宇宙的系体结构
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第二章 “系体”的结构

“系体”是宇宙存在的基本形式,也是构成宇宙的基本单位,它是一个什么样的结构呢?我们前面所举的“系体”实例就给出了“系体”的结构特征,“系体”有一个“系体核”,周围就是“子系体”,它可以表示为(图4)的形式,“系体核”是“系体”存在的关键和根本,它相对核外“子系体”占据了“系体”的绝大部分质量,如原子核“系体”的核(原子核)的质量几乎就是原子核“系体”的质量,而原子核“系体”的核外电子等的质量几乎为零。在太阳“系体”中,太阳的质量占太阳“系体”总质量的99.8%,其他“子系体”的质量总和只有太阳“系体”的0.2%。由于“系体核”的质量巨大,因此“系体核”对核外“子系体”就有强大的重引力,相应的也有很强的磁场,并具有超强的磁引力,当然也还有其他很强的作用力(如强相互作用力和弱相互作用力),就是这些力使得“系体核”周围包含了很多的“子系体”,并且围绕着“系体核”做旋转运动。当然这种运动是必需的,如果不做旋转运动,强大的引力就会将这个“子系体”吸引到“系体核”,使其变成“系体核”的一部分,“系体核”的超重超大也就吸引了早期的“子系体”,使得那些“子系体”成为“系体核”的一部分,对于不属于“系体核”的“子系体”,它就围绕着“系体核”做着公转和自转的运动。

图4 “系体”结构示意图

说明:打球为“系体核”,周围为“子系体”

一个“系体” 围绕着“父系体核”作公转和自转运动,都是“父系体核”对“子系体”施力的表现。其实公转就像一个人握着绳子一端甩动绳子另一端拴着的重球,使重球做着圆周运动。对于重球,它就受到了向心力(绳子的拉力)和离心力这两个大小相等方向相反的力。对于“子系体”和“父系体核”间的这个拉力可没有这样一条绳子,但有一个类似的绳子的存在,这就好比用一块磁铁去吸引一根铁钉,这是磁力的作用,但这个磁力是看不到的。一个“子系体”既受到“父系体核”施的力,同时也会受到其他“子系体”的引力,这些引力的合力就是这个“子系体”所受到的力,“子系体”就在这个合力的作用下,围绕着“父系体核”做着旋转(公转)运动。

“系体”做自转运动是由合力作用的位置决定的,有些“父系体核”对“子系体”的作用力是在两球体的外公切面上(在截面上就是外公切线上),这样“子系体”自转方向与“父系体核”的自转方向就相同,如地球、火星等,在太阳“系体”的“子系体”中这种自转运动较多,是太阳“系体”中常见的转动方式。有些“父系体核”对“子系体”的作用力是在两球体的内公切面上(在截面上就是内公切线上),这样“子系体”自转方向与“父系体核”的自转方向就相反,如金星“系体”,我们在金星上看到的太阳是西升东落,在太阳“系体”的“子系体”中这种自转方式较少(图5),当然还有一些特别的,如海王星相对于太阳的旋转,则是躺着的(海王星的自转轴近似的垂直于太阳的自转轴)。一个“系体”的“子系体”无论自转方向与“父系体核”的自转方向相同或不同,“子系体”都几乎位于“父系体核”的黄道面(过“父系体核”的球心且垂直其自转轴的平面)内。受各种力的影响,微小的偏差总是存在的。若忽略微小的偏差,则“父系核”连同“子系体”就处在同一个平面内,对于较大的偏差,则会使“子系体”与“父系体核”构成的平面变的厚一些。

图5 “子系体”两种方向的旋转示意图

说明:虚线为作用力的线,箭头为力的方向和旋转方向

“系体核”的质量大小直接决定着它包含周围的“子系体”的质量的大小和数量的多少。“系体核”质量越大,“系体核”周围的“子系体”就越大越多。

“系体核”除了它有巨大的质量和超强的引力,还有什么表现呢?我们看到的太阳是太阳“系体”的“系体核”,这个“系体核”表现为一个大火球,有着极高的温度,向外发出高强度的光和热。地球是地球“系体”的“系体核”,它依赖“父系体核”太阳的光和热,使地球具有了生命存在的基本要素,很长时间以来地球都是春意盎然、生机勃勃,众多动植物繁衍生息,同时地球上也发生着一系列物理的、化学的和生物的变化,源源不断的产生着生物食物链中的各类食物,使生命存在的新陈代谢永不停息。我们没有人怀疑太阳对我们的作用,但它的丝毫变化对地球都有很大的影响。如太阳表面黑子的不时出现和太阳的磁暴,就经常影响我们的无线电通信,也使地球的气候出现反常的表现,肆虐的洪灾和惨烈的干旱,以及厄尔尼诺现象等。因此“系体核” 的变化,甚至是微小的变化,对周围的“子系体”的影响都很大,有时是毁灭性的。

太阳有其特殊性,在天文学中被称为“恒星”。作为太阳“系体”的“系体核”太阳与地球“系体”的“系体核”地球有着巨大的差别,那么太阳为什么就成为恒星发光、发热呢?而地球就不能像太阳一样成为可发光发热的恒星呢?导致差别的原因是什么?是太阳的物质造成的结果吗?地球和太阳的物质有什么不同?地球能否变成恒星?太阳能否变成不发光的行星?对于太阳有以下资料:

