認識太陽 (3) : 太陽的大氣層

         太陽主要由氫及氦組成，所以沒有像岩石行星有界限分明的表面，但為了方便討論，天文學家以光球層為分界，對流層以外稱為太陽的大氣層。太陽大氣層的密度很低﹐其區域內氣體因為十分稀薄，因此能讓光球層發出的光線順利通過，但是因為透明度很低、且變化隨時都是很劇烈，所以我們無法直接觀測到它的內部。以致於我們對於太陽的瞭解，
除了極少數的微中子(Neutrino)偵測外，
目前絕大多數數據都是在描述太陽的表面現象變化。太陽大氣層的結構主要由光球層(photosphere)、色球層(chromosphere)、日冕 (Corona)與太陽風(solar wind)4部份組成。
         光球層是太陽的最底層大氣 ，雖然它平均密度只有水的數億分之一，但是它的厚達約500公里，所以顯得光球層是極不透明的，絕對溫度約5800K，我們所看到的太陽表面即是光球層。仔細的觀測可看到對流層上有尺度大小約為1500公里的米粒組織（granulation），此一結構是由對流所造成的，底層的氣體會向上升，氣流升降的速度約為每小時1公里，當這些熾熱氣體把能量釋放後，便會變冷變暗，然後沉降回光球層之下，這種對流運動產生了稱為米粒組織的太陽表面特徵。通過望遠鏡，我們可以看到太陽表面上有很多比較暗區域圍繞的光斑，每一個米粒約能維持二十分鐘，大小則約為地球的十分之一，形成與消失完全是隨機的。另外對流層上可明顯地看到太陽黑子(sunspots)，太陽黑子是太陽的黑暗區域，溫度只有約4000K，由於相對來說它們比光球層其他地方「冷」，產生的光亦較少，所以看來較暗，當經過太陽濾鏡觀察時，濾鏡將太陽放出的強光減弱，原本比較暗的地帶在濾鏡下會看來變成黑色的太陽黑子。太陽黑子的大小跟地球差不多，很多時黑子是整群出現的。黑子生命短暫，只有少於數天至約三星期的壽命。太陽黑子的多寡變化有一個十一年的周期，在周期之始，黑子基本上出現在緯度較高的地方(即離太陽赤道較遠)，接著太陽黑子數目會不斷增多，並且會向赤道靠攏。地球所見的太陽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，經由精密的光譜儀分析太陽連續光譜上的吸收譜線，可辨認出太陽大氣中的主要化學組成，除氫以外尚有鐵、鎂、鋁、鈣、鈦、鉻、鎳、鈉…等五十七種元素。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。
         色球層是太陽大氣層的中層，厚約8000公里，沒有明顯的上邊界，由於太陽的邊緣氣體密度很低，使得此部份的發光強度，只有光球的萬分之一。在日全蝕中，當月面恰好把光球全部遮擋時，可以看到玫瑰色的色球層，而這也是色球層名稱之由來。色球層並不是渾圓的，而是有很多稱為針狀體的細小突起地帶。依據我們日常生活的常識，離熱源近者溫度會比離同一熱源較遠者來得高，然而太陽大氣層裡的情況卻大不相同，色球層的溫度隨高度的增加而上昇，由光球層頂部的 4200K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：在厚度約為400公里的厎層，溫度由4200K升到5500K。然後在1200 公里的中層，溫度緩慢上升到8000K。在最後約400公里厚的高層溫度急劇升至數萬度，且在不到6000 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二萬度，故色球層光譜中，可見到光球層光譜所沒有的氦原子光譜。
         日冕是太陽大氣層的最外層，厚約太陽半徑的1.3倍，但範圍可延伸至達太陽半徑十倍之遠，溫度約1百萬K，日冕的形狀極不規則，隨太陽活動的強弱逐年變化。在太陽活躍極大期，日冕的形狀接近是個圓形向四面八方射出；而在太陽表面活動較寧靜時，赤道區附近較為延伸、呈現像橢圓形的蒲扇一樣，向太陽赤道方向平伸出去，一直延伸近 2 百萬公里。 日全食中，當月面將色球遮掩後，可見到圍繞太陽四周有一片淡白色的暈，這就是日冕。日冕物質非常稀薄，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，故只有在日全食時才能觀測到。日冕的溫度非常高，可達二百萬度以上，如此高的溫度，可能是經由儲存在太陽磁場中的能量加熱而成的，但確切的過程為何，仍待進一步的研究。
         太陽風是被吹離太陽的高速離子氣體(氫離子或稱質子, 電子,….)的統稱。由於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，脫離日冕而遠離太陽的高速離子即為太陽風。太陽風所造成的質量流失每年約有1千萬噸，但與太陽的總質量相較，仍微不足道。太陽風的傳播速度約每秒450公里，太陽探測船尤里西斯號(Ulysses)傳回來的數據顯示，由太陽極區流出來的太陽風之速度更可高達每秒750公里，而且極區太陽風的成份也略有不同。太陽風中的高能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。但地球有磁場與大氣的遮蔽，大部份的高能粒子被阻隔在地球之外，少部份在地球的極區進入地球的粒子與空氣分子相碰撞，使空氣分子游離並發出瑰麗的極光(northern lights﹐aurora borealis, southern lights﹐aurora australis)，在這過程中高能粒子損失了大部份的能量，也降低了其傷害性。地球磁場在太陽風的吹襲之下，形成了迎太陽風面被壓縮而背太陽風面被拉拽的磁層結構(magnetosphere)。

