阿迈
第11楼2011/03/13
“日本宇宙航空研究开发机构” (JAXA)的渡边恭子博士领导的一个美日合作研究组,利用JAXA的“日出”(Hinode)太阳探测卫星和NASA的RHESSI探测器的观测数据对一次X类耀斑进行定量的分析,发现了太阳耀斑白光辐射的来源。
耀斑是太阳系中最剧烈的能量爆发,现在人们一般通过X射线和射电波段以及色球层的谱线来探测耀斑。而有些最强烈的耀斑在可见光波段也有强烈的辐射,人通过肉眼即可看到,因此这种耀斑被称为白光耀斑。1859年英国人Richard Carrington史上第一次发现的耀斑就是白光耀斑。因为白光耀斑非常罕见,所以它发出白光背后的辐射机制一直是个迷。JAXA在2006年发射了“日出”太阳探测卫星,卫星搭载的太阳光学望远镜可以拍摄精确的可见光波段照片,使得天文学家得到了详细研究这种现象的机会。“日出”的观测数据显示其实许多耀斑都伴随着白光辐射,只是被光球层发出的强烈光芒掩盖了。
阿迈
第12楼2011/03/13
“日出”观测到了2006年12月14日的一次X类耀斑的白光辐射,与此同时NASA的RHESSI探测器也在观测来自太阳的硬X射线辐射,这些辐射来自于被耀斑加速的高能非热电子。渡边组发现,白光辐射的空间位置和随时间的变化都与硬X射线辐射高度相关。除此之外,白光辐射的能量与40keV的高能电子(运动速度相当于光速的40%)所能提供的能量相当。这些发现有力证明白光耀斑的辐射来自于高能电子。
硬X射线是高能电子撞击太阳色球层大气时发出的,辐射源的高度在光球层以上几百甚至数千千米,通常白光辐射则是来自于太阳光球层表面。另外从日冕层获得加速的40keV电子最多只能穿透到太阳表面1000千米以上的色球层,并不能抵达色球层底层。 所以辐射来源的高度仍存在相当大的问题。此次发现需要新的白光辐射模型来解释白光辐射和高能电子辐射的良好相关性,以及白光和X射线辐射高度上的差异。
耀斑中粒子的加速过程依然是个谜,建立太阳大气中高能粒子的能量转移模型是继续增进对粒子加速过程认识的重要课题。现在,随着太阳活动重新进入活跃期,太阳物理学家希望“日出”能够继续促进我们对太阳耀斑观测和认识。
阿迈
第13楼2011/03/13
太阳也许是对地球影响最大的天体了吧?这位老大打个喷嚏就能让我们感冒好几天。我们需要经常看着它的脸色行事,那么就少不了研究“耀斑”。
所谓耀斑(solar flare),就是太阳表面突然出现的亮光(比太阳平常的亮还亮),它是由于平时束缚在纠结的太阳磁场(比如黑子附近的)里面的能量被突然而猛烈释放的结果,黑子、日珥和耀斑是太阳活动强弱的标志。其实耀斑释放的能量谱很宽,从很长的射电波到很短的X,伽马射线都有,当然还会释放许多高能粒子,这些粒子到达地球附近,会干扰地球磁场和磁层,从而影响地球环境。天文学家根据在X射线(10~80纳米)波段的亮度对耀斑进行了分类,X类指非常强大的耀斑,可以导致整个地球范围的无线电通讯中断,并出现长时间的磁暴(比如收音机只有沙沙沙的噪音,夜晚则可能从高纬度到低纬度都出现大范围的极光现象)。M类则指较小规模的爆发,会造成两极地区无线电中断,C类则是更小规模的耀斑事件。在1859年卡林顿(太阳黑子活动周期的发现者)观察到的那次耀斑事件,应该就是一次X类耀斑,当时人们还不知道太阳活动对于地球环境的影响,这次观测也可以看做太阳物理学的起源。
阿迈
第14楼2011/03/13