科学家根据对太阳光的光谱分析,发现太阳的构成成分和地球几乎相同,所不同的是不同元素所占的比例不同,太阳上的主要元素大约70%的是氢元素和20%的氦元素以及10%的其他元素,太阳从中心向外可分为核反应区、辐射区和对流区、太阳大气。太阳的大气层,像地球的大气层一样,可按不同的高度和不同的性质分成各个圈层,即光球、色球和日冕三层。太阳的核心区域相对较小,半径只是太阳半径的1/4,但却是太阳那巨大能量的真正源头。太阳核心的温度极高,可达1500万摄氏度以上,压力也极大,使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生,从而释放出巨大的能量。这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递,才得以传送到达太阳光球的底部,并通过光球向外辐射出去。

从资料可看出太阳的构成成分和地球构成成分并无太大的差别,是几乎相同的,那么它的上面为什么就发生如此大的变化,表现出超乎寻常的不同现象呢?在远古的燧人氏时代,燧人氏发现用石钻去钻木头,钻过很长时间后,木头先是冒烟,再后就生出火来,这种办法解决了当时的生火问题。就是现在的人们用同样的方法也可以生出火。这样做怎么就能生出火呢?这是因为钻头与木头发生摩擦,摩擦就产生了摩擦力,摩擦力所做的功就转变为热能,使得木头不断的变热,当温度达到一程度时,木头就会燃起火来。从太阳光谱分析太阳上具有可燃物质,这里并不是我们理解的可燃物质,这些物质就是各种气体、固体,甚至石头也都是燃烧的材料。平时由于柴火湿度较大,我们要燃起一堆篝火难度很大,但我们看到的森林大火会无挑拣的将森林燃烧的片甲不留,原本森林中的树木由于水分过大是不易着火的,但这挡不住森林大火的燃烧,终将森林烧为灰烬。能否燃烧取决于火势,湿度较大的柴火在大火势面前也是好燃料。地球和太阳也是一样,具有同样的可燃烧和爆炸的物质,那么是什么点燃了太阳?而点燃地球的它又到哪里去了?

我们可以做这样的一个实验:取一大一小(也就是一重一轻)的同材质的两个球,分别拴在两条绳子的一端,一个人分别拿起绳子的另一端将球甩起来,球的运动路径是一个圆(图6),我们一定感觉抡大球非常费力,抡小球就省力多了。如果将手握绳子的一端看成“系体核”,球看成“子系体”,绳子的拉力看成“系体核”对“子系体”的引力,那么抡球就是一个“系体”的模型。“子系体”的多少和轻重对“系体核”的影响完全不同,也就是它们之间力的大小不同。太阳上的物质提供了太阳燃烧的燃料源,类似于钻木取火中的木材,是太阳燃烧的内因。太阳周围的八大行星及其他更多的小行星围绕太阳旋转,太阳要以巨大的引力才可吸引周围行星,同样还有强大的磁场力等作用力,太阳与这些行星之间的作用力是超大的,这些力终会以能量的形式转化为热能,使太阳温度剧升,当温度到达一定的程度,就会燃烧起来,剧烈的燃烧到一定程度就会发生爆炸现象,同时燃烧会到达太阳的表面,自然就出现光,终将太阳变成了一个发光体。超多超重的太阳“子系体”(行星)构成了太阳燃烧的外因,内因和外因的相结合就产生了太阳这颗恒星。

图6 甩球示意图

说明:人拽住绳子的一端,球绑在绳子的另一端,球的轨迹是一个圆

地球为什么不能成为恒星?地球的燃烧内因也是存在的,但不具备像太阳一样的外因。地球的周围没有像太阳周围的八大行星“子系体”,地球只有一个可以命名的月球“子系体”,相对太阳来说真是小巫见超大巫了,但月球对地球的作用力并不是没有显现,地球海洋的潮汐变化与月球引力就分不开,月球处在地球的不同位置就会造成地球海洋或一些河流的的潮汐现象。地球分三层,地壳、地幔、地核,地核部分是火热的,温度达5000多摄氏度,是融化的岩石混合物——岩浆,这种高温的流体岩浆沸腾翻滚达到一定的极限就会从地幔最薄的地方释放出来,被称为火山,火山的出现就告诉了我们地球的内部情况。滚滚升腾的火山熔岩和火山灰其实就是太阳表面燃烧的景象,在地球表面发生火山的地方并不是很多的,因此地球上的火山并不是随处可见。这种火山的范围和地球的面积相比是微不足道,因此地球就成不了太阳。虽然地球不是太阳,但地球“子系体”对“父系体核”地球有巨大影响,地核的燃烧以及表现的一点火山都是地球“子系体”(月球和地球小卫星)对地球的功绩。

对于月球“系体”它也有围绕月球旋转的小卫星,但没有很大的,因此“子系体”对月球的影响要更小一些,月球的核超高温的液态熔岩的体积将会更小,我们用最通俗的话说,月球的皮将更厚一些,当然月球上的火山就更少一些或者就不存在火山(图7)。比月球还小的卫星“系体” 其内部就不会有超高温的液态熔岩,也可以说它是实心的。

