太陽科學：一千五百萬度的探索之旅

第十三章 生活在太陽的大氣裡

阿波羅任務教我們的一課

太空人是現代的英雄，見到太空人是一種榮幸。他們的成就，以及他們的見聞，讓他們與眾不同，成為不平凡的人，有不平凡的故事。但在他們之中，還有特別的一群，令人打從內心最深處肅然起敬：去過月球的阿波羅太空人。他們冒險穿過三十八萬四千公里的太空，在月球表面漫步，成為極少數曾經踏上太陽系另一個天體的人。本書這個關於太陽的故事，阿波羅太空人是其中一個關鍵，因為我們需要最尖端的太陽物理學知識，才能確保太空人的安全。NASA當年就知道，太陽活躍的時候可能對他們造成某種威脅。今天，這同樣的威脅，可能對我們所有人造成影響。

很遺憾，第一位登上月球的太空人阿姆斯壯（Neil Armstrong, 1930-2012）已經逝世。但第二個登月的艾德林（Buzz Aldrin, 1930-）仍然在世，我很榮幸能親自見到他。當時，我是BBC科普節目《仰望夜空》（The Sky at Night）的主持人之一，他是我們節目的來賓，當然，在錄影的時候，以及錄影前後，每個人都想找他說話，問他在阿波羅十一號的經歷。從月球看到的地球是什麼模樣？月球的景觀是什麼模樣？農神五型火箭發射的感覺怎麼樣？但是，對我來說，見到艾德林，就得趁機問問另一件事：在太空中，閉上眼睛的時候，他看到了什麼？

你看，艾德林與同期的太空旅客，屬於第一批離開地球大氣的保護，前往地球磁場邊緣的人類，而大氣與磁場共同保護我們，阻隔太空的各種危險。因為，雖然「太空」幾乎就像顧名思義的那麼空，但還是有一些高能粒子飛來飛去：原子核，多半是單個的質子，在太陽系到處奔馳，速度快得接近光速。阿波羅太空人屬於史上最先直接體驗「太空天氣」的人，因為這些粒子如雨般灑落在他們身上。

這些高速、高能的粒子，是在一九一二年的一次氣球飛行，上升到五公里以上的高度才發現的。今天，我們知道，這些「宇宙射線」可以大致分為兩種：「外來」或「本地」的。「外來」射線發源於我們的太陽系之外，在超新星爆炸的時候，粒子被加速到非常高的速度，行進了很長的距離才抵達地球。這些是長途旅行者，來自我們龐大星系（銀河）的遙遠地點。其他宇宙射線更接近「本地」，來自太陽偶爾產生的爆發，屬於閃焰與CME的副產品。

兩種宇宙射線粒子有很多受到太陽或地球的磁場影響而偏轉，否則就是與我們的大氣發生碰撞，因而四分五裂成無數帶有更小能量的粒子。其中極少數成功到達地球表面的粒子，貢獻的放射性不至於造成健康風險。通常只會無聲無息地通過我們的周遭，不被人注意到。除非你有一個特製的槽，內部充滿過飽和的酒精蒸氣——稱為雲霧室（cloud chamber）——才會讓宇宙射線現形。射線通過蒸氣的時候，將會使少部分分子帶電荷，導致一些液滴凝結出來，沿著粒子行經的路徑留下一道縹緲的雲霧。但是，使用雲霧室，你會看到的多半是那些較小的粒子一陣掠過之後留下的軌跡，也就是宇宙射線抵達大氣層之後產生的無數較小粒子，而不是原來的宇宙射線粒子。長久以來，我一直渴望在我的茶几上建一個雲霧室，提醒自己這些粒子一直在我們周圍。

前往月球的路上，艾德林會接觸到來自銀河系四面八方的宇宙射線。那麼，他就有可能曾經直接看過這些射線。我曾經聽說，如果宇宙射線到達你的眼睛，可能會與你的視網膜產生交互作用，導致你看到閃光。幸好我有機會向艾德林問起這件事，在電視錄影現場，而且在錄影之後問得更詳細。我們的太空實驗室也會協助打造下一艘送往火星的登陸器（ESA的火星探測計畫 ExoMars 任務預定於二○一八年發射），這是艾德林很關心的主題，所以，雖然其他幕前幕後的夥伴都聚攏過來，也想要找他說話，但我還能短暫抓住艾德林的注意，談論「紅色行星」的未來計畫。

