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宇宙之太阳系---太阳
( 科普2013-06-12 17:39:50)
地球之所以充满生机,全是因为有太阳。
太阳是主宰太阳系的中心天体,太阳系中的所有天体都围绕着它运动,它巨大的质量占整个太阳系质量的99%以上,即便是比地球庞大得多的木星,跟它比起来也微不足道。太阳是巨大的能量之源,是地球千万种生命赖以生存的保障。冬去春来,昼夜交替,百花争艳,燕舞莺歌,人欢马叫,气象万千,无一不归功于太阳。在茫茫宇宙中,地球得天独厚地与太阳保持着恰到好处的距离,日复一日地享受普照大地的阳光。
太阳是地球生命之源,它是银河系内1000亿颗恒星中的一个,分类为一种黄矮星。太阳的视星等为-26.5。太阳是一颗自己能发光发热的气体星球。人们看到的太阳表面叫“光球”,光球以上的部分是“色球”,色球的外围叫“日冕”。这三层合起来构成了太阳的大气层。太阳直径约为140万公里,是地球直径的109倍。太阳的体积大约是地球体积的130万倍。整个太阳系质量的99%以上都集中在太阳身上。太阳没有固态的表层,不会像地球那样整体自转。太阳赤道部分的自转周期最短,约25日;纬度40度处约27日;75度处约33日;两极处是37日。一般以日面纬度17度处的自转周期为“太阳自转恒星周期”,它是25.38日。太阳的平均密度为每立方厘米1.4克,比水稍重一些。太阳里外的密度是不一样的。它的外壳大部分为气体,密度很小,但越往里面,物质越稠密,密度越大。核心的密度可能为每立方厘米160克,比钢的密度还要大出约20倍。太阳的总质量约为2000亿亿亿吨,是地球质量的33万倍。
太阳与九大行星比较
地球与太阳表面一极小部分的比较。可以想象太阳一丝小“火苗”也要比浩瀚的太平洋更壮观。
太阳是我们唯一能观测到表面细节的恒星。我们直接观测到的是太阳的大气层,它从里向外分为光球、色球和日冕三层。虽然就总体而言,太阳是一个稳定、平衡、发光的气体球,但它的大气层却处于局部的激烈运动之中。最明显的例子是标志太阳活动区的生长和衰变的黑子群的出没,日珥的变化,耀斑的爆发等等。正是由于这些激烈的运动,太阳的表面结构必然是不均匀的。此外,我们还看到不断运动和变化着的米粒组织、谱斑、色球网络、针状物(日芒)、喷焰、冲浪等。太阳周围的空间也充满从太阳中喷射出来的剧烈运动着的气体和磁场,其影响范围一直延伸到太阳系的边缘。
以上是太阳表面图像,以下是视频。
造成太阳辐射和活动的动力来自太阳内部。太阳中心的气体必然承受整个太阳的自引力所造成的压力。由于太阳质量很大,中心压强极高,处于太阳中心的气体必然具有极高的温度(约1千400万度)。在这里,富含氢元素的太阳气体通过核聚变反应,释放出巨大的能量来维持太阳的平衡。根据目前对太阳内部氢含量的估计,这种状态还能维持约50亿年。
太阳的质量巨大,致使其组成物质受到重力的强烈压缩。在太阳内核,受压缩的气体达到了发生核聚变反应的温度。太阳内部的主要产能核反应是质子-质子链式反应。在强烈的高温和高压条件下,质子(氢核)相互碰撞并两两合并而形成1个稳定的氦核。1个氦核的质量比原来两个质子的质量略小,多余的质量就作为能量释放出来。能量首先以一种射线方式释放,但这种射线在冲出光球之前,要经历太阳内部众多的相互作用。经过几十万年,退化了的射线能才主要以可见光和热溢出太阳表面。太阳每时每刻都在稳定地向宇宙空间发射出巨大能量,这些能量主要以辐射形式来到地球,成为地球上光和热的主要来源。太阳核心区域不停地发生着氢核聚变成为氦核的热核反应,每秒钟烧掉的氢核达6亿多吨,在聚变为氦时,实际消耗的氢核约500万吨。既便如此,对于太阳的总质量而言,这还是一个可以忽略不计的小数。太阳的巨大能量就是这样产生的。