图7 太阳、地球和月球燃烧的流动岩浆比例示意图

说明:A为太阳,B为地球,C为月球

太阳、地球和月球的核三者可类比为三种核桃,月球的核就像野生山核桃,壳厚仁儿少;地球就像人工种植的普通核桃,有一定厚度的壳,但仁儿也不少;而太阳就像新科技培育出来的无壳核桃,它完全是仁儿,这三种核桃仁儿是一样的,差别只是壳的厚薄不一。对八大行星中的其他大行星来说,也不具有太阳所具有的外因,因此也是不能成为像太阳一样的恒星。其实地球不仅享受了太阳的光和热,同时也为太阳发出光和热作出了贡献。在现在的天文研究中,对恒星和行星是彻底分开的,恒星永远是恒星,行星也永远是行星,各自的起源也是不一样的,也是一成不变的,只谈两者的不同,很少将两者等同看待,对太阳仅研究它的表面如何燃烧,而对于太阳为什么燃烧探讨的并不多,其实地球和太阳是一样的,表现的不同是因为“子系体”大小和多少的不同而造成的。我们无法到达太阳的表面看个究竟,但我们可以看到火山爆发的液体熔岩,其实就是太阳表面燃烧的一种形式。太阳表面的燃烧剧烈,巨爆应该是难免的,核爆也应该存在,但将太阳表面的燃烧统统归于氢原子的核爆就太绝对了,多数的燃烧应该是普通的燃烧,我们所看到的火山喷发并不是核爆炸。

对于恒星和行星来说,恒星的早期其实是行星,由于外界的星体的爆炸等原因(参看后面“系体”的生命性)造成该行星逐渐变大,同时引力也在增大,周围”子系体”就不断地增多,这个行星就具备了成为恒星的条件,最终这个“系体核”的就变成了恒星,同样,由于受自身燃烧的损耗,质量的锐减,或外界的因素的影响,能够燃烧的条件又不具备了,那么它就又会变成一颗行星了。当然这种恒星和行星的变化,不是很短时间可完成的事,可能是几亿年、几十亿年甚至几百亿年的事。就是时间再长,总是行星可以变成恒星,恒星也可以变成行星的。

由于受地球周围“子系体”(月球和小卫星等“系体”)的影响,施力的结果使得地球的核燃烧起来,变成了液态的岩浆,我们不能完全的看到,但可能从滚滚喷发的火山口感觉到,它是多么的壮观,有时会升腾出地面数百米高,红彤彤滚烫的岩浆流成了河,驱赶附近居民及其他的生命物质离开家园,给人类带来了巨大的灾害。但这只是灾害的形式之一。当燃烧剧烈,又不会以火山的形式喷发出地面,要释放这巨大的能量,那就会掀动地壳,使地壳摇晃或颤动起来,这样地震就发生了,有一些地震对自然的破坏是空前的,对人类造成的灾害,人类难以承受。

2008年5月12日在中国四川发生了大地震,这场地震波及了半个亚洲,造成人员死亡达10余万,受灾人数达数千万,财产损失不计其数。再后2010年1月12日发生的海地大地震,2010年2月27日智利大地震以及2011年3月11日引起巨大海啸的日本大地震等,也都造成大量人员的伤亡、财产的巨大损失和环境的严重破坏。对于这些地震,若能提前预报,那么对人类的这种灾害损失将会大为减少,能不能预报地震?这是目前一个世界性的难题,一些信息资料显示预报地震只有10%的把握,这个数字和“0”几乎是一样,对于地震的预报人类还处在一个十分被动的地步,是很难做出准确或较准确的预报。如何解决地震预报的问题,这与人类认识地球和认识宇宙的能力分不开,由于我们对地震还没有完全的认识,因此要准确预报地震就是很难的事了。

地震并非随时随地都发生,特别是大地震(就是有破坏性的),它的发生时常是在不同地域,间隔很长时间发生一次或数次。在发生地震的地域,地下的地核岩浆的燃烧就会非常剧烈,以致燃烧的翻滚起来,这种翻滚就会使岩浆从火山口喷出或掀动地壳发生地震,在地震的当时,并不是地核内所有区域的岩浆都是如此剧烈的燃烧,其实绝大部分区域的燃烧的岩浆还是比较平静的,燃烧是不很剧烈的,剧烈的也只是这一小部分,这样其他的地域是不会有火山的喷发或地震的发生。地震时岩浆的燃烧就类似用锅烧水,火可将锅内的水烧的沸腾,但当撤去火时,水就会停止沸腾翻滚,再加入火时,水又开始沸腾翻滚。用较大的锅烧水时,对烧开的水,火若加在锅底的某个部位,只有锅里这个部位的水沸腾翻滚,其他部位不翻滚,或翻滚较小,若将火换到锅底的另一个部位,那么水的沸腾也会换到锅的另一部位。地球内部的岩浆燃烧剧烈也是局部的,因此火山的爆发或地震的发生也是在地球表面的局部。地震预报就相当于预报开水锅里的哪个部位在什么时间发生沸腾翻滚的现象,这就要知道什么时间在锅的什么部位烧了火,掌握了加火的部位,加火的大小和时间,就可对锅里的水沸腾翻滚做准确的预报,掌握了地核内的岩浆燃烧程度的准确变化,就可对地震的地域、时间和大小做出准确的预报。