他確實親眼看到了宇宙射線！聽到艾德林描述他看到的閃光，他原本以為那是太空船內部的什麼東西發出的，令人覺得很奇妙。他先是在夜晚休息時看到，第二天醒來，他問同組夥伴有沒有看到同樣的情況。柯林斯（Mike Collins, 1930-）說沒有，阿姆斯壯說他看到一百個左右。艾德林暗示，阿姆斯壯的個性爭強好勝！下一組阿波羅太空人接到指示，到了夜間，眼睛適應黑暗之後，要注意有沒有這些閃光，後來，他們也看到了。

但是，NASA早已知道這種太空輻射——即使並不知道阿波羅太空人會用肉眼看到。那些閃光是很新奇的現象，而且就算到現在也是值得一提的故事，但NASA知道，如果太空人要成功登陸月球，而且健康返回地球，就需要妥善防護，避開這些粒子。宇宙射線其實是危險的遊離輻射（ionizing radiation，能量足以破壞化學分子結構的射線），倘若太空人接觸的劑量夠高，可能會留下一些問題，例如輻射病，甚至罹患癌症。

艾德林當時看到的，很可能是來自我們銀河系的宇宙射線。NASA更擔心的是來自太陽的宇宙射線，我們將這些本地宇宙射線稱為「太陽高能粒子」。這些就像艾德林感受到在眼前飛掠而過的東西，屬於同一類的粒子，但數量就有天壤之別了。艾德林感受到的是毛毛細雨，而太陽高能粒子事件會是一場傾盆大雨。倘若阿波羅太空人遇到那樣的傾盆大雨，最嚴重可能會致命。

所以，在阿波羅任務期間，NASA有眾多望遠鏡組成的網路監測太陽，而且有輻射專家在任務控制中心的太空環境工作台。他們注意是否有太陽閃焰，因為當時知道的大規模太陽活動只有閃焰。日冕物質拋射，以及它可能產生大量高能粒子的後果仍然有待發現。

然而，即使這些粒子對前往月球的人可能造成傷害，但少數幾個人的健康風險，經過權衡，怎麼也比不上國家的政治利益，只要能夠搶先第一個走在月球表面上。而且，太陽高能粒子只是他們面臨的許多風險之一。所以，雖然阿波羅任務發射於第二十太陽週期的極大期，才要進入減弱的階段，那時候，閃焰可能頻繁發生，但他們還是決定執行任務。

事後看來，阿波羅太空人接收到的高能粒子劑量很小。而且，在任何任務期間，都沒有發生太陽高能粒子事件，所以，還好太空人不必應付可能發生的最惡劣狀況。但是，在任務與任務之間，有很多次粒子事件發生，例如倒數第二個與最後一個任務（讓塞爾南［Eugene Cernan, 1934-2017］成為登月最後一人的任務）之間。這是太空時代記錄到最大的粒子事件之一。回顧過去，以我們現今的知識來看，這種情形似乎可能造成太空人得到中度輻射病。NASA沒有安排任務在那個時段進行，純粹是運氣使然，因為當時並沒有任何辦法預報這些事件，現在仍然沒有。

太陽活動的衝擊，不只關係到去過地球大氣上方的少數幸運兒。今天我們知道，一直到地球，甚至到地球表面下，都能感覺到太陽活動帶來的影響。而且，引發惡劣太空天氣的主要因素並不是太陽閃焰，而是日冕物質拋射，在阿波羅計畫的時代，甚至還沒被發現。情況已經大幅改觀，今天，對我們的太空天氣做每日預報，已經成為現代社會的一項重要環節。



維多利亞時代的太空天氣

一八五九年的卡靈頓事件，仍然是我們說明極端太空天氣風暴的最佳範例。事件發生的時代，科技已進步到可以發現事件對地球的影響，但對我們還沒重要到足以造成社會陷於癱瘓。最近，英國皇家工程科學院（Royal Academy of Engineering）研究，倘若現代發生像一八五九年規模的事件，可能造成什麼樣的衝擊。研究發現，影響可能極為重大，但最重要的是，我們應該力求做好準備，而不是驚慌憂慮。