日全蝕時觀察到的色球層及日冕

認識太陽(2) : 太陽的內部結構

         從天文學的角度來看，太陽只是一顆並不十分起眼的G2型主序星(Main Sequence Star)，與宇宙間繁如恆河之沙的其他恆星相比較，太陽的質量、發光能力、表面溫度與生命期大略全處於中間地帶，而年齡也恰處於中年，在宇宙中有數以億計的恆星跟太陽差不多，可算是一顆很典型的恆星。由於太陽是最接近地球的恆星，當天文學家想驗證由多門學科匯集而成的恆星結構與恆星演化理論時，太陽很自然地便用來驗證理論的對象。現行的恆星理論對太陽的結構、能源、成份變化、總光度(發光能力)與表面溫度等基本資料，己有相當程度的了解與說明，但對太陽大氣的湍流、風暴與各種爆發現象，如物質的噴射、爆發性的γ 射線、X射線、紫外線與無線輻射，尚未有太深入的了解，這些天文學家不太了解的太陽活動是相當壯觀的景象，而且大多在很短的時間內直接或間接的影響地球的大氣，氣象，地磁等等，深切的影響了人類的生活，甚至導至文明的興衰。這些太陽活動所伴隨的太陽能量輸出變化，僅是正常總輸出量的萬分之幾，卻已經為天文學家深入了解太陽的性質提供了相當多的線索，另外天文學家己有相當的証據顯示，其他的恆星也有相似或甚至更為激烈的大氣活動。 因此研究太陽不僅因為它與人類息息相關，更可以驗證恆星理論，補強觀測其他遙遠恆星所不足之處。
         太陽的半徑大約有70萬公里﹐是地球的110倍，質量則大約有20萬憶兆噸﹐約為地球的33萬倍。若以重量計算﹐太陽中七成是氫(Hydrogen)﹐其餘主要是氦(Helium)。氫是太陽中心核反應的原料﹐而氦則是核反應的產物﹐但應注意太陽中的氦大部分不是由太陽產生的﹐它們在太陽誕生時已經存在。當人們望向太陽，看到是太陽的光球層，這是太陽大氣中非常薄的一層，厚度只有500公里。我們可以看見光球層，原因是它的氣體密度剛剛好，在它之下的氣體密度太大，光線不能通過；在它之上的氣體則足夠稀薄，能讓光球層發出的光線順利通過。所以，光球層界定了肉眼可見的太陽「表面」，它的溫度約為絕對溫度5-6千度。絕對溫度是科學界最通用的溫度單位(度量單位為Kelvin, K)只要將它減去273，便可轉化為攝氏度，例如絕對溫度300度，相等於攝氏27度。絕對零度是低溫的極限，沒有任何物體可以更冷。
         太陽和宇宙中的其他恆星一樣是個氣態的球體，並沒有像岩石行星有界限分明的表面，但為了方便討論，天文學家把發出強烈白光，而光線無法穿透的球面做為太陽的表面，給了它一個特別的名稱叫光球層(photosphere)，並以光球層為分界，把太陽的結構分成內部結構與大氣結構兩大部份。
         首先介紹內部的結構，太陽的內部結構由內到外可分為核心(core)、輻射層(radiation zone)、對流層(convection zone)等三大部份。核心是產生核熔合反應之處，亦是太陽的光和熱來源。太陽核心約佔總質量50%，太陽半徑的10%，但為太陽99%的能量來源。太陽核心的壓力為地球大氣壓力的2千5百億倍，溫度估計約為1千5百萬度，是氫進行質子–質子熱核熔合的反應區。核心物質的密度為每立方厘米重150克，即一塊方糖大小的核心物質在地表的重量可達150克重。遠高於鐵的密度每立方厘米7克。
         從核心向外到半徑75%的區域稱為輻射層，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太陽表面，然後才輻射到四面八方。 在輻射區內，光子平均每走1公分就與其他物質(主要是電子和其他原子核)碰撞一次，由核心以"光"的形式向外傳遞的能量，這些隨機向四方發射的光子會較原本的光子有更長的波長，亦即能量亦較低。這種能量傳播方式稱為輻射傳播，一顆在核心內產生的光子，需要數千萬年才能以數千顆低能量、主要是可見光的光子的形式到達太陽表面。輻射區內密度比率相差非常大，愈接近核心的地區其密度愈高，半徑為太陽一半的球體內已含有90%的太陽物質。
         對流層是靠近表面的地區，厚約15萬公里，以對流形式將能量傳出。 輻射層的外圍溫度下降的很快，物質的透明度大為減低，再加上太陽表面的輻射損失，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，頗似沸騰狀態的一壺水，對流層厎部的溫度約為一百萬度。 在對流層裡來自太陽內部的能量，有之部份轉化為氣流的動能，太陽光球層、色層與日冕的各種活動與噴流皆與對流層有密不可分的關係。
        