地球内部岩浆的燃烧是地球和其“子系体”间的作用力造成的,作用力大小的改变就是地球“系体”的“子系体”的数量的改变或位置的改变造成的,当作用力增大时,燃烧就会加剧,当作用力变小时,燃烧就会变弱。由于地球外的“子系体”的分布并不均匀,因此地球在其各个方向上力的大小不相等,有大小之分是显而易见的,掌握每个时间地球各个方向上力的大小就变成预报地震的最重要的一环,不断地探索地球外“子系体”的数量和位置,不断总结它们的变化规律,并进行适当的计算,或研制先进的观测设备,就可以解决地球在每时每刻每个方向的受力情况,这样要判断地球内部哪个部位在什么时间会燃烧的剧烈就变得容易,要准确的预报地震就变成有可能。

对于现在的日历,一年有12个月,但每月并不全是30天,还有31天、28天和29天,这是因为地球绕太阳旋转在一年的时间内每月的天数并不是完全符合周期性,还需要经常的调整,这种调整是人类经过漫长时间摸索后得到的,直至今天人们才完全掌握了太阳运行的规律性。对于造成地震的地球“子系体”的运动也是有规律性的,这些“子系体”的运动规律性应该比太阳运行的规律性复杂,要掌握其规律性难度也更大一些,是需要更先进的科技理论、科技设备或更长的时间,但最终完全掌握是可以实现的。

由于地球“系体”的“子系体”的运动有一定的规律性,相比地球表面的大气变化更具规律性,“子系体” 的运动变化也要比大气变化缓慢很多,因此当我们掌握了地球“系体”的“子系体”的运动规律,预报地震就会比当今的天气预报还要准确。当然这在现时还是让人难以想象,人们会认为是不可能的。在目前理论之下,认为地震还是大陆漂移、板块挤压和地质断层等因素造成的,这些都是从地球自身考虑的,它们并不是地震发生的根本原因。

出现新的科学理论,对宇宙做正确的认识,这不只是人们的兴趣,也不只是为解决几个疑问,重要的是它与我们的生活息息相关,有些事物的利用可以为我们的生活提供巨大的便利,认清有些事物的变化规律可以减少或避免灾害的发生。人类认识宇宙的欲望是强烈的,认识宇宙的步伐也从未停止过,但认识宇宙的程度还很肤浅,认识宇宙的道路还很遥远漫长。

地震发生和火山喷发在地球上是经常的事,给地球人类带来了无数次的灾难,它们发生时带来的恐惧都是可怕和难以磨灭的。这一次一次的发生,记录下来,标注在地图上,我们就可清楚地认识地球上的地震、火山区域,也称为地震(火山)带,相关图片可浏览相关的互联网(http://hi.baidu.com/pianoccn/blog/item/506fd2f218bbbad67931aaa2.html)。

从全球火山、地震分布图可看出地震、火山在地球上发生频繁,分布广泛,但它们基本都处在北纬30°和南纬20°之间,而在南北两极的南极洲和北冰洋无有地震和火山发生的标注,那么南北两极究竟发生过火山和地震的吗?查阅各类资料,找到的结论均是:在地震史上,地球的南、北极地区还从未发生过任何级别的地震。两极无火山,也未发生过地震,这是为什么?这一奇异的现象一直是科学界的一个未解之谜。对于这个谜有以下观点:

美国科学家经过30多年的观测研究后推断,巨大的冰层是造成南极大陆和北极格陵兰岛内陆地区没有发生过任何地震的主要原因。根据多年的观测统计,研究人员发现南极大陆和格陵兰岛的冰雪覆盖面分别达到90%和80%,而且冰层厚度很大,质量大得惊人由于巨大冰层的压力,冰层下部的岩石几乎处于“熔融”状态,岩石的断层自然无从谈起。同时,由于冰层面积广且质量大,那些地方的岩石在垂直方向上受到强烈的压缩,这种巨大的垂直压力与地壳板块构造带来的水平挤压力相作用,正好达到平衡。作为平衡的结果,那些地方的岩层不会发生倾斜和弯曲,地壳的形变得以分散和减弱,地震也就不会在那里发生了。

专家们预言,如果南北两极地区的冰层一旦融化,地下岩层缺少地表原有的压力,岩层也会在地应力作用下发生倾斜或弯曲,到那时,南北两极地区也可能会发生大地震。

——来源《羊城晚报》

冰层体积厚大,那么冰层的质量也就是巨大,言下之意就是地震推不动这庞然大物——冰。这种讲法正确吗?2008年5月12日,中国四川的大地震使得半个亚洲有震感,它释放的能量相当于400枚高当量的原子弹,若是这样的能量在两极以地震的形式放出,再厚的冰层也是挡不住的,在两极必会产生有震级(有感)的地震,因此两极不发生地震不应是冰层巨大的原因。对于板块的挤压也完全是从地球的地壳构造来论述的,这个理由不应是地震不发生的原因。