倘若再次發生類似一八五九年規模的太陽風暴（並且正面擊中地球），早晨醒來，你看不到任何明顯的徵兆，示警即將發生的事：日出看起來完全正常。與卡靈頓與霍吉森目睹閃焰那一天的確切時間相似，到了上午十一時十八分，閃焰正在進行，但地球還沒發生什麼太嚴重的事。然而，在太陽上，有些能量原本儲存在太陽黑子群的磁場裡，卻被釋放出來，轉換成粒子加速的動能，向下衝到光球層。在那裡，粒子與高密度電漿產生交互作用，造成電漿迅速加熱，導致電漿發射可見光的光子。這道可見光需要八分鐘從太陽到地球，就像卡靈頓與霍吉森看到的那樣。倘若由於某種原因，你碰巧在白光下看著太陽，也許是因為你參加了本地天文社團的活動，你可能會發現這個突然爆發的亮光，但除此之外，沒有什麼值得注意的狀況。

雖然在一八五九年還沒有辦法被人看見，但熱電漿迅速膨脹，並且升高到上方大氣中的磁結構裡，發出強烈的X射線與紫外光。倘若在今天，我們會注意到，因為有衛星使用這些波長觀察太陽。在一八五九年的唯一徵兆，就是這些高能光子抵達地球高層大氣的時候，將那裡的氣體離子化，因而改變地球的電流與磁場。在喬城天文台的地磁觀測站，儀器偵測到地球的磁場有一些擾動的跡象。但相對於接下來發生的事，這只是小菜一碟。

此刻，就在你進行日常活動的時候，一場大規模的日冕物質拋射已經從太陽爆發出來，切斷原本的磁場繫繩，加速向外進入太空。日冕物質拋射已經從剛才也產生了閃焰的太陽黑子群發射出來，而且很接近太陽盤面的中心。所以，地球正好在火線上，首當其衝。

第一波襲擊來自一連串的高能質子，屬於NASA在阿波羅計畫時代就很注意的那種粒子。最快的日冕物質拋射疾馳而出，速度相對於太陽風高出很多，可能會穿過後者，因而形成衝擊波。在這樣的衝擊當中，粒子受到加速，甚至快到接近光速，大量質子如陣雨灑向地球。經過大約二十分鐘就會抵達地球。想想太陽的光只需要八分多鐘，這其實還好。沒有直接的證據顯示卡靈頓事件曾經產生有如陣雨的高能粒子，但參考現代的資料，這種規模的事件通常會有這種情況。

在這初始的騷動（雖然一般大眾不會注意到）之後，現在會有幾個小時的相對平靜。可是，接下來，在看到閃焰之後只過了十七個小時半，平均速度每秒兩千三百公里，向我們這裡飛奔而來的日冕物質拋射，將會猛力撞擊地球的磁場。這時，你會注意到有事發生了。

日冕物質拋射在一八五九年來襲的時候，喬城天文台的地磁儀爆錶，因為巨大的地磁暴開始了——這仍然是有記錄以來最大的地磁暴之一。地球磁場的快速變化產生了感應電流（法拉第當時已發現電磁感應的原理），流經那個年代的通信系統，也就是電報，營運商竟然可以切斷電池，使用這種天然的電力來作業。卡靈頓事件的影響與牽連甚廣，但當時的社會畢竟對電子科技的依賴不多，因此造成的破壞相當少。倘若發生在今天，情況可能就大不相同了。

人在家中坐，卡靈頓事件規模的CME與地球的磁場發生碰撞的時候，你絕對不想見到的狀況就是停電。一九八九年三月的清晨，有個移動非常緩慢的CME撞到地球磁場，加拿大首當其衝，魁北克電力公司（Hydro-Québec）的電力網承受了強烈的電壓波動。由於波動太大，觸發了電力網的防護系統，導致整個電力網不到兩分鐘就關閉了。結果就是，幾百萬人醒來發現沒電可用。那是寒冬的早晨，停電超過九個小時。缺乏電力供應推動社會，最終造成六十億美元的經濟損失。