最近几年人们似乎感到老大脾气有点儿不大好,加上谣言作祟,人们越发地积极揣摩起他的心思来,这也促成了一些科学的发展。
由于2008—2010年之间的“太阳活动极小期”反常地长,又加2012“世界末日预言”的推动,公众和媒体对于太阳活动的关注度也随之升高,不过必须承认的是,对于太阳内部的工作机制,我们了解得仍然不够细致,还需要更多更好的观测和研究,其中最重要的就是各波段的太阳望远镜。
“功欲善其事,必先利其器”,没有太阳望远镜,再好的观察太阳的想法也都是空谈。
这个进展(解开白光耀斑辐射来源之谜)所依据的硬X射线(即波长较短,能量较高的X射线)数据,是由2002年升空的美国宇航局RHESSI观测的。其实这个波段的重要性(同时也是个空白)在1990年代也被李惕碚院士注意到了,他由此提议我国应该抢在国外之前发射中国自己的硬X射线卫星,并投入了研制工作。可惜的是,李院士的工作先是因为“与欧美工作的传统方法不同”不被认可,后来虽然列入973,十一五,但由于资金迟迟不能到位而导致项目被国外抢先,令人惋惜,“中国的哈勃”就此夭折。中国天文学的另一个项目“太阳空间望远镜”(SST)也未能获得立项。也就是说,目前我国还没有一台用于民用(即纯科学研究)的空间天文台。
阿迈
第15楼2011/03/13
说完了核辐射,我们再来说说电磁辐射。顾名思义,电磁辐射就是电磁波的辐射,振荡的电场和磁场在空间中以波的形式传播就形成了电磁波,可见光就是一种电磁波,还有我们日常提到的x光、紫外线、红外光、微波还有无线电波,这些都是电磁波。电磁波具有波粒二象性,可以看作波,也可以看成一个个的光子,波长越短,光子能量越高[见备注]。在某些情况下,电磁波可以对生物体造成伤害,人们也经常会对日常生活中的各种跟电有关的设备安全性产生怀疑。那么,电磁波究竟有可能对人有什么伤害呢?
电磁波对人的伤害,简单来说有三种:(1)波长很短的gamma射线、X光、紫外线甚至短波的可见光这样光子的能量高于分子化学键键能(2~10电子伏)的电磁波,可以破坏蛋白质和DNA等分子,造成伤害并有一定的可能诱发癌症;(2)一些能被分子吸收的光,比如可见光、红外光和微波(包括微波炉里面的辐射),如果高强度高的话,可以加热人体造成烧灼伤害;(3)高强度的无线电波可以在人体内形成感应电流,对神经系统和内脏的正常工作造成影响。
电磁波波谱,从左到右,波长逐渐变长,光子的能量逐渐减小。
阿迈
第16楼2011/03/13
1)高能光子辐射
核辐射里的gamma射线是一种波长很短光子能量很高的电磁波。而包括中子射线、alpha射线、beta射线、gamma射线等核辐射,再加上X光,这些可以统称为电离辐射。因为这些射线都有可能引起物质的电离。这些射线因为单个粒子的能量远高于分子的化学键能,可以破坏分子,造成伤害,引起变异甚至诱发癌症。比如说,做过躯干的X光检查之后医生有时会告诫在下面几个月的时间内不要怀孕,就是为了避免因为x光的辐射导致婴儿的畸形。紫外线和波长较短的可见光的光子能量也大于某些分子的键能,它们并不能透过人体,但是也可能对皮肤造成类似的伤害。最近一些年,美国人颇为推崇晒成小麦色的皮肤,为了拥有健康的肤色,很多人在强烈的阳光下暴晒、或者用紫外线灯照射自己。我所在的地区地处高原、日照强烈,好多美国人又喜欢暴晒,所以是美国皮肤病、皮肤癌高发的地区。为了避免紫外线的伤害,在强烈阳光下活动的时候应该涂抹防晒霜(为数不多的一种靠谱的防辐射产品)。