認識太陽(1) : 太陽系的誕生

人類現在不可能回到過去，目睹太陽系(Solar System)的形成過程，人類現在更不能在實驗室中造一個太陽系，驗證天文學家的理論。 在茫茫宇宙之中，只有一個太陽系的樣本可供人類仔細研究。那天文學家怎麼可能知道太陽系的形成過程﹖坦白說，天文學家只可以推測。但這絕不是胡亂猜測，一切推理皆要符合現時所知的科學理論，這些猜測亦必須自然合理，無須諸多巧合或特殊的初始條件。本銀河系約有二千億個恆星，而宇宙至少有1万億兆個恆星(一后面加二十四個零)。這些眾多的恆星，各個恆星的質量不盡相同，而且處於不同年齡與演化階段。天文學家根據觀測的結果，再加上理論的計算，構造出現在的恆星演化理論。恆星演化理論主要涵蓋範圍包括﹐恆星的誕生(新生與嬰兒期)、主序帶恆星的演化(壯年期)、後主序帶恆星的演化(老年期)及恆星的歸宿(死亡)與 恆星各時期化學元素的合成。 所以恆星並不是永恆的，他們與我們凡人相似，也有生老病死。

天文學家推斷銀河系一開始可能只是一團雲氣，自身作球狀旋轉。因不斷受重力的收縮凝聚，其氣體的密度不斷增加，最後在重力和外來因數的影響下，雲氣開始分離，並出現一些密度較高，局部性塊狀的區域。在大約五十億年以前，其中一團被分離的旋轉氣體及塵埃的星際物質(Insterstellarmedium)，在自身的引力作用下開始收縮。根據角動量守衡定律(Law of conservationof angular momentum)，在沒有外力的情況下，它會不斷旋轉，直至永遠，而且物體收縮得越細，旋轉速度越大。這個狀態稱為原恆星(胎星, Protostar)階段，是雲氣在塌縮成為成為恆星之前的一個狀態，其熱力雖然足以產生紅外線，但是不足以開始進行核融合，所以在可見光波段很難觀測到。原恆星的本身的收縮，會導至旋轉速度加快，再加上氣體粒子之間的摩擦，令氣體團變形成為碟狀，此型態稱之為吸積盤。吸積盤靠近原恆星中心的溫度極高，物質由中心處垂直盤面噴出，形成噴流(jets)。這個收縮過程會不斷持續，原恆星的質量，因周圍的物質持續地加入而增加，核心的溫度也隨之昇高，當核心的溫度超過4百萬度時，氫開始發生核融合，便可以觸發氫融合反應，恆星就誕生了，並變成更小而密度更高的熱星。 此時恆星的四周雲氣仍然很稠密，可能還無法直接看見這顆新生的恆星。但通過觀測周圍雲氣受中心恆星激發的情形，可以推知雲氣深處有新的恆星誕生。當胎星的中心開始產生氫核融合，此星體正式進入主序帶﹐天文學家將此時期的星體稱之為主序星，而恆星百分之九十的時間，都待在主序帶時期上。其他遠離但繞著主序星旋轉的物質亦會各自收縮，形成圍繞恆星公轉的各個行星。 氣體塵埃雲原先的轉動，成了行星公轉和太陽自轉的原動力。此時太陽系正式誕生，而整個誕生過程大約需要用十億年的時間。

