天文科普:太阳的基本结构

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 根据太阳活动的相对强弱,我们把太阳分为宁静太阳和活动太阳两大类。宁静太阳是一个理论上假定宁静的球对称热气体球,其性质只随半径而变,而且在任一球层中都是均匀的,其目的在于研究太阳的总体结构和一般性质。在这种假定下,按照由里往外的顺序,太阳是由核心、辐射区、对流层、光球层、色球层、日冕层构成。光球层之下称为太阳内部;光球层之上称为太阳大气。

 1.太阳的内部

 核反应区从中心到0.25R⊙(R⊙:太阳半径)是太阳发射巨大能量的真正源头,也称为核反应区。在这里,太阳核心处温度高达1500万度,压力相当于3000亿个大气压,随时都在进行着四个氢核聚变成一个氦核的热核反应。根据原子核物理学和爱因斯坦的质能转换关系式E=mc2,每秒钟有质量为6亿吨的氢经过热核聚变反应为5.96亿吨的氦,并释放出相当于400万吨氢的能量,正是这巨大的能源带给了我们光和热,但这损失的质量与太阳的总质量相比,却是不值一提的。根据目前对太阳内部氢含量的估计,太阳至少还有50亿年的正常寿命。

 辐射区0.25R⊙~0.86R⊙是太阳辐射区,它包含了各种电磁辐射和粒子流。辐射从内部向外部传递过程是多次被物质吸收而又再次发射的过程。从核反应区到太阳表面的行程中,能量依次以X射线、远紫外线、紫外线,最后是可见光的形式向外辐射。太阳是一个取之难尽,用之不竭的能量源泉。

 对流层对流层是辐射区的外侧区域,其厚度约有十几万千米,由于这里的温度、压力和密度梯度都很大,太阳气体呈对流的不稳定状态。使物质的径向对流运动强烈,热的物质向外运动,冷的物质沉入内部,太阳内部能量就是靠物质的这种对流,由内部向外部传输。

 取一定数量的食用油,并放在锅里加热后,在沸腾的油上放一些细铅粉,仔细观察是否会在一定的温度下产生类似于太阳米粒组织的对流花样。想一想其中的科学道理。

2.太阳的大气

 光球层对流层上面的太阳大气,就是我们平时所见的太阳圆盘,称为太阳光球。光球是一层不透明的气体薄层,厚度约500千米。它确定了太阳非常清晰的边界,几乎所有的可见光都是从这一层发射出来的。

 光球层上最显著的现象就是太阳黑子,所谓太阳黑子,其实只是太阳光球层上的温度相对较低的区域,其温度约为4500K,而光球其余部分的温度约为5800K。这些温度较低的区域在明亮的光球反衬下,就显得很黑。

除此之外,太阳光球层上还有以下一些现象:

 (1)光斑,即在日面边缘背景亮度较小的部分可以看到一些比周围亮的斑点;

 (2)临边昏暗,即日面亮度向边缘逐渐减小的现象;

 (3)米粒组织,即在比较好的大气宁静条件下,通过高分辨率的太阳望远镜仔细观测,可以看到光球表面的亮度并不均匀,存在着均匀分布的米粒状的结构,称为米粒组织。这其实是对流层里对流现象在光球表面的一种表现形式,它和太阳活动区关系密切。

 [小知识]太阳光谱

 使用光谱仪来观测太阳,可以看到太阳光展现成了一条彩色的光谱带,上面还叠加了许多暗线,这些暗线被称为“夫琅和费谱线”。研究表明,这些谱线其实是由各种化学元素造成的。通过对这些谱线的分析,得知太阳光球中存在着90多种化学元素。太阳光谱不仅可以研究太阳大气的化学成分,还可以研究太阳的自转速度、太阳的磁场、太阳活动机制等,为我们提供许多重要的天体物理信息。

 色球层色球位于光球之上。厚度约2000千米。太阳的温度分布从核心向外直到光球层,都是逐渐下降的,但到了色球层,却又反常上升,到色球顶部时已达几万

 度。由于色球层发出的可见光总量不及光球的1%,因此人们平常看不到它。只有在发生日全食时,即食既之前几秒种或者生光以后几秒钟,当光球所发射的明亮光线被月影完全遮掩的短暂时间内,在日面边缘呈现出狭窄的玫瑰红色的发光圈层,这就是色球层。平时,科学家们要通过单色光(波长为6563埃)色球望远镜才能观测到太阳色球层。

 色球上经常出现一些暗的“飘带”,称为暗条,当它转到日面边缘时,很像一只耳朵,人们俗称它为日珥;在太阳黑子的正上方,有时出现一些局部亮区域,称为谱斑;当谱斑亮度突然增强时,就是通常人们所说的太阳耀斑。太阳耀斑释放的能量极其巨大,其巨大的能量来自磁场。

 日冕是太阳大气的最外层,它由高温、低密度的等离子体所组成。亮度微弱,在白光中的总亮度比太阳圆面亮度的百分之一还低,约相当于满月的亮度,因此只有在日全食时才能展现其光彩,平时观测则要使用专门的日冕仪。日冕的温度高达百万度,其大小和形状与太阳活动有关,在太阳活动极大年时,日冕接近圆形;在太阳宁静年则呈椭圆形。自古以来,观测日冕的传统方法都是等待一次罕见的日全食——在黑暗的天空背景上,月面把明亮的太阳光球面遮掩住,而在日面周围呈现出青白色的光区,就是人们期待观测的太阳最外层大气——日冕。

 