有天文学家观测得出结论,太阳每天缩小45米,每100年将缩小其直径的八百五十分之一。这个结论引发了争议。1987年,上海天文台和美国海军天文台通过观测、计算,得出的结论为:在过去270多年间,太阳直径缩小了820公里,即每天缩小约8米。另有科学家也提出相反证据认为,现在的太阳直径比过去还要大。太阳究竟是胀还是缩,终无定论。
称为光球的太阳表层,是太阳大气最下面的一层。光球上经常出现一些漩涡状的气流,像是一个盘子,中间凹进去几百公里。这些漩涡状气流很像大小不等、形状很不规则的黑窟窿,这就是“太阳黑子”。黑子本身并不是黑色的,它的温度一般有四五千度,但是比起光球来,它的温度要低一两千度。在四周更加明亮的光球衬托下,它好像没有什么亮光了。其实如果太阳表面全部都是黑子,也还是相当亮的。黑子特别黑的中间和不太黑的四周这两部分,叫黑子的本影和伴影。伴影是由许多纤维状纹理组成的,这些纹理是磁力线造成的。纤维纹理的宽度约300公里,寿命只有1小时左右。从本影出来的一条条纤维像漩涡一样形成漩涡形结构。漩涡形态只是黑子群发展到一定阶段才有的。当大黑子群具有此种结构时,就预示着太阳上将发生剧烈的变化。
黑子不断产生,越来越多,活动加剧。在黑子数达到极大的那一年,称为“太阳活动峰年”。随后,黑子活动逐渐减弱,数量越来越少,到数量极小的那一年,称为“太阳活动谷年”。从谷年到峰年一般为4年,峰年再到谷年一般要经过7年。这就是黑子活动的周期。太阳的黑子活动最先出现在太阳的高纬度区域,然后向低纬度方向移动,移动到太阳赤道附近时结束。一般黑子都分布在纬度8至40度之间,绝大部分集中在10至25度区域中。国际上规定,太阳黑子从1755年算起为第一周。
1859年,两位英国天文学家在观测太阳黑子时,看到了一大片明亮的闪光。这片光掠过黑子群,亮度缓慢减弱,直至消失。当天和第二天,许多高纬度地区的人们看到了非常明亮的极光。这一事件使科学家们感到十分震惊。这就是太阳上最为强烈的活动现象--耀斑。由于这次耀斑特别强大,在白光中也可以见到,所以又叫“白光耀斑”。白光耀斑是极罕见的,它仅仅在太阳活动高峰时才有可能出现。
耀斑一般只存在几分钟,个别耀斑能长达几小时。在耀斑出现时要释放大量的能量。一个特大耀斑释放的总能量,相当于上百亿颗百万吨级氢弹爆炸的总能量。耀斑是先在日冕低层开始爆发的,后来下降传到色球层。用色球望远镜观测到的是后来的耀斑,称为次级耀斑。大耀斑的面积不超过太阳半球面积的百分之一。
耀斑按面积分为4个等级,4级最强,小于1级的叫作亚耀斑。耀斑的显著特征是辐射的品种多。不仅有可见光,还有射电波、紫外线、红外线、X射线和伽玛射线等。它在喷出大量高能粒子流的同时,伴有物质的活动、喷射、冲击波等等。
耀斑辐射的种种物质并不是同时到达地球的。其中光与射电波走得最快,每秒30万公里,由太阳射到地球只需8分钟多一点。而太阳的粒子流走得就慢了。耀斑向外辐射出的大量紫外线、X射线等,到达地球之后,就会严重干扰电离层对电波的吸收和反射作用,使部分或全部短波无线电波被吸收掉。这种情况一般在大耀斑出现后15至20分钟开始,持续时间从几小时到几天。