一九八九年的這場事件彷彿敲響一記警鐘，提醒我們太陽對整個社會構成的威脅究竟可能有多大。皇家工程科學院的焦點主要放在英國，評估發現，現代卡靈頓事件可能導致某些地區的電力配送中斷，但也許只有偏遠地區，在供電網路的周邊才會受到影響。幸好，經過一九八九年的驚嚇之後，電力網一直在加強，能夠承受這種等級的太陽風暴。現實上，在英國，電力中斷很可能起因於其他極端天氣事件，例如大雪。在這些情況下，供電通常很快就能恢復。不過，有些國家並未做好充分的準備，可能就沒那麼幸運了。世界各地的電力網情況不同，有些較能承受太空天氣的考驗。

我們假設你住在電力網有充分準備，可承受CME的房屋。你可能會碰到短暫的停電，但情況不會太糟。遺憾的是，你頭上的衛星就沒那麼幸運了。皇家工程科學院的報告發現，現役中的整個人造衛星群可能有多達一成受到破壞，意味著我們生活中許多習以為常的事變成不可能。除此之外，由於衛星的信號透過電離層傳遞，這時候，電離層發生變化，意味著即使是正常運作的衛星，它們的收發訊也可能靠不住了。

衛星導航信號將會大幅減弱。銀行活動可能出錯，因為轉帳往往使用衛星導航信號提供時間戳記。航空公司可能決定整個機隊暫時停飛，因為電離層的變動將會導致無線電通信中斷，以及衛星導航失準。而且，最重要的是，帶電粒子威脅到飛機核心微電子裝置的功能運作，而且可能使乘客受到比平常還要高的輻射劑量，相當於經過三次胸腔電腦斷層掃描的X射線暴露。

在這一切陰霾籠罩下，倒是有一線光明：極光將會很壯觀。「極光」通常只發生在地磁南北極附近，但在大規模地磁暴期間，就會往赤道方向移動。在一八五九年九月一日的夜晚，北極光閃動著血紅色，而且非常明亮，英格蘭的人竟然不需要額外照明就能讀報。於是，你的衛星電視停止運作，航空公司取消你的班機，可能連你家裡都沒電可用，但是，至少你會目睹最壯觀的天文奇景。

第十三章 生活在太陽的大氣裡

阿波羅任務教我們的一課

太空人是現代的英雄，見到太空人是一種榮幸。他們的成就，以及他們的見聞，讓他們與眾不同，成為不平凡的人，有不平凡的故事。但在他們之中，還有特別的一群，令人打從內心最深處肅然起敬：去過月球的阿波羅太空人。他們冒險穿過三十八萬四千公里的太空，在月球表面漫步，成為極少數曾經踏上太陽系另一個天體的人。本書這個關於太陽的故事，阿波羅太空人是其中一個關鍵，因為我們需要最尖端的太陽物理學知識，才能確保太空人的安全。NASA當年就知道，太陽活躍的時候可能對他們造成某...

本書探討的是一顆恆星，只是我們銀河系裡幾千億恆星的其中一顆，而銀河系也只是散布在已知宇宙裡幾千億星系的其中一個。當你細細思慮這些天文數字的含意，我們的恆星在其中怎麼可能算得上特別呢？然而，至今我研究太陽已經研究了二十年，我清楚認識到太陽實在是一顆不同凡響的恆星，而我正要告訴你理由。

在太陽的中心，有個巨大的核子熔爐，釋放出源源不絕的能源。這正是我們渴望能在地球上仿造的，太陽則是天生就能釋放這麼大量的能源，持續輸出一共約九十億年。太陽核心的溫度超過一千五百萬度，這裡的物質受到極大的壓力，正是在這樣極端的環境中，陽光才得以產生。我還記得我當初吃驚地學到，在核聚變反應中以γ（伽瑪）射線的形式誕生的陽光，竟然必須一點一滴地向外「滲透」，歷經整整十七萬年，才終於抵達太陽表面。抵達表層的陽光以可見光的形式發出，奔湧射向地球，只需區區八分二十秒就能被我們看見。但是，太陽向地球發射過來的東西並非只有光線而已，這讓太陽的科學更加令人著迷。

