太陽的活動情形與人類在地球上之生存環(huán)境息息相關，因此，太陽自然地成為人類航天計劃最重要的探索目標。20 世紀 90 年代，以 Ulysses、SOHO 等為代表的一系列太空飛船的任務，還有最近的歐洲空間局與中國科學院合作的“SMILE”計劃，目標都是直指太陽以及地球附近空間的輻射帶。

俗話說得好：“萬物生長靠太陽”，太陽發(fā)光又發(fā)熱，供給地球上一切生命所需的熱量和能量。然而，太陽除了向四周輻射光和熱之外，還有一個不廣為人知的向宇宙空間“發(fā)威”方式，叫做“太陽風”。

從彗星尾巴的方向說起

人類對太陽風的最初認識，開始于對彗星尾巴形狀和方向的觀察，雖然古人當時并不知道有什么“太陽風”，只是根據(jù)觀測資料，將慧尾的方向與太陽所在的位置聯(lián)系起來?！稌x書·天文志》中指出：“彗體無光，傅日而為光，故夕見則東指，晨見則西指。在日南北，皆隨日光而指?！薄?/p>

古代的觀測手段有限，用肉眼就能看到的大彗星畢竟是少數(shù)，并且，彗星周期很長，從幾十年到百萬年都有。比如說，人類了解最多的哈雷彗星，屬于“短周期彗星”，周期也有76年。因此，古人們將這些多年難得來訪一次的“稀客”看著是不祥之兆，稱為掃帚星。實際上，現(xiàn)代天文觀測資料告訴我們，太陽系中彗星的數(shù)目可以說是多到“不計其數(shù)”，到2016年8月為止，有記載的彗星便已經(jīng)有3940個。

美麗的彗星總是拖著長長的尾巴，彗星的直徑僅幾十公里，但彗尾卻長達幾千公里。一般而言，彗尾不止一條，比如2006年發(fā)現(xiàn)的麥克諾特彗星，多條彗尾如孔雀開屏一樣呈扇形張開在天空中，異常地壯觀和美麗。擁有兩條彗尾的彗星十分普遍，其基本成因也有科學的解釋：一條叫塵埃尾，另一條叫做離子尾，見圖12-1的示意圖（金黃色的是塵埃尾，藍色的是離子尾）。塵埃尾是由跟隨彗核一同運動的塵埃物質(zhì)（氣體、沙粒、小石塊）反射太陽光而形成，因此，它通常呈現(xiàn)黃色或者紅色，塵埃尾的方向除了與太陽位置有關以外，還與彗星自身的運動速度和方向有關，也正是因為彗核的軌道運動對周圍塵埃物質(zhì)的“拖曳”作用，塵埃尾有時看起來是彎曲的弧形。

離子尾的形成與 “太陽風”有關，它永遠都指向背向太陽的方向。乍一聽有點不可思議，地球上會刮風，是因為地球上有大氣，太陽怎么也會“刮風”呢？難道太陽上也有“大氣”？確實如此，只不過與地球大氣的成分不完全一樣而已，太陽風來自于太陽大氣的最外層，即日冕，其主要成分是等離子體。所以，太陽刮出來的是“等離子風”。

太陽風中包含著大量的帶電粒子，吹向四方時運動電荷形成磁場，到達彗星附近時與彗核周圍的磁場相互作用而發(fā)光。因此，離子尾跟隨的是太陽風的磁力線，而不是彗星軌道的路徑，所以總是指向背對太陽的方向。并且，太陽風的速度非?？?，遠遠大于彗星的運動速度，因此離子尾看起來不像塵埃尾那樣呈現(xiàn)出彎曲美妙的弧形，卻總是筆直地硬邦邦地向外延伸出去。離子氣體中含有光譜為藍色的CO+離子，因而使得大多數(shù)離子尾呈藍色。

起初，科學家們用來自太陽輻射的“光壓說”來解釋彗星的離子尾，但計算表明光輻射產(chǎn)生不了這么大的壓力。1958年，尤金·派克（Parker）認為日冕外層的太陽大氣會逃逸到空間中去，因此而預言應該有一股強勁的等離子體風從太陽不間斷地吹出來，充斥了行星間的空間。但當時的大多數(shù)科學家反對派克的太陽風假說，他的觀點遭嘲笑，論文被拒稿。

直到1960年代人造衛(wèi)星上天后，強有力的觀測事實才證實了太陽風的存在。

太陽風的來龍去脈

太陽的輻射能來源于核心的核聚變，核心溫度高達15,000,000K，然后到太陽表面處，溫度下降到5800K左右。太陽表面的上方，便是大概可分為3層的太陽大氣：緊靠著太陽表面的薄薄的光球?qū)樱?00公里左右）、然后是1500公里左右色球?qū)?、最外層的日冕可以延伸到幾個太陽直徑甚至更遠。但日冕區(qū)的亮度卻僅為光球?qū)拥陌偃f分之一，只有在日全食的時候才便于觀測。

按照常理來分析，似乎距離太陽核心越遠的大氣分層，溫度應該越低，但事實卻不是如此。從5800K度的光球?qū)娱_始，色球?qū)拥臏囟绕鸪趼杂邢陆?，但后來急劇升高?7000K度左右，到了日冕區(qū)域，溫度甚至達到了幾百萬攝氏度的高溫，見圖12-2a。

