太阳
太阳是离我们最近的一颗恒星，它是太阳系的中心，也是能量的象征，早在远古蒙昧的时代，就被人类奉若神明。它带给世界光和热，给地球上的万物带来了生机。目前人类使用的石油、煤炭所放出的能量，都是早先太阳通过孕育生命累计储存下来的太阳能。按照大小和亮度划分，太阳应该属于中等恒星，按照半径和温度归类，太阳属于G1型矮星。太阳可见的明亮表面称为光球，光球之上是5000千米厚的内层大气，称为色球层，在色球之上是极其稀薄的高温日冕。太阳的能量是地球上能量的主要来源，其辐射范围可延伸到地球以外遥远的地方。太阳有磁场和自转，它是太阳系最大的天体，其直径大约有140万千米，是地球直径的109倍，即109个地球紧密排列成一条直线，才能填满太阳的直径；太阳的体积等于地球体积的130万倍，即它的内部能容纳130万个地球。太阳具有2000亿亿亿吨的巨大质量，是地球质量的33万倍，包含了太阳系99.7%以上的质量。太阳的巨大质量使得它具有很大的引力，地球及太阳系的其他星体就是在这个引力的作用下绕太阳公转的。太阳率领着太阳系大家庭的众成员，围绕着银河系中心旋转，旋转一周大约需要2.3亿年。
1．概况
太阳表面的温度约为6000℃，在这样的高温下，一切物质只能以气态存在，因此太阳又是一个炽热的气体球。炽热的太阳表面不断地向宇宙空间放射出大量的光和热，每分钟大约射出的能量要多于5×1024千卡。如果把整个太阳表面用一层厚12米的冰壳包起来，那么只要1分钟，全部冰壳就会被太阳所射出的热所融化，由此可见太阳射出的能量有多大。
图1-2 伟大的太阳
太阳诞生于50亿年前，它大约还可以继续燃烧50亿年。50亿年前，宇宙中一颗巨大的恒星发生了猛烈的爆发，形成了超新星，其震波穿过太空，而散射物质则形成了氢状星云。云团在引力的作用下发生沉淀与组合，形成布满了气体与尘埃的环状物质。环状物的核心，则尤若核熔炉般的熊熊燃烧，于是我们的太阳诞生了，太阳及其众多星体有如九大行星也随之诞生。我们称这样的太阳大家庭为太阳系，它有如一个海中的大旋涡。太阳在这样的大家庭具有崇高的地位，环绕着它的其他星体，都居于它的引力统治之下。在其存在的最后阶段，太阳中的氦将转变成碳元素，而体积也将开始不断膨胀，直径将由现在的140万千米扩大200万倍，直至将地球吞没。在经过一亿年的红巨星阶段后，太阳将突然坍缩成一颗白矮星——中小恒星演化的最后阶段，并喷射出一系列的星云物质，变成地球一般的大小，类地行星将只剩下孤零零的火星围绕它旋转。再经历几万亿年，它将最终完全冷却，成为一个褐矮星。
2．太阳的能量来源
证据表明，太阳稳定的保持今天的状态已有5×109年了。相对于这个时间尺度来说，仅靠引力坍缩或者普通燃料的燃烧提供能量来维持发光、发热的时间是短暂的。那么，太阳到底是怎样一颗星球呢？如果将太阳剖开，我们可以大致描述太阳能量的产生和辐射的过程。
太阳的能量主要来源于其核心部分，那里的温度高达1.5×107℃，压力超过地球大气压的340亿倍，如同一个核聚变的大熔炉，持续不断的热核反应。太阳释放的能量来源于物质的消耗，在核聚变反应中，四个质子或氢原子产生一个氦原子核，而氦原子核的质量要比四个质子小0.7%，这0.7%的质量则转化成了能量，被释放至太阳的表面，并通过对流过程散发出光和热。像这样，太阳每秒钟约有七亿吨的氢被转化成氦，在此过程中，每秒钟大约有400万吨的质量被消耗掉而转变为能量。太阳核心产生的能量大约需要经过近1千万年才能到达它的表面，而同样的能量从同样表面传送到1.5亿千米的地球，却只须花费8分19秒。由此可见，太阳内部有着不同寻常的结构。