太陽一向是顆狂暴的恆星，太陽系中最猛烈的爆炸與噴發都在此發生。在本書中，我想向你揭祕太陽的多種面向與特性，從寧靜但斑駁的表面（以可見光觀察太陽就能看到），到狂暴且無法預測的大氣（需要透過紫外線輻射、X射線、γ射線來看）。爆炸與噴發觀賞起來都很美，但有鑑於我們距離太陽一億五千萬公里，要看清楚並且理解這些現象，對我們來說是件挑戰，因此，我們必須上太空。

本書講到幾位早期太空探測先鋒的故事。我們會發現，他們之所以有機會把望遠鏡送上太空，是因為一些派不上用場的第二次世界大戰軍事科技。美國從四○年代開始，英國在五○年代也發展起來。

第一批從太空拍攝太陽的影像，使用的是簡單的針孔相機。今天，我們有一整組太空觀測器可以運用，包括NASA的「太陽動力學觀測衛星」（Solar Dynamics Observatory，簡稱SDO）。這枚衛星上的望遠鏡每十二秒拍攝十張極為精細的太陽大氣圖像。這還只是其中一組儀器收集到的資料，這枚衛星有三組科學儀器，分別負責不同的科學任務。這具了不起的太空載具每天都替我們的檔案庫收錄一．五兆位元組（Terabyte, TB）的資料。它一星期產生的資料，比哈伯太空望遠鏡一整年產生的還多，而且它僅僅觀測一顆恆星，而哈伯觀測的是整個宇宙。

太空時代讓我們天文學家可以盡情用電磁波頻譜的任何波長觀測太陽，而不只限於可見光。更是可以在任何時間觀測，不限白晝黑夜。少了一層地球大氣層干擾視線，得到的影像品質更是絕佳。但這需要付出高昂代價。每發射一公斤貨物（相當於一包砂糖或高級精鹽）上太空，需要花費超過一萬英鎊，最大規模的太空觀測衛星要價將近十億英鎊。我曾經參與的SOHO衛星於一九九五年發射，耗資七億英鎊。SDO衛星於二○一○年發射，耗資五億五千萬英鎊。但這筆錢花得值得，也聘用了橫跨學術界與產業界，許多才華洋溢的設計師與工程師。太陽相關研究不僅對科學很重要，也對整個太空產業很重要。在英國，這個產業的年營業額超過一百億英鎊，直接雇用超過三萬四千人。在全球，太空經濟的價值超過二千億英鎊。

我的學術生涯受到太空時代的極大影響。不僅如此，我想說的是，太空時代完全改變了我們對太陽的了解、擴展了科學的視野，甚至證實太陽的大氣範圍驚人地廣闊，半徑達到一百八十億公里，也就是地球公轉軌道半徑的一百二十一倍距離（作為比例尺參照，這是冥王星平均軌道半徑的三倍遠）。我們一直生活在太陽的大氣裡！而且，隨著這一圈大氣因為太陽狂暴的脾氣而變動，產生猛烈的「太空天氣」在地球上也能感覺得到。我們會學到太空天氣如何藉由影響電力輸送、擾亂衛星與通訊，進而對現代社會造成威脅。但也無需過度擔心︰預測太空天氣現在很普遍了，我們總是密切注意著太陽，為了我們自己的安全，也為了太空經濟。

在本書的字裡行間，我們會明白「想了解太陽」這個看似單純的願望，卻催生了更多了不起的發現―我們即將踏上一場奇妙旅程！我們會談到幾千年的肉眼觀測（請讀者千萬不要嘗試）、幾百年的望遠鏡觀測（請洽專業天文器材供應商），還有幾十年的太空觀測歷史（現在只要上網就能免費取得影像）。我們會明白，了解太陽如何需要原子物理學、熱力學、電與磁、重力、光學等領域的應用。我們會知道能量如何傳送，轉化成不同的形式，這項奧祕又是如何被一位船醫發現。我們會了解，太陽磁場的發現需要科學與工程的密切合作，而回報就是促成了太陽物理學的誕生。