(2)可见光、红外和微波辐射:从阳光到微波炉和手机
对于大部分可见光甚至更低频的红外、微波辐射波段,由于光子的能量比分子间化学键的能量小,是不可能破坏分子结构的。如果波长合适(主要是红外光),能够被分子吸收(跟分子的振动或者转动能级恰好匹配),那么分子会吸收这种电磁波而使得分子运动变得剧烈;而微波波段的电磁波能够驱动某些极性分子(分子内部有带正电和负电的部分)做振荡运动,使得分子之间互相碰撞,也会加剧分子的运动。总之,就是在这一波段的电磁波的作用下将会使得人体温度升高,有可能造成烧灼的伤害。太阳光汇聚起来可以引火做饭,就是因为可见光的波段能够被物质吸收产生热量;微波炉就是利用电磁波驱动水等极性分子振荡运动以加热食物。
室温下物体黑体辐射强度随着波长的变化。
另外,一切物体都在不断地向四面八方辐射各种波长的电磁波,这就是“黑体辐射”的物理知识。辐射的不同波长电磁波的能量分布服从普朗克提出的黑体辐射定律。我们日常所见的一切,包括房子、车子、票子、还有每一位帅哥靓女等等,都在不停地以电磁波照射着周围的一切,也持续受到着周围一切的黑体辐射。按照室温计算(300开尔文,27摄氏度),我们辐射的电磁波强度最大的波长是约十个微米,处于红外光的范围里(见上图),每平方厘米的皮肤每秒钟辐射出的电磁波总能量为0.046焦耳。显而易见,低强度的红外光辐射对人体是完全无害的。值得注意的是,人的眼睛看不见红外线,但是会被高强度的红外线烧伤。
一般的微波炉工作频率是2.45GHz(1G等于十亿),无线网络(WIFI)的无线路由器工作频率一般是2.4GHz(也有5GHz的),3G网络的频率在1.7-2.4GHz之间,而手机的信号频率在0.8-0.96GHz之间和1.71-1.85GHz之间,在这些频率范围内,辐射对人体的伤害表现为热效应。电磁波通过驱动极性分子(主要是水)做振荡运动,使得分子之间互相碰撞,加剧所有分子的运动,表现为温度升高。对于像部分食物或者生物体这样含水多的物体,这个波段的穿透深度基本上在厘米量级(温菜的时候有时表层热了,下面还凉着),所以如果你没有感觉到皮肤发热或体温上升,那么就完全不用担心这个波段的辐射伤害。总之,在从可见光到微波波段的电磁辐射里面,如果没有闻到烤肉的味道也没有觉得体温升高太多的话,就不用担心电磁辐射的伤害。
尽管说从物理上来说“手机致癌”的说法并没有道理,但是必须承认,关于手机致癌的讨论并没有定论。在很多国家都有关于手机致癌的传言,也有不少或正或负的关于手机是否致癌的研究,然而一直都没有明确的论断。世界卫生组织国际癌症研究所(IARC)展开的全球迄今最大规模的手机安全研究显示,使用手机与脑癌之间没有明显联系。关于“手机致癌”的问题。并不认为手机辐射有致癌的可能,但是长时间使用手机聊天对身心健康和手臂关节是不好的。
阿迈
第17楼2011/03/13
(3)波长更长的无线电波
对于波长更长的无线电波和长波无线电,包括广播(FM/AM)、高压输电线和变压器(50Hz)、和大部分家用电器(50Hz),要担心的是感应电流的危害。大家知道,导体在交变的电磁场里面会产生感应电动势和感应电流,而人体可以看作导体,在电磁场里面也会产生感应电流。虽然说感应电流也有热效应(电磁炉),但是对于正常环境下的人体来说这个热效应不会造成太大的影响(那需要的感应电流太大了)。但是,我们的神经系统和内脏器官的正常工作是需要生物电信号交流和控制的,如果感应电流超过一定的强度的话,会有可能干扰神经系统和内脏的工作,使人感觉到不舒服。不过,电流对于人体的影响是需要高于一定的阈值的,低于阈值,人体是不会有感觉的。因此,对于天线、电视塔等强辐射源,只要我们离开他们适当的距离,使得电场磁场低于一定的值,就不用担心这个问题;对于像高压输电线、变压器还有一般的家用电器这些不是为了辐射电磁波而设计的设备,正常使用情况下的辐射是不会对人体造成危害的,不应该担心。