再回到地震发生的原因,由于地球周围“子系体”和地球之间的作用力,地球内部变成了燃烧的岩浆,而这些“子系体”又位于地球的黄道面上,那么地球与“子系体”之间的力的作用位置,应位于黄道面所划过的区域,并且这个力也并不会指向地球的两极的方向,这样地球与“子系体”的作用力刚好留下了南北两极的区域,这个区域无“子系体”力的存在,对于地球两极的核中燃烧的岩浆来说就不会剧烈起来,也永远剧烈不起来,火山和地震就没有发生的条件,自然而然表现为两极无火山和地震。就是两极冰层融化,同样的两极也不会发生地震,也不会有火山的喷发。

地球的两极部分无火山和地震,是由于两极的核内燃烧不会剧烈。岂止不剧烈,实际燃烧也要比地震带区域中核内不地震的情况下还要差,两极的地壳与地幔要比地球的其他地区的地壳和地幔厚,也就是地球各处的地壳和地幔厚度不同,在赤道及其两侧地壳和地幔应薄一些,而在两极地壳和地幔就要厚一些,这样地核的形状就不同于地球的形状,地核中燃烧的岩浆部分的形状是一个扁球体,就可将地球前面所画的剖面图做一修改(图8),还有地球内部结构示意图(图9),它们都表明了地球核的形状。

图8 地球内部剖面结构示意图

说明:地核为一扁球

图9 地球级其内部结构示意图

说明:地球核为一扁球

我们现在做这样的一个假设:剥去地球的地壳和地幔,一种是剥去全部的地壳和地幔,只剩下地球核,也就是完全燃烧的岩浆,它的形状是什么样子?这种情况剩余的部分就是一个扁球体,但这个扁球体的表面并不是光滑的扁球面,在其表面上有很多沟壑,有时还有大坑,当然小坑更是不计其数,形状已变成了十分不好看的扁球体,也可称为麻脸扁球体(图10)。另一种是等深度的剥去地壳和地幔,这样剩余部分又是什么样子?第二种剩余部分则是一个光滑的球体,这个球体可是一个完整的球体,但球体的表面却不尽相同,有些地方可看到燃烧的岩浆,有些地方还和地幔的情况相同,不能看到燃烧的岩浆,我们可以再剥去一些,会发现可看到燃烧的岩浆的范围再扩大,不燃烧的地方再缩小,不燃烧的部分刚好填补第一种扁球体变成球体的缺失,在这里球体的两极部分未见到燃烧的岩浆(图11),当然若在两极剥出了燃烧的岩浆,那就剥去了很多燃烧的岩浆,剩余部分就是一个完全由燃烧的岩浆构成的完整球体。

图10 地球剥去地壳和地幔后剩余部分为表面不完整的扁球

图11 地球等深度剥去地壳和地幔见到大部分地核时的球形

这种做法的两种形式结论是否正确?既然我们的地球的核与太阳是相同的,因此这种做法就是由地球剥出了一个太阳,大家都知道太阳是一个球体,还是一个气态球体,上面剥出的第一种形状不是球体,第二种虽是球体,可并不是完全由燃烧的岩浆构成,这应该是太阳的样子了,但两极与太阳似有差异。

太阳是一个光球,在正午时段内我们很少用肉眼去看太阳,这是由于它的光线太强,特别刺眼,让人很不舒服,只有在早晨太阳刚升起或下午太阳快落山时,我们直视太阳较多,我们看到的就是一个红彤彤的球体。要是仔细一点会看到太阳黑子。太阳黑子有以下资料:

▲太阳黑子

在太阳的光球层上,有一些旋涡状的气流,像是一个浅盘,中间下凹,看起来是黑色的,这些旋涡状气流就是太阳黑子(sunspot)。黑子本身并不黑,之所以看得黑是因为比起光球来,它的温度要低一二千摄氏度,在更加明亮的光球衬托下,它就成为看起来像是没有什么亮光的、暗黑的黑子了。

太阳有黑子,看来太阳表面也不是完美无缺的,黑子的部位不仅温度比周围的温度低很多,而且还是下凹的,用通俗的话说,黑子的部位是不平整的。太阳黑子所显示的只是太阳很少区域的下凹且不平坦,也是与周围相比较燃烧较弱的区域,其实在太阳表面的燃烧状况还有更多的不一样,有些地方燃烧剧烈,我们在日全食所拍的照片中看到长长的日珥就是太阳燃烧剧烈的区域,当然也有许多的地方没有日珥,说明也有许多的区域燃烧的并不剧烈,有没有燃烧很弱或不燃烧的区域,我们还是看看太阳的冕洞(图12)。

图12 太阳冕洞示意图

对于太阳的冕洞有以下资料:

冕洞(coronal hole)

日冕中一些辐射很弱、亮度比周围小得多的区域,从X射线或远紫外线的日冕照片上都可以看到。1950年,德国天文学家瓦尔德迈尔从地面上观测的单色光太阳综合图上首先发现冕洞。1964年,在火箭上拍摄到X射线冕洞照片。1967年,轨道太阳观测台4号利用远紫外线观测到冕洞。1972年,坎杜等在射电波段也观测到冕洞。1975年,博林等利用天空实验室拍摄的HeⅡ304单色照片,绘制了冕洞边界的综合图集。同一时期诺尔蒂等用天空实验室得到的软X射线资料编制了另一部图集。这两部图集有较好的一致性,为研究冕洞的分布和性质提供了丰富素材。