完全可以用热核反应的理论模型来描述发生在太阳核心里的能量过程，最有效的反应序列是PP（质子—质子）循环，其总效果可以用如下方程表述
在这一过程中释放的能量为26.7MeV，其中25MeV用于加热，其余的则由中微子带走。
太阳里另一个热核反应序列是C12、N13、O15（碳氮氧）循环，其反应的净效果也同样可用上式表述。、和在这里知识起着催化和能量转移的作用。
对于以上两种反应，1.5×107K的温度是个分界，比这温度低的（冷星）， PP循环要比CNO循环重要，而高于这个温度的（热星）则反之。太阳属于冷星，在其中以PP循环为主，所提供能量占92%，其余8%由CNO循环提供。而更大的恒星则属于热星，它们的热核反应则以CNO循环为主。太阳和恒星的能源来自核聚变的理论，主要是贝特（Hans A．Bethe）1938年提出来的，为此他获得了1967年的诺贝尔物理学奖。
3．太阳的结构与成分
图1-3 太阳的内部
从中心向外，根据物理属性的不同可将太阳内部划分为核心区、辐射层、光球层和色球层，色球层以外则是太阳的大气——日冕。各层区的结构不同，其活动表现也不同。由于探测技术和高温的限制，人们对太阳的内部结构与属性只是一些大概的推测，更多了解的则是一些太阳的表观和外部大气，因为它们比较容易探测。下面着重介绍光球、色球层和日冕的情况。
光球层：太阳的表面看上去是一个黄色的光球，因而将其表面称为光球层（对流层），它是一层厚度约400千米的不透明的黄色气体薄层，太阳能量的绝大部分从它辐射而出。在光球层内，炙热的气体冲向表面，冷却的气体沉降下方，这种对流形成的气泡，大小约为300～1450千米，每一个都有法国般的大小。气泡形成的斑点结构称为米粒组织，形状则为不规则多边形，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的深度，形成不同温度的表面大气。
色球层：在光球的外侧就是红色的色球层。在色球层的大气内部，弧形气体在穿梭，红色的日饵冲上5万千米的高空。从米粒状的表面可以观察到红色日饵爆发喷出的情形，它来自太阳的表层下，由磁场引发的一拨拨的气体所产生。大型的日珥，喷射高度可达10万千米之远。在色球层还可见到太阳的耀斑，它是太阳黑子形成前在色球层上产生的灼热的氢云层。耀斑就是剧烈爆发的火焰，它相当于一千万颗氢弹爆炸的能量，引起的阵阵余波，常常造成地球上的气候异常，对地球生命产生重要影响。
太阳能量经过这一区域自中心向外传递。这一层可子活动的极大年时，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。
太阳黑子：
图1-4 太阳黑子 图1-5 日全食时看到的日冕
在光球层的某些区域，温度比周围稍低（通常是4000摄氏度），这便是太阳黑子。每隔一段时间（约11年），太阳表面就会出现大量的黑子。一大群黑子可在10天之内形成，经过两个星期转至太阳的背面或消失。太阳黑子由暗黑的本影和在其周围的半影组成，形状变化很大，最小的黑子直径只有几百千米，没有半影，而最大的黑子直径比地球的直径还大几倍。太阳黑子是由于周围明亮光球背景的反衬才显得暗黑，实际上它们的温度达3800K，比融化的钨还亮热。黑子的重要特性是它们的磁场强度，黑子越大，磁场强度越高，大黑子的磁场强度可达4000高斯。太阳黑子活动呈周期出现，两次极大间的间隔平均为11.2年，叠加有一个为期80年的低幅度的周期。在黑子群周围常出现耀斑，发出的辐射和粒子同地球磁场和电离层相互作用会使地球上的短波无线电通讯中断并出现极光。
