太阳

                                                       

     俗话说:“万物生长靠太阳”。太阳在人类生活中是如此的重要,以致人们一直对它顶礼膜拜。中华民族的先民把自己的祖先炎帝尊为太阳神。而在绚丽多彩的希腊神话中,太阳神被称为“阿波罗”。他右手握着七弦琴,左手托着象征太阳的金球,让光明普照大地,把温暖送到人间,是万民景仰的神灵。在天文学中,太阳的符号“⊙”和我们的象形字“日”十分相似,它象征着宇宙之卵。

      太阳处于太阳系的中心,是太阳系的主宰。它的质量占太阳系总质量的99.865%,是太阳系所有行星质量总和的745倍。所以,她有足够强大的吸引力,带领它大大小小的家族成员围着自己不停地旋转。


太阳系

     太阳的质量为1.989 x 1033克,相当于地球质量的33万多倍,体积1.412 x 1033 cm3,大约是地球的130万倍,半径约为69.63万公里,是地球半径的109倍多。虽然如此,她在宇宙中也只是一个普通的恒星。太阳的寿命约为100亿年,它形成于50亿年前,所以大约可以在维持五十亿年。

太阳的内部结构:从里向外,由核心、辐射区、对流区三个层次组成。

核心(core):产生核反应—提供太阳的能源。

太阳核心温度高达一千五百万度,核心质量约占太阳总质量的50%,半径约为太阳半径的10%,太阳99%的能量来源这里。太阳的能量主要由核反应来提供,核心的核反应的主要过程有质子–质子链(proton-proton chain)与碳氮氧循环(CNO cycle)兩种,除反应的中间过程有差异外,这两种核反应可监督总结为:

4个氢→1个氦+能量+ 2个中微子

能量的形式通常为高能的γ射线与X射线光子。

辐射层(radiation zone):能量以辐射的形式传出。
对流层(convection zone):靠近太阳表面处,厚约15万公里,以对流形式将能量传出。

太阳大气结构:从里向外分为光球、色球、日冕三层。


图1 太阳大气结构

光球层 光球位于太阳大气的最里层,它是一层不透明的气体薄层,厚度大约有400公里,它辐射出太阳能量的绝大部分。当我们用肉眼观察太阳时,看到的明亮日轮就是这个球层,它非常醒目地呈现在我们面前,所以把它称为“光球”。光球上面的斑点结构称为米粒组织(图2),是太阳热气体云的顶部,大小约为300~1450公里,形状为不规则多边形,持续时间约7~10分钟,有垂直方向的振荡。光球的能量来自不同深度,形成不同温度的表面大气。


图2 光球层

色球层 光球层的外面是一个较厚和外缘参差不齐的层次,称为色球层或色球。色球的密度比光球低,但温度反而比光球高。从色球低层到高层密度下降了5个量级,而温度则上升了3个量级。在1500km以下的色球比较均匀,1500km以上则由所谓针状体充满(图3)。


图3色球层

日冕层 色球上面是一个更稀薄但温度更高而且延伸范围更广的层次,称为日冕。日冕是包围太阳的一层发光的高温稀薄气体,亮度很微弱,只有在日全食时和用日冕仪才能看到(图4)。日冕最高温度可达两百万度,因高温而不断发出带电微粒向外扩散,称为太阳风。当太阳黑子活动的极大年时,日冕的形状呈球型,而在极小年,两极的方向出现极羽。 日冕的最外面向太空伸展并辐射出从太阳产生的粒子。


图4 日冕

太阳活动:太阳是一颗基本稳定的恒星。它的辐射总量(其中大部分是可见光)变化很小。然而,它的外层大气由于受到太阳磁场的支配,处于局部的激烈运动中,称为太阳活动。从某种意义上说,太阳活动可以通俗地比喻为太阳的“天气变化”,它使得太阳辐射在紫外线和X射线波段,有大幅度的起落。

太阳活动的主要类型

太阳活动的形式是多种多样的,但主要包括以下几种类型:

太阳黑子 在各种太阳活动现象中,最为醒目也最容易观测到的现象就是太阳黑子。黑子是出现在太阳明亮光盘上的暗色斑点(图5)。我国是世界上首先发现太阳黑子的国家。在《汉书 五行志》中记载:"日出黄,有黑气。大如钱,居日中。"记载的是公元前28年5月10日的黑子活动。


图5 黑子

太阳黑子的主要性质

(1)中心温度比周围太阳表面低。

黑子其实不黑,只是中心温度较低(约为4500度),在明亮的光球反衬下才呈现黑色。黑子的大小不一,最大者可达地球直径的两倍。

(2)黑子常成群出現。

多数太阳黑子成群结队随太阳自转移过日面,每群黑子中通常有前导和後随黑子之分。早在伽利略时代就己发现观测黑子在日面的的运动 ,可以找出太陽的自转周期。黑子持续时间从几小时到数月不等。前导黑子和后随黑子的磁极性相反,南、北日球黑子群的极性也恰好相反。

(3)黑子是太阳表面的强磁场区域。

美国天文学家Hale 在1908 年,利用Zeemann 效应来测量太阳表明的磁场,发现太阳黑子处的磁场约为太阳表面平均磁场的数百倍,所以黑子是太阳的强磁场区域。磁周期约为22年。

(4)太阳黑子周期约为11年。

如取过去世界各地所观测黑子的平均数目,对年份作图,即可看出太阳黑子的周期性变化。每一黑子周期长者可达13.3年,短的只有7.3年,而平均值是10.8 年,所以现在最常被引用的黑子周期为11年。


太阳黑子周期

(5)太阳黑子的分布–Maunder蝴蝶图(Maunder butterfly diagram)

研究发现,在每个太阳活动周开始时,黑子主要出现在南、北纬度约35°处,而在每个太阳活动周结束时,黑子通常出现在南、北纬度5°处。以年份为橫轴,而以黑子出现的纬度为纵轴来画太阳黑子分布图,在同一活动周中黑子的分布形状象一只蝴蝶,称为Maunder蝴蝶图。