在发生日全食时,人们可以看到遮挡住的太阳外围有一圈银白色的光芒,像帽子似的扣在太阳上。这就是日冕。日冕是太阳最外层大气。接近太阳表面的部分叫内冕,它的厚度约有1个半太阳直径那么大(约200万公里),再往外的日冕叫外冕,它向外延伸到很广的宇宙空间。日冕中的物质非常稀薄,内冕密度低于地球大气的十亿分之一,几乎接近真空。日冕的形状很不规则,有时呈圆形,有时呈扁圆形。它的结构很精细,可以观测到在太阳赤道四周有很多向外流动的“冕流“伸向远外,太阳极区则呈现一些纤细的羽毛状。日冕的温度非常高,可达200万度。
在日冕中有某些黑色区域,称为“冕洞“,这些冕洞可存在四五个月甚至一年以上。那里的温度、密度都要低一些。冕洞在太阳表面上的位置变化不大,随着太阳27天自转一周。因为地球上的磁暴呈现出27天的周期,所以被认为二者有密切关系。
在日全食时还可以看到一种最为壮观的景象就是日珥。这种时候,我们可以看到太阳的周围镶着一个红色的环圈,上面跳动着鲜红的火舌,这种火舌状物体就叫“日珥“。日珥有很多种,有些似乎不动,叫“宁静日珥“,而活动日珥则老是不停地变化着。它们从太阳表面喷出来,沿着弧形路线,又慢慢地落回到太阳表面。但有的日珥喷得非常猛烈,又快又高,喷出的物质没有落回日面,而是抛入宇宙空间,高度可达几十万公里。有的甚至高达150万公里。
太阳风是指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。彗星的尾巴就是被太阳风“吹“出来的。太阳风有两种,一种持续不断,速度较小,接近地球时为每秒450公里,粒子含量为每立方厘米1至10个质子,称为“宁静太阳风“。另一种在太阳活时辐射出来,速度达每秒一两千公里,粒子含量几十个,称“高速太阳风“。这种风抵达地球时会带来磁暴与极光。太阳风的主要成分是氢粒子(质子和电子)和氦粒子(氦原子核与电子),其中质子约占91%,氦核约占8%。此外还有一些元素。
太阳及其行星是约50亿年前由星际物质云在自引力作用下逐渐收缩形成的。有人认为,由于太阳比许多其他恒星包含更多的重元素(例如铁),可以推知太阳是第二代恒星,即形成太阳的气体云中包含着其他恒星经过核燃烧后散发到空间中的余烬。目前太阳的状况已经维持了50亿年左右。在它的氢燃料耗尽之后,将由氦和其他较重元素的核反应维持其能源。在此过程中,它将从其目前的黄矮星逐渐膨胀转变为红巨星,然后再转变成为红超巨星。届时,水星、金星以及我们的地球都将融没在红巨星体内。在所有的核能源都用完之后,太阳内部将没有能源来抵制引力坍缩,这就会使它的半径大大缩小,密度大大增加,从而成为一颗白矮星。等它不能再收缩的时候,就再也没有能量可释放,它的生命也就终止,成为一个冷“黑矮星“。它的寿命估计可达 100亿年。太阳的演化是质量同太阳质量相当的恒星的典型演化过程。
下面是一段日冕活动情况的视频,活动图像中还可以看到一颗彗星投入太阳怀抱的精彩情景。
下面是一次日全食过程的视频,日全食发生对于观测日冕活动非常有帮助,因为月亮挡住了太阳刺眼的光芒。
日冕分内冕和外冕,是太阳大气的最外层,从色球边缘向外延伸到几个太阳半径,甚至更远。日冕由很稀薄的完全电离的等离子体组成,其中主要是质子、高度电离的离子和高速的自由电子。