冕洞大致分三种:①极区冕洞,位于两极区,常年都有;②孤立冕洞,位于低纬区,一般面积较小;③延伸冕洞,向南北延伸,从北极区向南延伸至南纬20°左右或由南极区向北延伸至北纬20°左右,且同极区冕洞相接,面积较大。在天空实验室飞行期间(太阳活动下降期)太阳表面覆盖18%~19%的冕洞。有趣的是两极的冕洞面积总和是相当稳定的。若一极的冕洞变大时,另一极的便缩小,而总面积基本上保持不变。冕洞的寿命一般为5个太阳自转周,有的可达8~10个自转周,甚至一年。冕洞是太阳上一种比较稳定的现象,其面积增长率和衰减率相同,为(1.5±0.4)×104km2/s。冕洞相对于太阳表面基本不动,并随太阳自转作近似的刚性旋转。与黑子相比,它具有更强的刚性旋转性。冕洞是日冕中密度较低的区域。1975年,瓦尔德迈尔测得冕洞中心密度为周围日冕的十分之一。1972年,芒罗等人根据远紫外线探测资料推算出冕洞密度约为宁静区的三分之一。1977年,他们测得极区(纬度68°以上)冕洞在离太阳2~5个太阳半径(3R⊙)的电子密度和粒子流速。研究表明,在2.2~3R⊙处,粒子的流速就从亚声速转为超声速。冕洞的温度约为100万摄氏度,比宁静日冕区低一些,而温度梯度则只有后者的十分之一。

冕洞仅存在于大的单磁极区域中,而且不与大尺度磁场图的中性线相交;但并不是每一个单极磁区都能产生冕洞。冕洞总是出现在与该半球具有相同极性的磁区中。冕洞中的磁场是不均匀的。各孤立冕洞的磁场强度不等,从零点几高斯到十几高斯。冕洞与无冕洞区的磁场强度差不多,但比活动区弱。极区冕洞场强在1高斯左右。1972年,阿特休勒等用无电流场模型对冕洞进行了计算,提出了它有开场线的可能。1977年,莱维恩认为冕洞内不是所有场线都是开放的。1978年,诺尔蒂等认为冕洞的大尺度变化是磁场线突然开闭引起的。场线开放时,冕洞扩展;场线闭合时,冕洞收缩。尽管在不少冕洞照片上能够看到开场结构的特征,如冕洞的羽状结构、冕洞边缘的浪花状结构,但还不能肯定它在任何时候都有开场线。不少学者对冕洞同太阳风和地扰动之间的关系做了统计研究,发现小的低纬冕洞同地球附近空间速度约为每秒550千米的太阳风有很好的相关性。高纬冕洞(特别是极区冕洞)能产生高速太阳风,但一般不能到达地球。大的冕洞(即使在中纬区)与地球周围大于每秒700千米的太阳风有较好的相关性。长寿命的赤道冕洞是太阳风的风源,也就是M区,它能引起重现性的磁扰。关于冕洞的形成问题尚未解决。

日冕中为什么会出现一些辐射很弱、亮度比周围小得多的区域?这些区域的真实情况是什么?它相对周围辐射很弱,亮度也小,温度也比周围低很多,由于颜色相对周围要暗很多,几乎呈黑色,这样才称为冕洞。那么我们要问冕洞的这个区域燃烧了没有?若燃烧,它将会和冕洞的周围一样,就没有洞的表现,辐射与周围相比不会变弱,亮度也不会比周围的暗。当不燃烧或燃烧很差时,那么亮度就不会强于周围,必然这个区域的温度要低一些和辐射要弱一些。周围因燃烧而升腾的气体,也使得冕洞的边界是一种模糊的景象。在太空看地球,由于大气层的干扰,我们看到的地球的表面也会像一个个边沿模糊的绿色或蓝色的洞,这里就可以说冕洞内其实就是太阳表面未燃烧的或燃烧很弱的区域。

冕洞大致分为极区冕洞、孤立冕洞和延伸冕洞三种。这里只有极区冕洞常年都有,另两种冕洞不仅有大小的改变,也有位置的改变,也会有时出现有时消失,看是呈现规律(周期)性变化。对于两极冕洞虽然常年都有,有趣的是两极的冕洞面积总和相当稳定,若一极的冕洞变大时,另一极的冕洞就会缩小,而总面积基本上保持不变。如果冕洞是太阳表面未燃烧的区域,那么为什么两极不燃烧,而两极的不燃烧区域又发生着大小变化。对于其他不燃烧的区域,有时变大,有时变小,有时从无到有,有时从有到无,形状有圆的也有条形的,真是变化万千,神秘莫测,这些现象都是什么原因造成的呢?