根据《电子设施保护条例实施细则》规定,各级电压导线边线在计算导线最大风偏情况下,距建筑物的水平安全距离如下:1千伏以下为1.0米,1千伏至10千伏为1.5米,35千伏为3.0米,66千伏至110千伏为4.0米,154千伏至220千伏为5.0米,330千伏为6.0米,500千伏为8.5米。各种高压输电线,包括高速铁路、公共交通用的高压输电线,只要保持适当的距离,就不会对人体造成损伤。有一个流传甚广的“高压线导致白血病”谣言,里面提到“牛津儿童癌症研究中心的杰拉尔德·德雷珀博士说,他领导的小组研究了3.5万名在1962年至1995年间患白血病和其它癌症的儿童,结果发现居住在高压线下周围100米以内的儿童患病几率略微大些”。是否真有“杰拉尔德·德雷珀博士”其人姑且不论,这种能够只研究患癌症的儿童就可以得出患癌症几率的研究方法是值得大家警惕的。还有流言提到高压线附近的磁场会致癌,甚至煞有介事地说磁场高于零点几个微特斯拉(百万分之一特斯拉)就有很高的几率致癌,耸人听闻而又不值一笑。因为实际上地球表面的地磁场的强度就有约为50多微特斯拉,身处其中的我们大部分都健康生活,在这个基础上增加一点点或者减少一点点,除了有可能影响某些依靠磁场导航的鸟类外,对生物体的生活不可能有任何影响。
一些关于“防辐射”的流言
值得强调的是,只有单个粒子的能量高于分子键键能的辐射才有很小的可能伤害DNA甚至诱发胎儿畸形或者癌症,其他的包括大部分可见光、红外、微波、无线电波等等都不可能诱发胎儿畸形或者癌症。流传的“高压线导致白血病”、“手机辐射导致胎儿畸形”等等,都是没有任何根据的谣言,没有科学证据的支持。所谓的“防辐射孕妇装”、“防辐射床单”、“防辐射手套”还有“防辐射围裙”等等,往往是通过在纺织物里面织入金属丝来屏蔽无线电波,并不能够阻止电离辐射等对人体的伤害,根本不能达到声称的“防止胎儿畸形”的效果;而要完全屏蔽在低强度下对人完全无害的微波和无线电波波段的辐射,需要把整个身体都包裹在金属里面才行。
而对于所谓在电脑旁摆放“防辐射”的仙人掌和瓶装矿泉水,没有任何理由相信他们能够达到“吸收电磁辐射”的效果。也没有任何理由相信木耳和酸奶等食品能对核辐射或者电磁辐射的效果产生任何的影响,虽然它们很好吃,并且从某些角度来说对身体也很有好处。
光、电磁波和光子
振荡的电场和磁场在空间中以波的形式传播就形成了电磁波,gamma射线、X光、紫外光、可见光、红外光、微波、无线电波和长波无线电,这些都是电磁波。电磁波具有波粒二象性,光子就是量子化的电磁波,是电磁波能量的最小单位。光子的能量和电磁波的波长成反比,比如说,波长最短的gamma射线光子能量高达百万甚至数亿电子伏,医疗和安检用的x光光子能量一般在数百到上万电子伏,紫外光的能量一般在数个到数十电子伏,可见光的能量在1.8(700纳米的红色光)到3.1电子伏(400纳米的蓝色光)之间,红外、微波和无线电波的光子能量就小的多。在电磁波和物质相互作用时,物质只能吸收或者放出整个的光子。