隕石

       當太空物質如粹石塵粒﹐人做衛星殘駭﹐碎片等受地球引力吸引而進入大氣層，便會受大氣層摩擦燃燒發光，成為流星。假如流星體積太大，無法在大氣層中燃燒完，掉在地面上便成為隕石，但是大多數隕石為小微粒，掉落時未被注意，但有些則很大。 這些隕石內藏關於地球外小行星體的寶貴訊息，
天文學家依據這些資料， 可以瞭解行星的形成及其演化過程，甚至用來推算出太陽系的年齡。
         基本來說，隕石可分為三大類：石隕石(Stony meteorites)、鐵隕石(Iron meteorites)和石鐵隕石(Stony-Iron meteorites)。石隕石主要由硅酸鹽組成，含有小量的鐵鎳金屬和鐵的硫化物。鐵隕石主要由鐵鎳金屬組成，含少量鐵的硫化物、磷化物和碳化物。石鐵隕石由大致相等的硅酸鹽和鐵鎳金屬組成。三種隕石中以石隕石最普遍，佔全部被發現隕石的79.8%，鐵隕石次之(18.6%)，而最少有的是石鐵隕石(1.6%)。石隕石又可再細分為球粒隕石和非球粒隕石，當中又以球粒隕石佔大多數。
         球粒隕石(Chondrites)內部一般都散佈著許多球狀顆粒(Chondrules)，直徑從零點幾毫米至幾毫米，這球球粒結構十分特殊，在地球上的岩石是找不到的。非球粒隕石不含有球粒，它和地球上玄武岩和純橄欖岩一類岩石很相似。
         鐵隕石的一個重要特征是鎳的含量高，地球上自然鐵中鎳的含量不超過3%，一般在1%以下，而鐵隕石中的鎳含量通常都超過5%。如果將鐵隕石表面拋光，並用稀的硝酸溶液蝕刻，大多數鐵隕石都會出現一種特殊的花紋，由交叉條帶組成，呈網狀，而條帶又被一些發亮的狹窄細帶圍繞，條帶是鐵紋石，細帶是鎳紋石，這種花紋稱為維斯台登圖案(Widmanstatten pattern)。地球上自然鐵中是沒有這種花紋的，只有鎳鐵在異常緩慢冷卻的條件下，才會結晶出這種圖案。
         而石鐵隕石則介乎這兩者之間。
         隕石表面一般都有一層很薄的(小于一毫米)黑色或深褐色的熔殼(Fusion crust or ablation crust)，是隕石在大氣層隕落過程中，由于高溫使表面溶化，後來再冷卻凝固而成。隕石表面的另一特徵，是有許多象指印形狀的小凹坑，這是隕石與高溫氣流相互作用燒蝕後留下的痕跡，叫作氣印(Thumb prints or regmaglypts)。
         但不少隕石可能是已破碎的隕石，又或者已長年曝露在野外，表面特徵已被風化掉，外行人很難辦別真偽。

1969 年落到澳洲的 Murchison 隕石。

認識流星及流星雨

         科學家曾計算一天中掉入地球的流星數目，光度大於5等的，有大約900顆，這個數目使地球每一天增加約數噸的質量﹗但因為流星的分佈廣，可以見到它出現的地方又未必是你守望的方向，而日間又見不到流星， 故很難保證能見到流星。其實只要靜心守侯，每晚都有流星，通常每小時會看到2至3顆偶然出現的流星。
         在太陽系內除了有行星、衛星及眾多小行星外，還有很多所謂的「太空垃圾」，如粹石塵粒，人做衛星殘駭﹐碎片等等。當這些東西掉進地球的大氣層，由於速度非常高(每秒十多至七十多公里的速度)，地球大氣會對其產生一種流體力學中所稱的衝壓力(ram pressure)，令塵粒高溫發亮。這些塵和碎石稱為流星體(meteoroid)，多數會在墜入大氣層時燒掉，產生短暫的光跡，這些流星體在燃燒時便是流星(meteor)。流星的出現通常是單個而零星的，出現的時間及方向亦沒有規律，這樣的流星稱為「偶發流星」。偶發流星並不罕見，在天氣良好和足夠黑暗的地方進行一兩小時觀星就很有機會看到，每小時大約有10顆偶發流星。當流星在天空中飛過之後，會流下淡淡如雲般的遺痕，稱為流星跡。流星跡通常在數秒鐘就會消失，也有較罕見的持續數分鐘之久，被風吹動後改變了其形狀。有些流星會發出大量光芒，甚至在日間可見(尤其是人造的太空垃圾)，這些極光亮的流星有時被稱為火球 (fireball)。大部份的流星在大氣中會燒盡熔化，只有較大或較堅固的流星物質能進入低層的大氣層，給我們看見，若流星掉在地面，我們便稱之為隕石。流星主要可分為三類，第一種的主要含量是鐵，另一種流星含有礦物及鐵質，而第三類也是最常見的是石塊的一類。
         在深夜日出前看到偶發流星的機會比入夜到子時的一段時間較高，其主要原因在於地球的自轉和公轉﹐因為地球的自轉和公轉的方向是相同的，因此在中午到子時的一段時間，地上的人們會位於地球公轉的後方，使流星需要較大的速度才可追上地球，所以能見流星數目會減少，但反之，子時之後，地上的人們位於地球公轉的前方，地球的公轉使流星較容易撞上地球，所以能見流星數目會大大增加。