在研究地球核的燃烧状况时,是从地球的受力出发的,对于太阳的冕洞也是一样的。太阳周围有许多大大小小的“子系体”,这些“子系体”与太阳间的作用力是巨大的,且是多方向的,就是这些力导致太阳变成了一个燃烧的发光体,但这些力并不是同大小的,方向也不是均匀分布的,这样就导致在太阳的有些部位作用力较大,有些部位作用力较小,较大的作用力使得太阳表面燃烧起来,较小的作用力就使得太阳的这个表面不会燃烧或将要燃烧,对于太阳表面燃烧的部分是主流的,作用力小的不燃烧区域却是少部分,比例虽小但还是存在的。随着太阳“子系体”因公转位于太阳周围的位置不同,太阳各方向上受力的大小、位置也在发生改变,改变的结果,原来位置作用力较大变为较小,或作用力较小变为较大,这就产生了冕洞的上述变化,就是连接两极的延伸冕洞也是作用力的大小和位置的改变而引起的,冕洞的这种变化是有一定时间的,这种变化相对宇宙的年龄是非常短暂的,但相对地球人类对时间的感受并不短暂,一年左右的变化时间是正常的,因为我们是以地球绕太阳公转一周为一年,太阳“系体” 中的其他“子系体”计年虽与地球不一样,但差异并不太大,最多也是数倍。那两极的冕洞是怎么一回事?由于太阳的“子系体”均位于太阳的黄道面(太阳子系体所在的平面)内,因此作用力的方向也就在黄道面内,永远也不会有位于两极且与太阳的自转轴同方向的作用力,这样太阳的两极就缺少了燃烧的条件,太阳的两极就不会燃烧了,也就表现为冕洞的形式,并且是常年都有的冕洞。太阳周围的“子系体”并非固定在一个面上,也就是太阳的黄道面与太阳赤道面的夹角总在改变着,这种夹角的变大或变小就导致太阳两极冕洞的大小变化,两极的冕洞经常发生这样的大小变化,而总面积基本上保持不变。

太阳上的冕洞是太阳表面没有完全燃烧的表现,未燃烧区域和燃烧区域处除颜色的差异外,还有其他一些差异,如磁场的差异、温度的差异等。对于燃烧部分和不燃烧部分的磁场强度是不一样的,冕洞使得磁场强度的变化直接影响着地球的环境,如通讯设施的工作状态,气候环境的变化等。温度的差异在太阳上有什么表现呢?它对太阳以及太阳“系体”的“子系体”有什么影响呢?我们还是从地球上的温差表现来说,地球上的地理环境是非常复杂的,有高山和平原、沙漠和绿地、海洋和陆地、赤道和两极等,这各自的两者都存在巨大的温差,这些温差造就了地球上的大气环流,这种环流我们称其为“风”,夏天的风微微吹过,人们感到凉爽舒适;冬天的风吹过,人们感到寒冷刺骨,不时发生的热带风暴,给人类带来了巨大的灾害。风直接影响着地球的环境和人类的生活。地球大气环流可参考相关的地理知识。

由温差的大小,将地球可分为高压带和低压带,它们都形成了地球的大气环流,这里可分为大气小环流和大气大环流。对于小区域的的大气环流就是小环流,对于由两极及赤道大温度差所形成的大气环流就是大环流了,南北极在大气大环流中起到了关键性的作用,这是因为两极是地球上温度最低的最大区域。

太阳上的冕洞造成的温差应该比地球温差还要大,太阳没有像地球一样的空气,能否形成一种气体环流呢?这是肯定的,地球空气是空气离子(混合离子),大气环流就是空气离子的流动(是热能的作用),太阳没有空气,当然不会有空气离子,但太阳有其他可流动的粒子,也并不比空气离子的密度小,这些粒子就构成了太阳“系体”的环流,这种粒子的环流就称为太阳风,对于太阳风有以下资料:

太阳风是从恒星上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。在不是太阳的情况下,这种带电粒子流也常称为“恒星风”。太阳风是一种连续存在,来自太阳并以200~800km/s的速度运动的等离子体流。这种物质虽然与地球上的空气不同,不是由气体的分子组成,而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成,但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似,所以称它为太阳风。

太阳风的密度与地球上的磁场的密度相比,是非常稀薄而微不足道的,一般情况下,在地球附近的星际空间中,每立方厘米有几个到几十个粒子。而地球上风的密度则为每立方厘米有2687亿亿个分子。然而太阳风虽十分稀薄,但它刮起来的猛烈程度,却远远胜过地球上的风。在地球上,12级台风的风速是32.5m/s以上,而太阳风的风速,在地球附近却经常保持在350~450km/s,是地球风速的上万倍,最猛烈时可达800km/s以上。太阳风从太阳大气最外层的日冕,向空间持续抛射出来的物质粒子流。这种粒子流是从冕洞中喷射出来的,其主要成分是氢粒子和氦粒子。太阳风有两种:一种持续不断地辐射出来,速度较小,粒子含量也较少,被称为“持续太阳风”;另一种是在太阳活动时辐射出来,速度较大,粒子含量也较多,这种太阳风被称为“扰动太阳风”。扰动太阳风对地球的影响很大,当它抵达地球时,往往引起很大的磁暴与强烈的极光,同时也产生电离层骚扰。太阳风的存在,给我们研究太阳以及太阳与地球的关系提供了方便。

