太阳的运动

【专家解说】：太阳运动、活动对地球生物圈的影响 　 太阳是一个直径约140万公里的巨大火球，每秒钟向四周辐射放出的能量有3.82×1026焦，其中到达地球的能量约占其总辐射量的20～22亿分之1(约为182×1017焦，全年合5.74×1024焦，这相当于现今地球上总发电量的10万倍)。地球生物圈中一切生命活动的原动力均来自于太阳辐射能，就是这些能量使得地球上出现了生机勃勃的景观。太阳辐射量的变化和地球接受太阳辐射量的变化是影响生物圈正常活动的最大因素，而导致地球接受太阳辐射量改变的主要原因是：1、太阳系公转引起的轨道位置的变化和太阳、地球相对位置的变化；2、太阳活动相对强度的变化。 现代天文学研究表明，影响地球接受太阳辐射能量的主要原因，有周期为2.5～2.8亿年左右的太阳系在银河系中的轨道位置的变化。太阳带着太阳系以每秒250公里的速度绕银河系中心旋转，当太阳位于轨道远银心点时较近银心点它的辐射量要增加35％左右。距现代1.3～1.4亿年的侏罗纪——白垩纪时代，太阳系正位于远银心点，这时期的太阳的辐射量达到最大，对地球的影响也达到最强。与此相对应的地球环境是：气候湿热，降雨量丰沛，生物圈则处于大量的热带雨林植被覆盖和恐龙类大型爬行类动物繁盛年代，海洋、天空和陆地都有其活动。现代中亚地区的沙漠是目前世界上最荒凉的地区，夏季高纬度阳光的暴晒和冬季西伯利亚寒流侵袭，使之成为无人区域。但是就在这个地区，古生物学家发掘出丰富的8000万年之前白垩纪时代的恐龙和蜥蜴、鳄鱼、哺乳类动物的化石，这说明在8000多万年前这里是含有丰富水源的地方，至少在某些局部区域内有丰富的水源。而在2．5亿年前的石炭纪～二迭纪年代时，太阳系正处于近银心点，太阳的辐射量减少到最低的水平，与此相对应的地球气候则处于一个大冰期。在二迭纪最后几百万年里，海洋中全部物种的90％消失；在陆地上78％的爬行动物的科和67％的两栖类动物的科化为乌有；昆虫也未逃脱这次大劫难，约有30％昆虫的目不复存在。陆地上植物也遭到严重的损失，地层中孢子和花粉化石的沉积可反映植物主长和分布的状况，但是二迭纪晚期地层中裸子植物(如针叶树之类的木本植物)的花粉几乎是没有的。但一些个体较小的、行动灵敏的动物则得到发展，一些全新的生物谱系出现。当然二迭纪年代气温下降还有其他原因，更可能是多种因素综合作用的结果。但是太阳系轨道位置变化引起太阳辐射量减少或许是个不可忽视的原因。追溯到4．2～4．3亿年前的志留纪、泥盆纪时代，生物界中出现了一个重大事件：陆生植物的出现，这时期湿热型的气候条件，是植物登陆生长的基本条件之一。这时期恰好是太阳系处于远银心点轨道位置。 随着太阳系轨道不断朝银心点靠近，太阳辐射量不断减少，地球接受太阳辐射量相应地减少，形成了全球规模的气温下降、降水量减少，气候由中生代的湿热型逐渐向第四纪干冷型过渡，大规模持久的气候变冷，导致了新一轮的生物灭绝过程，在其他原因的参与之下(如在6500万年前的白垩纪末，一颗直径约10公里的小行星撞击在现在墨西哥尤卡坦半岛的海域，小行星以20公里/秒的速度进入地球大气层，猛烈的撞击放出约相当1000万亿吨TNT爆炸所产生的能量，给生物造成极严重的打击)，适合于湿热气候条件的恐龙类动物在一个较短的时间内就此消失。与此同时灭绝的其他生物种类约占当时全部物种的1/2。150万年前的第四纪冰川运动则在更大规模上引起物种的灭绝，现代的物种是在经历了第四纪冰川考验之后的适应者保存并发展起来的(气候条件变化引起生存环境变化对于某些生物来说是不利的，但对另一些物种来说就可能是一个很好的机遇)。这个发展趋势因太阳系轨道位置处于近银心点的缘故，还将要持续800万年甚至更长的时间。 以10万年为周期的地球轨道偏心率(e)的大小则是影响地球接受太阳辐射量的另一个主要原因。当地球轨道偏心率e达到最小值时，地球接受太阳辐射量为最低，届时就可能是一个亚冰期。在4万年前地球轨道e的值正处于一个最小值，对应的气候就是一个亚冰期。随着e的逐步增大，约在1万年前地球进入到亚间冰期，7000～10000年前这个阶段是一个冰融高峰期，海平面每年上升1厘米。