孙正凡（@松鼠老孙），天体物理学博士、科学松鼠会创始会员、中国科普作家协会会员、曾任第六版《十万个为什么》编辑。对中西方文化比较、科学发展及其对人类文明史的影响，有独到的见解。已翻译科普书十余本，举办科学讲座近百场。
有句话说，“一个民族需要仰望星空的人”，不过呢，夜晚的温柔我们对宇宙有一种迷思，让我们以为宇宙是如此的静谧安详。我们之所以有这样的感觉，是因为我们居住在地球上。我们的地球是太阳系里的一颗行星，在这颗行星上，我们自由地呼吸，享受着和煦的阳光。这一切都是因为地球特别的环境，以及它与太阳的微妙关系。
地球上的平静“来之不易”
图片来源：123RF
太阳是个超级土豪
我们居住在地球大气层的底部，大气层就像厚厚的毯子盖在我们身上，为我们保持了合适的温度，它还跟地球磁场一起，替我们挡住了来自宇宙的危险。如果没有大气层，裸露的地球直接面临温度接近绝对零度（零下273摄氏度）的太空，那会是什么情形，看看月亮就知道了——白天接受太阳照射“发高烧”达到127摄氏度，夜晚降到零下183摄氏度。
处在离太阳1.5亿千米的我们，接收到太阳的能量是每平方米1366瓦，这是垂直于阳光方向的数值，也就是进入地球大气层的能量密度。因此，地球接收到的太阳光总能量是1.740×1017瓦，这个数字是非常恐怖的，为什么呢？因为目前我们人类每年消耗的总能源大约是年5×1017千焦，也就是只相当于3000秒也就是8.3小时的太阳光能量。人类辛辛苦苦一年干的力气活儿，只相当于太阳的一个工作日！更何况，我们接收到的太阳光能量，又仅仅是太阳本身辐射出来总能量的20亿分之一！这就相当于太阳往宇宙中撒了两千万人民币，我们地球只接住了其中一分钱！
看到这里，你可能想到，哇！我们应该更积极地利用太阳能，即使不能亩产万斤，至少可以缓解世界上的能源危机了。不过天文学家看到这些数据，会想到另外一件事儿，太阳是如何产生如此的巨大能量的？
表现太阳内部结构的艺术剖面图，摘自《我们的太阳》一书
图片来源：NASA
从太阳来的诺贝尔奖
太阳的巨大能量从而来，也就是“太阳发光之谜”，曾经令天文学家们苦苦困扰了上百年。一直到1920年代，英国物理学家爱丁顿才提出猜想，应该是太阳内部发生的核聚变反应，提供了源源不断的能量，1938年贝特（Hans Bethe）完成了关于太阳内部氢聚变成氦的热核反应过程的计算。这个贡献解决了恒星能源之谜，从而让他获得了1967年的诺贝尔物理学奖。
在核聚变过程中，除了发出光、正电子之外，还会发射出来一种“看不见摸不着的”的粒子，称为中微子。天文学家约翰•巴考尔（John Bahcall）建立了“标准太阳模型”，他预言每秒钟就有数以万亿的中微子穿过我们身体，但我们没有任何感觉，也就是中微子几乎不会跟我们发生任何作用（要是作用显著的话，那就变成灾难大片《后天》的情景了），但是在随后美国Homestake金矿和日本神冈地下实验的测量中却发现，测量到的太阳中微子流量只是预期中的三分之一。这个问题被称为“太阳中微子丢失之谜”（solar neutrino problem）。
一直到1998年和2002年，日本超级神冈和加拿大SNO实验室才观测到确切证据，证明中微子没有丢失，中微子其实有三种，它们可以相互转化。从太阳里出来的时候，只有一种电子中微子，在飞行过程中，它有三分之二转化成了另外两种。
这下我们可以放心了，太阳这个巨大的能量之源，还是牢牢地掌控在科学家的方程之中。有意思的是，在2002年，雷•戴维斯与小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）由于发现“太阳中微子丢失”而被授予诺贝尔物理学奖（其实在这时，“丢失之谜”的答案刚刚被找到，正因为“丢失之谜”被解决，人们才注意到这个问题的重要性）。到2015年，解决“丢失之谜”的科学家梶田隆章（小柴昌俊的学生）及SNO实验室的亚瑟•麦克唐纳也拿到了（慢了半拍的）诺贝尔物理学奖。看来诺贝尔奖委员会还真是“不见兔子不撒鹰”啊！