         認識流星雨前必須先認識彗星(Comet)。彗星源自太陽系外圍，是在太陽系初生成時已經存在的天體，它們會因行星的重力擾動而進入太陽系之內。當它們接近太陽時會受太陽輻射及太陽風所加熱及電離，令其表面的物質脫落，所以在彗星所經過的地方都會留下一堆碎石!而這堆碎石因慣性關係會繼續圍繞太陽運轉， 換言之彗星的軌道是一堆一同移動的碎石。部份彗星的軌道更會和地球的軌道重疊!由於兩者的軌道是相對固定的，地球在每年的特定時候都會接觸到彗星軌道留下來的碎石﹐此時流星數量將比平常大為增加﹐形成人們看到的流星雨。
         在地球上看，這些流星會有規律地由同一點向四方八面散發出來，這點正是彗星的軌道所在，稱之為輻射點。流星看來是由同一點飛出來其實是一種透視的效應，那些流星物質所走的路線原本都是同一方向及平行的，但當人站在地面觀看，便會出現一種錯覺，以為流星是從空中的一點向不同方向飛出來似的。某特定星座的流星雨是每年都重覆出現的!只是流星數量會續年減少，直到該彗星再一次接近地球軌道，留下更多碎石，當這情況出現時，這年該特定流星雨的流星數量將會大為增加。而地球在一年中會經過多條彗星軌道，因此每年會發生很多次的流星雨。為了方便說明，流星雨會以其輻射點所在的位置而命名，獅子座流星雨的輻射點就位於獅子座區域之內。

11月18日獅子座流星雨

        
流星雨唯一可被預測的特性，就是不可被預測。1998年獅子座流星雨，突然出現的火流星暴令不少人留下一世難忘的回憶，但亦同時令不少熱情的天文愛好者錯失良機；1999年再次令不少亞洲的天文愛好者失望，由於預測流星雨高峰期出現的時間誤，結果它卻出現在日出之後；2001年天文愛好者終於得償所願﹐在日出前數小時欣賞到過千顆流星飛瀉而下的壯觀場面。
         今年獅子座流星雨高峰期正值初一，是觀星賞流星雨的上佳日子。加上今年有預測指流星雨高峰期可能有多達每小時500顆的流星雨暴!木星、火星、土星、金星以至冬天的多個壯麗星座皆可盡入眼廉!今年11月18日絕對是全年最適合觀星的日子之一!根據最新的預測，今年的11月18日零晨時分可能欣賞到的流星數量可能有2001年那次的一半。
         11月18日當晚我們可以看到由牛郎織女合組成的「夏季大三角」在西方即將下山，全天最明亮的木星在西南方明亮悅目。天頂有飛馬座的「秋季四邊形」，金牛座、獵戶座則在緩緩東升。由於11月18日時值農曆初一，星空整夜將不受月光影響。

注意:
1. 觀星時切勿使用白光電筒，如需照明請用暗弱紅色的小電筒或自行準備紅色玻璃紙將電筒多重包裹。
2. 請保持環境具觀星氣氛，勿大聲耍樂影響他人。
3. 躺在地蓆之上看著天頂是最好的方法，請自行準備地蓆
4. 如打算過夜觀察，務必多帶外套，否則後悔莫及
5. 看流星只需使用肉眼，不需要望遠鏡