那时期的撒哈拉地区是一个有人类生活居住的大草原，一直到4000年前开始逐渐出现的全球性干旱才导致了这个大沙漠的形成；同时代我国的河套以西的沙漠区也处于湿润时期，在4000年前因气候的变冷，干旱才导致沙漠化。全球范围内干旱和土地沙漠化等迹象或许表明地球行将从间冰期逐渐进入一个新的亚冰期。地球轨道位置的变化是在一个较短时间周期内减少或增大对太阳辐射量的接受，是引起全球气候变化和引起干旱、沙漠化的自然原因。人类活动在整个过程中起到推波助澜的作用，加剧了这种影响。 太阳活动变化的影响。太阳巨大的能量来自于其核心部分的核聚变反应，每4个氢原子在极高的温度和压力之下聚合成为1个氦原子，同时释放出极大的能量(1克氢在聚变成为氦时放出6.27×1011焦的能量，而在这过程中只造成6.9毫克质量的减少。站在人类发展的历史角度上来讲，太阳能几乎是无穷无尽的)。太阳活动就其能量角度而言，就是指这种核聚变反应程度的变化过程或现象。太阳活动的形式就是天文学上讲的太阳黑子、耀斑、谱斑、光斑和日冕等现象。一个大耀斑持续的时间大约有10～20分钟，但其放出的能量相当于百万吨级氢弹爆炸时放出能量的100亿倍，而强烈的太阳物质抛射有时可达3.5×109千克/秒，同时地球上也获得比平时更多的太阳辐射能量和大量的射线等，给生物和人类带来各种各样的影响或者干扰破坏。在地球生命诞生的前期，这些射线、紫外线和能量曾促进地球大气等环境中无机物之间的反应，产生了一些小分子有机物质，促成了生命物质的合成，在生命产生过程中起到重要作用。人们用太阳黑子的相对数量来表示太阳活动强度。1843年德国天文学家施瓦布(S、H、Schwabe)发现平均每隔11.2年左右，太阳活动就有一个高峰期，这时黑子的相对数量达到一个极大值，同时太阳大气层(指太阳的光球、色球、日冕各层次)中一些其他活动也处于强烈活动的状态，如日冕物质抛射、太阳耀斑频繁发生。当太阳处于相对宁静状态时，黑子数量也随之减少或消失。研究表明，黑子活动变化是和太阳强大的磁场极性交替变化相关的，磁场极性模式每隔11年就会发生反转，如果这次形成黑子高峰的磁极是南极的话，那么下一次高峰则由北极形成。这样太阳活动周期应是22个地球年左右。为了研究的方便，人为地规定了从1755年开始的11年为第一个太阳黑子活动周期。 当太阳黑子数量达到最多时，就是太阳活动最强烈的时刻，放出的能量也最多，当然地球获得的能量也最大。历史上1645年～1715年之间是太阳活动的一个异乎寻常宁静的时期，而这个时期地球上北欧地区则处于一个不平常的低温阶段，两者之间也许是相关的。科学家们注意到：太阳活动周期性变化引起了地球生物圈活动也呈现出周期性变化规律。我们从几个大国近几十年来小麦产量增减幅度来看这种变化规律：1958年是第19个黑子活动周期的高峰期，我国1956～1958年小麦产量比1960～1965年产量要高22％之多；同时期前苏联小麦产量也有同样的差异。1969年是第20个活动峰年，加拿大1967～1969年间小麦产量要比1970～1973年平均产量高27％。1801年天文学家William Herschel面对英国天气变化进行思考时，发现了小麦价格与太阳黑子消长有着某些关系。 森林中树木生长与水、热、光照条件直接相关，我们从一些主要乔木树种年轮宽度变化，可看到具有明显的以11年为周期的生长变化规律。处于太阳活动峰年的年轮宽度要明显大于其他年份，太阳活动越强烈，树木生长的速度越快，当然森林的材积量增加就越大。一些研究数据资料表明，很多生物的生长都有以11年为周期的特性：1863～1936年的73年之中，在印度北部地区共发生了7次蝗虫灾害，每次间隔时间约为11年左右，并且都是处于太阳活动的谷年(太阳活动相对平静年份)附近。我国近代的蝗虫灾害也有相一致的规律，如1944年的蝗灾，受灾面积约330万公顷，被打死的蝗虫就有917万千克；1952年的蝗灾，1972年河南省有220万公顷蝗区，虫口密度较平时大3～4倍；1998年河北、河南、山东、新疆、内蒙古等省区发生大面积的蝗灾，基本都处于太阳活动谷年附近。