家理查德－卡林頓（RichardCarrington）的名字命名的，此次是由于太陽黑子造成的，持續(xù)了8天的惡劣太空天氣。

2009年，美國科學(xué)家就太陽風(fēng)暴的經(jīng)濟(jì)和社會影響，向國家科學(xué)院遞交了一份報告，以提高人們對太陽風(fēng)暴危害的認(rèn)識，并倡議政府和私人企業(yè)為應(yīng)對強(qiáng)烈太陽風(fēng)暴做好準(zhǔn)備。

“美國科學(xué)家在這方面比較敏銳，他們在評估如果出現(xiàn)1859年這樣的太陽風(fēng)暴會有什么樣的后果。這不是寫科幻故事，而是相對嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)報告?！蓖艟艾L介紹說，在我國，目前中國科學(xué)院國家天文臺有一支研究太陽預(yù)報的團(tuán)隊(duì)，中國科學(xué)院空間科學(xué)和應(yīng)用中心有空間天氣的研究和預(yù)報中心，中國氣象局有國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心，國防部門也有相應(yīng)的研究工作在進(jìn)行。

不過……

根據(jù)歷史記錄和科學(xué)預(yù)測，小天體與地球相撞只是時間問題。直徑10公里的小天體平均每隔1億年會與地球相撞一次，直徑1公里的小天體撞擊地球的概率是10萬年一次，直徑100米的小天體撞擊地球的概率是每1萬年一次。也就是說基本不會發(fā)生……

不過……

關(guān)于太空射線和細(xì)菌之類的東西，我們的大氣層和臭氧層可以攔截99％以上的有害物質(zhì)也就是說基本無害……

至于剩下的，由于與空氣的摩擦，基本灰飛煙滅……不過……

到目前為止，人類對太陽黑子數(shù)量較為完整的記錄積累了23個周期。即使到了太陽周極大年，還要看相關(guān)太陽活動是不是對地影響有效(每個太陽活動周期間都會發(fā)生數(shù)十次強(qiáng)太陽風(fēng)暴，多數(shù)沒有直接撞擊到地球而已，超級太陽風(fēng)暴更屬于低概率事件)，其危害如何，還需要具體討論和評估。但即便超級太陽風(fēng)暴來襲，也并非意味著世界末日來臨。普通民眾對