天文科普:太阳的活动

太阳是一颗恒星;恒星起源于原恒星。

“大爆炸”发生后,宇宙中遍布着直径很大的星际云。原恒星就起源于这些星际云。原恒星的直径是非常大的,像一块大棉花糖,但是这些棉花糖的直径达上千光年。这些气体中某些力(主要是引力)的不平衡的因素导致了原恒星中各部分物质的密度发生了变化。这样,由于物质间引力的作用,一个或几个引力中心便形成了(这些中心以后可能合并,也可能形成几个恒星)。中心周围的物质开始向这些中心坠落,并且速度越来越快。在坠落的过程中,物质的势能(动能)转化为热能。导致原恒星的中心温度的不断并且越来越急剧的上升。到六七百万度的时候,由氢聚变为氦的核反应便被点燃了;当温度升到一千多万度时,核反应稳定有效地发生下去,恒星便进入了主序星阶段,也就是一颗发光的恒星形成了。

2018-11-20

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微生活

太阳是在大约45.7亿年前在一个坍缩的氢分子云内形成。太阳形成的时间以两种方法测量:太阳目前在主序带上的年龄,使用恒星演化和太初核合成的电脑模型确认,大约就是45.7亿年。这与放射性定年法得到的太阳最古老的物质是45.67亿年非常的吻合。 太阳在其主序的演化阶段已经到了中年期,在这个阶段的核聚变是在核心将氢聚变成氦。每秒中有超过400万吨的物质在太阳的核心转化成能量,产生中微子和太阳辐射。以这个速率,到目前为止,太阳大约转化了100个地球质量的物质成为能量,太阳在主序带上耗费的时间总共大约为100亿年。

 1.光斑和谱斑

 太阳光球像,日面边缘可见明亮的光斑。

 光斑是与太阳黑子相反的一种光球现象,温度约比光球高1000C,在日面边缘部分所看到的微弱明亮区域就是光球光斑。谱斑出现在色球中,位于光斑之上,也称为色球光斑,用单色光可以在日面任何部分都可以观测到谱斑。光斑和谱斑都与太阳黑子有着密切的关系,它们常常相互伴随,有着11年周期的变化。一般情况下,光斑和谱斑的出现,意味着即将有黑子群出现日珥和暗条。

 太阳色球像,其中一些暗条就是日珥的投影。

 氢是太阳大气中最丰富的元素,而且这条谱线位于可见光区。当我们仔细观测日面边缘——色球层时,会发现它不是均匀的一层,而是有着迅速变化的多种精细结构,就象一个燃烧的大草原,有的呈流烟状,有的呈环状,这就是通常所说的日珥。日珥可分为宁静日珥、活动日珥和爆发日珥三大类。宁静日珥变化缓慢,可在日面存在几天甚至几十天。活动日珥总在不停地变化,它们像喷泉一样从日面喷出来,又慢慢地落回到日面。爆发日珥以每秒几百千米的速度,将物质喷发到几十万甚至上百万千米的高空,蔚为壮观。日珥在日面上的投影称为暗条,当暗条随着太阳自转到日面边缘时,就可以观察到日珥了。

2.太阳耀斑

 发生于太阳色球与日冕之间的一种剧烈的短寿命(几分钟到几十分钟之间)爆发现象,又称太阳爆发。用普通的望远镜偶尔也能观测到稀有的白光耀斑。在太阳活动峰年当黑子出现最多的时候也是耀斑活动出现频繁的时候。一次大耀斑事件,除了日面局部突然增亮的现象外,更主要表现在从射电波段直到X射线的辐射通量的突然增强,同时抛射出大量的高能粒子和等离子体,对地球空间环境造成很大的影响。

 [知识拓展]

 太阳射电爆发是太阳上发生的一种急剧突变的无线电辐射过程。太阳射电包括宁静射电、缓变射电和射电爆发现象。其中,射电爆发最能引起人们的注意。因为这种辐射现象发生得往往十分突然,变化也很剧烈,速度快,辐射强度大,其强度要比宁静射电大一千万倍。太阳射电爆发常同太阳活动区的耀斑、X射线爆发,质子爆发或宇宙射线爆发等现象共同发生。当这些增强的辐射抵达地球时,就会产生一系列严重的地球物理效应,诸如极光、磁爆、电讯干扰,等等。因此,对射电爆发的进一步研究,将有利于了解太阳活动区物理、地球物理、日地关系和天体不稳定变化过程。

3.冕洞

 二十世纪70年代的空间探测器观测发现,日冕中有大片形状不规则的黑暗区域,称为冕洞。冕洞是日冕的低温、低密度区,大致可分为3种:极区冕洞、孤立冕洞和延伸冕洞。极区冕洞经常存在南北极区,孤立的中低纬冕洞尺度较小,从极区向赤道发展延伸的冕洞寿命较长,是高速太阳风的重要源泉。当太阳上有强烈X射线耀斑爆发和日冕物质抛射时,部分强大的等离子流飞达地球附近,往往引起很大的磁暴与强烈的极光,同时也发生电离层*扰,影响地球短波通讯和卫星通讯。地球两极则会出现千姿百态的美丽极光。

 [知识拓展]

 太阳风是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。很早以前,人们看到彗星的尾巴老是背着太阳,猜想这大概是从太阳“吹”出来的某种物质造成的。1958年,通过人造卫星上的粒子探测器,探测到了太阳上有微粒流发出。美国科学家帕克给它取名为“太阳风”。太阳活动时辐射出来的太阳风强度大,速度快,飞到地球附近时速度仍可达每秒1000~2000千米。这种高速太阳风对地球的影响很大,往往会引起磁暴和强烈的极光,同时还会发生电离层*扰。

 

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