太阳黑子发生于周期11年的磁极对调，此期间，太阳表面下产生出的磁场使太阳的磁场达到了最强。由于太阳表面各处的自转速度不相同（赤道地区自转一周需要26天，而两极地区最慢，需要37天），因而使得磁场在光球的表面发生了扭转与纠缠，这就是黑子产生的基本原因。
日冕：当发生日全食时，月亮会挡住了太阳的表面，一个发着灿烂光芒的灰蓝色光环便出现在太阳圆盘视界的周围，这一光环即称为日冕，它常被描写成异常绚丽的飘带。日冕是包围太阳的一层发光的高温稀薄气体，亮度很微弱，是太阳本身亮度的百万分之一，大概是整个月球反射太阳光的一半，只有在日全食时和用日冕仪（1931 年由法国的博纳德·弗第南德·李奥特发明）才能看到。发生日全食时，正是日冕发出的光芒才未使整个世界陷入一片黑暗。
1868 年，法国天文学家詹森和英国光谱、天文学家洛克伊尔从日冕的吸收谱线中发现了一个未知元素，将其命名为“氦”（在希腊语含义为太阳）， 也就是“太阳的元素”的意思。直到1895 年，苏格兰化学家雷姆塞在地球上才发现了氦。这是元素周期表中唯一的一种最先从地外天体上发现的元素。
日冕的温度很高，最高可达200万K，这是以日冕发射的高能量X 射线为依据的测出的。不过，这种超高温仅仅集中在日冕的个别原子中。而且这些原子广泛分布于整个日冕中，其热量的总和并不是很高。
太阳耀斑使日冕发生着波动，借助耀斑的威力，日冕向外喷射出大量的带电粒子流，远达数亿千米，形成太阳风。日冕没有明确的边缘，它延绵不绝，与整个太阳系融为一体，并在延伸的过程中逐渐减弱。
太阳风：日冕和太阳因高温而不断向外迸射出带电的微粒流，向外扩散形成太阳风。美国物理学家巴克尔于1959 年时就对此做出预言，1962 年，抵达金星附近时的“水手-2 号”探测器证实了这个预言。太阳风的速度为400—700 千米/秒，正是它的作用使彗星的尾部指向了背离太阳的方向。构成太阳风的带电粒子还会不断撞击各个行星，如果行星上具有南北磁极和大气，那么带电粒子将由其北极向南极运动，还可以形成美丽的极光。
图1-6 太阳风与范阿伦辐射带
太阳主要由73%的氢和24%的氦组成，其余则是少量的重元素。按照热核反应的纯理论计算，如果将太阳储备的氢全部聚合完，将能够维持600亿年之久。事实上，太阳上的氢并非100%的可供参加核聚变，较为实际的合理估计是大约10%左右的氢才有参加核聚变的可能，这样我们就可以估算出，剩余的氢还可以支持太阳以现在的状态，持续大约60亿年以下。这就是为什么说太阳还可以稳定50 亿年的理由。
太阳还有许多未解之谜，例如其深层的结构和波动的细节如何，持续热核反应的控制机理是什么，日冕的温度为何会如此之高，竟然从表面的6000度突然窜到200万度，磁场在这里扮演了什么角色，太阳的蠕动即所谓“呼吸”现象是怎样引起的等等。美国和欧洲共同经营发射的抵达太阳附近的苏合号太空船已经记录下了太阳内部波动的画面，发现了太阳表层下面有非常强劲的喷射气流在绕着太阳旋转，还发现了太阳上有如地球般大小的龙卷风，以每小时50万千米的速度，在靠近两极地区转动。苏合号太空船目前正在深入地对太阳进行着观测与研究。
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