家鼠也有10～11年为周期的生殖高峰，并且也都处于太阳活动谷年的前后，如我国在1962年、1982～85年发生的大面积鼠害。有专家认为这是因为太阳活动强烈期间，各种宇宙射线、高能紫外射线量和强度急剧增加导致昆虫不适应，或直接引起昆虫生殖能力(生殖细胞数量)下降，生殖行为异常，或者是直接的致命作用，而太阳活动处于相对宁静时，各种对昆虫(小个体动物)有害的射线，主要是太阳可见光之外的高能紫外线大量减少，昆虫的生殖能力增加，种群数量增多。当然昆虫种群数量和分布更有其他因子的制约。 美国一些学者研究了从1700年～1979年280年间流行性感冒发生流行的年份，发现每10～40年有一次大流行，除了1879年之外，其余11次流感大流行均发生在太阳活动的峰年。瘟疫等在大范围内流行也是受到太阳活动强度的影响。太阳活动高峰促成流感大流行是科学界不可争议的事实。 太阳活动相对强度对人体的影响也是相当大的。空间环境是人类和生物生存与发展的重要保护层，它吸收、减弱和屏蔽来自太阳紫外线、宇宙射线、高能带电粒子和太阳风对地球的轰击。太阳活动改变了太阳电磁辐射量和粒子输出，从而引起地球空间环境和表面环境的变化：电磁辐射输出变化直接影响地球高层大气电离层状态，造成臭氧层含量的变化和氮氧化合物成分变化，引起气候和生物圈活动的变化。太阳发射高能粒子和低能等离子体(太阳风)等引起行星际激波、电离层扰动、地磁暴、宇宙线暴和中高层大气加热等空间环境的变化，给人类健康和其他生物带来严重损害。以色列心脏病专家经过十几年研究观察发现，由于心律失常与心肌梗塞引起猝死的病例数量变化与太阳活动强度变化密切相关。太阳活动强烈时，高能粒子流与地球电离层气体作用产生电磁场，这种电磁场使得地球原磁场产生偏差，引起低纬度地区剧烈的地磁场涨落，从而引起心血管疾病患者的不适，死亡率上升。同时太阳活动强度与人的神经系统活动和情绪有着正相关(或者是负相关)规律。 人类与其他生物对自己的生存环境变化的承受能力是十分有限的，如太阳可见光能量输出持续下降千分之几的变化就会导致一个小冰期的来到，对生物和人类造成很大的灾难。根据地球人造卫星的观测：在上一个太阳活动周期中，太阳输出量变化约为1/1000，大气臭氧层含量的减少导致其屏蔽作用下降，就会增加人类患皮肤癌的可能性，造成生物的畸变、生殖能力的变化等。 水是地球上生物产主、发展的第一基础，更是太阳能量的第一被作用者。地球水圈的总水量(不包含地壳与地幔内的水)约有14亿立方千米，其中海洋水为13.7亿立方千米，占97.2％：冰盖与冰川为0.292亿立方千米，占2.14％；地下水约有835万立方千米，占0.0061％。每年大约有50.5万立方千米的水从海洋蒸发到大气中，约有7.2万立方千米的水由陆地上蒸发到大气中，而每年落到海洋中的雨水为45.8万立方千米，落在陆地上的水约11.9万立方千米，这样每年约有4.7万立方千米的淡水从海洋转移到陆地上，成为人类和其他陆地动、植物的淡水资源。水在0℃时的汽化热为2.494×106焦/千克，这样每年用于水份蒸发的能量约是1.44×1024焦(每年进入地球大气表面能量约有5.74×1024焦，其中43％因反射返回宇宙空间，14％为大气所吸收，只有43％到达地表，约为2.46×1024焦，这样水份蒸发用去了60％以上的太阳能量)。太阳能是地球地表水蒸发循环的主要能源。大阳活动强烈程度是决定地球降水量变化的根本因素。太阳活动峰年可给陆地带来丰富的降水，供植物和其他生物的生长之需，但也是洪水灾害之源泉。 中科院紫金山天文台的天文学专家最近证实，2000年将是太阳活动的峰年，该台太阳射电组最近已观察到多个太阳射电大爆发和耀斑。国际天文机构观测与研究认为，2000年的3月将是新的太阳活动峰期，持续的时间约1—2年。今年是高峰前的“序幕”。天文学家提醒：太阳耀斑等活动发出的强大射线会使地球电离层的浓度急剧变化，导致短波通讯的衰退甚至中断；其喷发的强烈粒子流可能损坏人造卫星和宇宙飞船等，危及仪器和宇航员的生命安全；强烈的太阳活动还将对地球磁场、气象、水文、人类健康和生理活动、情绪、生物的生理活动和地理分布等产生不同程度的直接与间接影响。