日冕辐射的波段范围很广,从 X射线、可见光到波长很长的射电波,因此必须采用不同的仪器进行观测。在发明日冕仪以前,人们只能在日全食时观测到日冕,因为它的亮度仅为光球的百万分之一左右,约相当于满月的亮度。在平时,地面上大气的散射光和观测仪器的散射光,会大大超过日冕本身的亮度而将它淹没。日全食时太阳光球被月球遮住,大气和仪器的散射光随之减弱,这样就能很方便地观测到日冕。尽管日全食的机会不多,天文工作者仍作很大努力把仪器装备运到发生日全食的地点去从事观测,这是因为有一些观测只能在日全食时进行。平时观测日冕,为了克服大气散射光的影响,必须把日冕仪安置在高山上。不过用日冕仪也只能观测到内冕,而且只能得到白光日冕的部分信息。由于近年来空间探测事业的发展,人们已将日冕仪放在火箭、轨道天文台或天空实验室上进行大气外观测。这样,不仅可以观测日冕的可见光波段,而且可以对紫外、远紫外和X射线辐射进行探测,同时也能在行星际空间对太阳风取样。有几个射电波段的辐射能够透过地球大气层,所以在地面上可用射电望远镜对日冕作常规的观测。
日冕的形状同太阳活动有关。在太阳活动极大年,日冕接近圆形,而在太阳宁静年则比较扁,赤道区较为延伸。日冕直径大致等于太阳视圆面直径的1.5~3倍以上。
日冕的精细结构有:冕流和极羽、冕洞、日冕凝聚区等。日冕的结构一般随时间缓慢地变化。人们认为,观测到的不同结构可能是同一结构在不同时期的表象。
观测表明,太阳大气的温度具有反常的分布,即从光球的6千度慢慢降到光球顶部(光球与色球交界处)的4600度,然后缓慢上升到光球之上约2千公里处的几万度,再向上延伸约1千公里形成了色球-日冕过渡层,温度陡升至几十万度,到达低日冕区已是百万度以上的高温区了。究竟是什么原因造成这种反常增温,仍是太阳物理学中多年来未解决的最重要问题之一。
日珥是一种由色球进入日冕的炽热电离气体云,有时甚至延伸到一百几十万公里。产生的原因也许同磁力有关。日珥在大小、形状和运动方面差别很大,而且有活动日珥和宁静日珥两种主要类型。活动日珥快速喷发,持续几分钟至几小时。活动日珥和黑子群有关,而且同黑子群一样,在数量和活动上都同太阳活动周期紧密相关。宁静日珥喷发平缓,减退更慢,可延续几个月。当日全食时,日面完全被月球挡住,用肉眼就可看到如火焰喷射物的日珥。
日珥比太阳圆面暗得多,一般情况下被日晕(即地球大气所散射的太阳光)淹没,不能直接看到。因此必须使用太阳分光仪、单色光观测镜等仪器,或者在日全食时才能观测到。日珥的形状变化万千,有的象浮云,有的似喷泉,还有圆环、拱桥、火舌、篱笆等形状的。日珥的大小不一,一般说来,长约20万公里,高约3万公里,厚约5千公里。日珥主要存在于日冕中,但下部常与色球相连。日珥有很复杂的精细结构,一般由许多条细长的气流组成。流线上有称为节点的亮块或亮点。
日珥在太阳南、北两半球不同纬度处都可能出现,但在每一半球都主要集中于两个纬度区域,而以低纬度区为主。低纬区的日珥的分布与黑子的分布相似,按11年太阳活动周不断漂移。在活动周开始时,日珥发生在30°~40°范围内,然后逐渐移向赤道,在活动周结束时所处的纬度平均约为17°。这比黑子区域的平均纬度始终高10°左右。至于高纬度区,日珥大约在黑子极大期过去三年后才出现,一直存在到黑子极小期。高纬度区的日珥并不漂移,都在45°~50°范围内。上述两个区域的分界约在纬度40°处。