你可能會覺得我已經對太陽徹底著迷。你說得一點也沒錯。我敢說，我們的太陽是最重要的一顆恆星，無論是遠古或遙遠的未來皆然，因為這顆恆星提供了地球上大多生命萌發與茁壯所需的能量。在我撰寫本書的同時，我們正在尋找宇宙其他地方的生命，在我們的太陽系，還有更遠的地方。我們著手掃描天空，尋找先進文明的無線電信號，也發出我們自己的訊息。還仔細搜查火星的表面，看看有沒有微生物。我們還計畫擴展未來尋找生命的地點，更納入了類木行星的衛星。但是，截至筆者於二○一五年寫下本書為止，在繞著這顆太陽運行的地球上，仍是我們唯一所知的生命形式。

儘管如此，本書中我還是提到了其他恆星，這些恆星的生命歷程能協助我們明白太陽的潛能―它將來可能會釋放的強大威力。但是相對的，太陽也是我們了解遍布宇宙的其他恆星的跳板。我們能極為詳盡地觀察太陽，並得到豐富資訊。其他恆星距離我們都太過遙遠，看起來只是小小的光點（除了極少數的特例，像是參宿四）。所以，透過研究太陽，我們能夠了解，恆星基本上就是巨大的電漿球，因為核心發生的核反應過程而發光。聽起來既簡單又優雅。因此在一九二六年，英國數學家、物理學家，也是天文學家的亞瑟．愛丁頓（Arthur Eddington, 1882-1944）抒發這種情懷，寫道：「我們有理由希望，在不久的將來，我們會有能力了解像星星一樣簡單的東西。」

愛丁頓活到六十三歲，逝於一九四四年，距離太空時代開始還有幾年。他無從得知太陽的大氣有三百多萬度，也不知道我們有辦法使用困在太陽內部來回震盪的聲波探測其內部，而聲波之所以現蹤，是因為太陽表面的氣體漲落留下的痕跡。倘若愛丁頓今天還在世，毫無疑問，看到我們對太陽的理解程度與其之複雜，他一定會感動不已。在本書中，你會看到科學有了多麼長足的進步，只為了了解愛丁頓鼓舞似地形容是「像星星一樣簡單」的東西。

本書探討的是一顆恆星，只是我們銀河系裡幾千億恆星的其中一顆，而銀河系也只是散布在已知宇宙裡幾千億星系的其中一個。當你細細思慮這些天文數字的含意，我們的恆星在其中怎麼可能算得上特別呢？然而，至今我研究太陽已經研究了二十年，我清楚認識到太陽實在是一顆不同凡響的恆星，而我正要告訴你理由。

在太陽的中心，有個巨大的核子熔爐，釋放出源源不絕的能源。這正是我們渴望能在地球上仿造的，太陽則是天生就能釋放這麼大量的能源，持續輸出一共約九十億年。太陽核心的溫度超過一千五百萬度，這裡的物質受到極大的壓力，正是在這樣...

作者序
第一章 光︰不要相信你的眼睛
第二章 恆星能源
第三章 太陽一家親
第四章 光子的祕密生活
第五章 太陽黑子
第六章 自轉的太陽，出擊！
第七章 活力太陽
第八章 日食與彩虹
第九章 星際旅行者
第十章 太空時代
第十一章 閃焰之必要
第十二章 日冕物質拋射
第十三章 生活在太陽的大氣裡
第十四章 然後呢？
結語 我們的獨特太陽
致謝
附錄：如何安全觀日
名詞解釋
中英名詞對照暨索引

作者序
第一章 光︰不要相信你的眼睛
第二章 恆星能源
第三章 太陽一家親
第四章 光子的祕密生活
第五章 太陽黑子
第六章 自轉的太陽，出擊！
第七章 活力太陽
第八章 日食與彩虹
第九章 星際旅行者
第十章 太空時代
第十一章 閃焰之必要
第十二章 日冕物質拋射
第十三章 生活在太陽的大氣裡
第十四章 然後呢？
結語 我們的獨特太陽
致謝
附錄：如何安全觀日
名詞解釋
中英名詞對照暨索引