虽然有了“太阳标准模型”，实际上关于太阳还有很多未解之谜，比如太阳黑子周期是怎么回事儿，日冕温度为什么比太阳本体还高，太阳风是怎么被抛射出来的，太阳磁场究竟是怎么回事儿，太阳是怎么形成，又将在何时发生爆炸毁灭太阳系……有许多问题都是诺贝尔奖量级的难题。因此天文学家们正在动用地面、太空望远镜各种手段密切关注太阳。
极光之谜
其实从太阳而来的巨大能量早就有了征兆，只是我们不理解而已。在地球的高纬度地区，夜晚经常可以看见极光（Aurora）。极光异常壮丽，是横跨天空的巨大绿色、红色、蓝色光带，还会轻轻飘舞，令人心醉神迷。极光看上去很美好，但它却是太阳“脾气暴躁”的证据。
阿拉斯加熊湖上空的北极光
图片来源：USA Air Force，摘自《我们的太阳》一书
除了发出光和热，太阳还会发出高能的带电粒子流，其中主要是电子和质子。太阳风的速度非常大，可以高达160万千米每小时，有时候狂风速度还会更大。如此狂躁的太阳风会严重伤害生命，所以载人航天的防护非常重要，要能够把这些高能粒子屏蔽在飞船之外，要是出舱活动，宇航员要穿上厚厚的宇航服。
在地面上，幸好地球有一个厚厚的大气层保护我们，而且它还有一个隐形的帮手：地球磁场。地球磁场的磁力线从南北极出来，在地球周围形成像多层笼子一样一个场。来自太阳的带电粒子被地球磁场俘获，会在这个磁场中运动，输送到南北极区域。当这些粒子流在南北极冲进地球大气层的时候，跟高层大气原子发生强烈的摩擦，把能量传输给大气原子，会产生某些特定颜色的光。这就类似日光灯或者霓虹灯的发光机制，也就产生了我们看到的美妙的极光。在中国古代传说里，北方有一种神兽叫做“烛龙”，它的形体巨大，在空中摇摆。民俗学家认为，它可能就是源自古人看到的极光，或者听说过的北方极光传说。
地球磁层保护我们免受太阳粒子的危害。不过有些粒子依然能够从这个保护盾的“间隙”进入大气层，产生白日极光。来自太阳的大部分粒子在地球背向太阳一侧穿透磁层，然后沿着磁力线去往极地区域
图片来源：T.Abrahamsen/ARS，摘自《我们的太阳》一书
当太阳活跃，太阳风非常强烈的时候，有时候在中低纬度都可以看到极光，还可能会对我们的电气设备造成伤害，尤其是我们如今为数众多的卫星等航天器。所以在现代的天气预报之外，又加了另外一项“太空天气预报”，提前知道太阳的活动，尤其是那些被抛射出来的大团的高能粒子，进行防护或躲避。
庆幸地生活在地球上
所以我们能够生存在地球上，是由一连串的巧合条件造成的。我们离太阳的距离不太近，也不太远，正好适合液态水的存在。像水星离太阳太近，它的大气层已经被太阳给剥光了，像木星土星，离太阳又太远，如果地球位于这样的位置，行星也是冰冻的。如果没有地球大气层，我们就会像月亮一样，白天温度非常高，夜晚温度非常低。这种温度剧烈变化、冰火二重天的世界，是很难适合生命存在的。地球磁场帮我们抵挡了来自太阳的高能粒子，从而免于电离辐射的伤害。
此图表现了我们所在的太阳系刚诞生时可能的样子
图片来源：NASA/FUSE/LynetteCook，摘自《我们的太阳》一书
所以宇宙环境对于生命来说并不友好，地球和太阳的关系微妙而复杂，地球的种种条件，让它成为难得的承载生命的一艘“宇宙飞船”。在这次飞船上，我们能够享受来自太阳的能量，却又不被它伤害。
我们日常所需要利用的也仅仅是太阳光中的可见光部分（还有部分紫外线和红外线）。而大气层的防护和我们在宇宙中的位置，又让我们可以非常安全的观测太阳，理解太阳。太阳是我们了解宇宙，尤其是了解恒星的非常好的样本。
万物生长靠太阳，其实科学的发展也离不开对于太阳的研究。太阳物理学是天文学中的一个重要分支。
挪威太阳物理学家保罗•布雷克这父亲也从事太阳研究，实际上他从刚开始学走路的时候，就在挪威的哈勒斯图亚太阳天文台生活了，长大之后又成为了一位专业的太阳天文学家，成为挪威和欧洲空间局、美国国家航空航天局的太阳研究项目的领军人物。
他为公众写成的《我们的太阳》图文并茂，浅显易懂，从古老的极光传说，到最新的太阳物理之谜，把太阳方方面面的秘密抖了个遍，一定会让你拿得起，放不下。
如今春分已过，太阳回到了北半球，让我们在春暖花开的季节，一边晒着太阳，一边了解这位年龄已经45亿岁，既温柔又暴躁的太阳老公公吧。
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