日珥的运动很复杂,具有许多特征。例如,在日珥不断地向上抛射或落下时,若干个节点的运动轨迹往往是一致的;当日珥离开太阳运动时,速度会不断增加,而这种加速是突发式的,在两次加速之间速度保持不变;在日珥节点突然加速时,亮度也会增加。对于这些现象还没有满意的解释。主要问题是:日珥的密度远大于日冕,但宁静日珥可长期存在于日冕中,既不坠落也不瓦解。是什么力量支撑和维持着它?活动日珥和爆发日珥的速度可高达每秒几百公里,动力从何而来?日珥运动往往突然加速,甚至宁静日珥会一下子转变为活动日珥,原因是什么?这些问题都有待于进一步研究。一般认为,除重力和气体压力外,电磁力在日珥运动中是一个重要因素。日珥运动状态的突变可能与磁场的变化有关。
地球与一个大日珥相比,如巨浪中的一片树叶。
日珥的动态图像
实验室模拟的日珥现象
黑子是太阳光球上经常出没的暗黑斑点,是太阳活动的基本标志。它是与局部强磁活动有关的太阳表面气体旋涡。黑子的暗核称为本影,较亮的外环称为半影。黑子有大有小,大的可超过地球几倍。在太阳表面,黑子好象一个不规则的洞。虽然看起来是暗黑的,但这只是明亮的光球反衬的结果。一个大黑子能发出象满月那么多的光。充分发展的黑子是由较暗的核和围绕它的较亮半影构成,形状象一个浅碟,中间凹陷约500公里。黑子经常成对或成群出现,复杂的黑子群由几十个大小不等的黑子组成。小黑子的线度约1,000公里,而大黑子的线度可达20万公里。大黑子有复杂的结构,其本影可以有几个,而半影呈旋涡状。有些黑子在分裂之前,出现穿越本影的亮桥。黑子群几乎全部呈椭圆形。在日面上黑子出现的情况不断变化,通过对长期观测资料的分析,发现黑子数年平均值的变化周期约为11年,同时黑子在日面纬度的分布也以11年周期作规律性的变化。黑子从开始出现到消失,经历一系列发展阶段。黑子初出现时是一个小黑点,有时逐步发展成为四周密布小黑子的极性相反的两个大黑子,形成黑子群。
黑子群
黑子局部
黑子有大有小
米粒组织类似不停上下翻滚的气泡
米粒组织是太阳光球层上的一种日面结构。呈多角形小颗粒形状,得用天文望远镜才能观测到。米粒组织的温度比米粒间区域的温度约高300℃,因此,显得比较明亮易见。虽说它们是小颗粒,实际的直径也有1000公里到2000公里,大的则可达3000多公里。明亮的米粒组织很可能是从对流层上升到光球的热气团(就像我们在电影中看到爆炸的火球腾空升起),不随时间变化且均匀分布,且呈现激烈的起伏运动。
位于米粒组织中央的部分是上升中的等离子体,温度较高;在边缘的是下降中的等离子体,因温度较低而显得较为暗淡。除了目视可见的现象,多普勒相位仪测量来自米粒组织各处的光线,可以提出米粒组织对流的证据。
一个米粒组织可以存在8至20分钟。除了典型的米粒组织之外,还有直径达30,000公里,生命期超过24小时的超米粒组织。
黑子和其周围的米粒组织。图中的黑洞比地球还要大一些。
黑子和米粒组织就像粥锅一样沸腾不息
小黑子图像(刻度间距为1000公里)
可见光日面像
以下是用特殊设备和方法拍摄的太阳图像,显示了太阳的真实面貌。
地球上所有生命都应该感谢太阳。2千年时,地球迎来的第一缕阳光。
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