对于太阳风应该有两种形式,一种是太阳表面温差形成的粒子环流,这个粒子环流与地球大气环流是一样的,也应该有高压带和低压带,粒子环流也分为强和弱,较大的冕洞和两极的冕洞对粒子的大环流起着关键的作用,会形成强粒子环流。另一种就是太阳将其高温的粒子流向太阳周围“子系体”(低温区),我们在地球就能感受到这种太阳风,也就是上述资料中的太阳风。

冕洞是太阳上的特殊现象,对于太阳本身和太阳“系体”影响非常巨大,两极的冕洞与太阳其他区域的冕洞也有着很大的差异,当然两极冕洞常年都有,其他的冕洞,有时有,有时无,有时在这里,有时在哪里,因此我们有必要将他们区分开来,对于两极冕洞可称为“太阳黑极”(图13),其他的冕洞仍然称冕洞。在地球上,我们并不能看到“太阳黑极”,要看到“太阳黑极”,必须位于太阳两极的上空区域,这点人类已经做到了,1990年美国发射了尤利西斯探测器,该探测器超期使用,17年的时间曾经三次飞过太阳两极,观察太阳两极的冕洞,得到了大量的探测数据,也证实了两极冕洞的存在形式,也就是证实了“太阳黑极”的存在。关于尤利西斯飞行路线图可浏览互联网的相关内容。

图13 太阳“黑极”示意图

认识了太阳后,回过来我们再看前面剥去地壳和地幔的所剩余地球核,虽然剥去的方法不一样,但地球的核确实与太阳没有差别,我们的地球核就是一个小“太阳”,进一步看月球的核也是一个更小的“太阳”。

太阳“系体”中,水星、金星和火星与地球的核也是基本相同的,这是因为它们的差异不大,并且它们的较大的“子系体”没有或最多只有两个,因此它们的壳和幔就比较厚,在这些星体的表面除了火山和地震外,它们的核对这些星体表面的影响是看不到的,这样这些星体就和地球一样呈现石质结构。但对于太阳“系体”中的木星、土星、天王星和海王星来说,就不一样了。它们的体积比四个石质的星体大得多,它们的较大“子系体”数量也很多,木星有16个卫星“子系体”,土星有23个卫星“子系体”,天王星至少有14个卫星“子系体”,海王星也有9个卫星“子系体”,这样就导致它们的核所占比例变大,它们的表面火山和地震变得非常频繁,地域较广,但绝不出现在两极,它们的壳和幔也变得非常薄,核的高温直接传到表面,使得表面物质不能全部以固态的形式存在,导致它们变成液态或气态,但核的燃烧并未完全到达表面,这就不同于太阳,这样它们就变成了介于太阳和石质行星间的气态星体(也是行星)。

石质行星“系体”与气态行星“系体”是截然不同的,将这八个行星统称为太阳“系体”的八大行星显然不合适,我认为四个石质行星称为大行星“系体”,另外四个气态行星应称为太阳“系体”的超大行星“系体”。这样太阳“系体”就可表示为:

太阳“系体”={太阳,超大行星“系体”,大行星“系体”,矮行星“系体”,小行星等}。

超大行星“系体”包括木星“系体”、土星“系体”、海王星“系体”、天王星“系体”等,大行星“系体”包括水星“系体”、金星“系体”、地球“系体”、火星“系体”等,矮行星“系体”就是冥王星“系体”。

从力的角度出发,我们研究了太阳“系体”的恒星和行星的特点,可以说已经搞清楚了它们的结构,对于太阳“系体”外的其他恒星“系体”和行星“系体”有什么特点?它是什么结构呢?对于恒星“系体”应与太阳“系体”一样,有超大超多的“子系体”,表面燃烧,也有黑子和冕洞,两极也是黑极,可以称为“恒星黑极”,恒星风有大有小,分内外两种环流体系,环流体系的风也依然刮个不停。行星“系体”中有像太阳“系体”中的石质结构的大行星“系体”,也有像太阳“系体”中的气态超大行星“系体”。

对于“系体”的结构,形式简单,内容复杂。“系体核”也并非只具有体积、引力那样的简单,它有着复杂的结构,对于不同的“系体”,它的“系体核”各有不同,可有体积、质量、辐射、磁场等的不同,可因“系体”的大小不同相应的其他各量的大小也有所不同。“系体”的存在形式是由“系体核”直接决定着。

由前面“系体”的概论可知,国和家都是“系体”,它们都有同样的结构,因此人们将两者放在一起就有了一个“国家”,这完全反映了它们具有的共同结构。但它们也有着巨大的差异,这个差异主要体现两点,一是大小,二是“系体核”的作用。一个家长的作用与一个国家领导人的作用是无法比拟的,这也类同于太阳“系体”与地球“系体”的“系体核”的差异,两个系体存在巨大差异就是必然的。

“系体核”是“系体”的管理者,它管理着“系体核”本身以及周围的“子系体”,管理方式就是对周围“子系体” 的作用力,迫使其“子系体”在自己周围不可逃离并且围绕其作着近乎规律性的旋转运动,“系体”其实就是一个有秩序、有规律、相互依存的人文的或物质的自然组合体。