比較地球的大氣而言，太陽大氣的物質(zhì)密度要稀薄得多，最密的光球?qū)樱芏纫泊蠹s只有地球（海平面）大氣密度的0.1%，色球和日冕的密度就更為稀疏了。我們在地球上看到的太陽，是一團閃亮的金黃色火球，那基本上是來自于光球?qū)拥目梢姽廨椛?。產(chǎn)生于高溫日冕層的太陽風主要輻射的是帶電粒子流。

日冕的高溫是如何形成的？這仍然是困惑物理學家的一個未解之謎。但溫度極高的事實卻是被光譜分析以及各種間接觀測手段所證實了的。太陽的主要成分是氫和氦，在幾百萬度的高溫下，氫原子和氦原子中的電子都紛紛從原子核的束縛中“解放”出來，成為自由電子，與帶正電的離子混合在一起作高速運動，這種混合物被稱之為“等離子體”。等離子體是物質(zhì)的第4態(tài)，因為它不同于原來意義上的物質(zhì)三態(tài)：固體、液體、氣體。圖12-2b顯示了各種等離子體得以存在的密度及溫度范圍。

等離子體的形態(tài)類似氣體，但是由離子及電子組成的，它們廣泛存在于宇宙中，是宇宙中豐度最高的物質(zhì)形態(tài)。其實，在我們的日常生活中也經(jīng)常見到它們，比如說火焰、霓虹燈、氫彈等。當今世界各國企圖攻克的受控熱核聚變反應，其研究對象便是等離子體。

日冕跟火焰的密度相近，但是溫度卻要高出3-4個數(shù)量級。所以，太陽就像是一團懸浮在宇宙中的熊熊燃燒的超大火焰。地面上的空氣流動能形成風，在日冕的高溫等離子體中，不停地有某些擺脫太陽引力的高速粒子向外流出，形成“太陽風”。

地球磁場隨“風”起舞

比較太陽的光輻射而言，太陽風的能量是很小的，大約只有光輻射能量的十億分之一。然而，太陽大火吹出來的“等離子風”對地球的作用卻非同小可。

等離子體是由質(zhì)子、α粒子、少數(shù)重離子和電子流組成，太陽風將這些帶電粒子以300至800公里/秒的速度“刮”到地球，這些速度大大超過空氣中聲速的粒子產(chǎn)生的磁場效應使得地球磁場隨風而舞。

幸好有了地球的磁場，為我們抵擋住太陽風的襲擊，否則地球人就慘了。在圖12-3a的示意圖中，從左上方日冕處刮向地球的太陽風，改變了地球磁場的形狀，看起來似乎是將地球附近的磁力線“刮”向了后方，而新形成的地球外圍磁層就像一把遮陽大傘，頂住了太陽風，為地球撐起了一把保護傘。雖然不可見的兩股電磁力在地球上方無聲地激烈戰(zhàn)斗著，但這把地磁大傘構成了一片安全的空腔，保護著地面上包括人類在內(nèi)的生命體不受高速帶電粒子的危害，也保護著空間基礎設施，如衛(wèi)星等能正常工作。

光球?qū)拥墓廨椛渲恍枰?分鐘就能抵達地球，太陽風中的帶電粒子卻需要經(jīng)過40小時左右的飛行。這些粒子到達地球后，被磁場“大傘”阻擋在外，只好繞道而行。然而，“風”有風的特性，有時輕柔飄渺，有時風云突變。太陽風也是如此，太陽磁場的活動性大約以11年的周期變化，此外還有突發(fā)事件，比如說當太陽突然劇烈活動時，太陽風也就來得迅速刮得猛，大傘百密一疏防不勝防，總會有漏洞，免不了闖進一些“不法分子”，這些隨風飄來的高能離子，沿著地球附近的磁力線侵入地球極區(qū)，與極區(qū)上空的大氣層作用放電，產(chǎn)生壯觀絢麗的極光，見圖12-3b。

圖12-3b可見，極光五彩繽紛，呈現(xiàn)各種顏色，那是因為帶電粒子進入不同層次的大氣層時，碰到不同的原子（主要是氧和氮），放電顏色取決于在什么高度碰到了哪種原子。變化的太陽風，碰到了變化的地球風，兩風相斗，互相作用，使得產(chǎn)生的極光“隨風舞動”，美麗玄妙，變幻無窮。

北極光和南極光固然使人類著迷，吸引人們不遠萬里到極地觀賞這一大奇觀。但是，在這種太陽的非常時期，科學家、工程師、還有某些行業(yè)的特別技術人員們，往往正在為太陽風帶給地球的一些其它影響而忙碌：也許是某種局部的破壞性災難；也許是使得氣溫增高氣候反常；也許是衛(wèi)星失去控制；也許是使電力網(wǎng)癱瘓，互聯(lián)網(wǎng)失效，通信中斷，甚至于還可能對人體引起一些說不清的效應，諸如身體疾病增多，心理情緒波動等等。

科學家們也借此難得的機會研究太陽和太陽風。實際上，無論正常期還是非常期，科學家們一直不停止地研究太陽風。特別是進入航天時代以來，美國宇航局及其它國家發(fā)射了多個監(jiān)測太陽的航天器：如1980年的“太陽峰年衛(wèi)星”，1990年的“尤利西斯”，1995年的“軌道太陽望遠鏡”，2006年的“日地關系天文臺”等等。