Question

太阳究竟是什么？

Answer 1

分类: 教育/科学 >> 科学技术
问题描述:

巨大的反应堆？能够聚变N亿年？

解析:

太阳的组成

太阳为最接近人类的恒星，当天文学家想测试由多门学科汇集而成的恒星结构与恒

星演化理论时，太阳很自然地便成理论的试金石。现行的恒星理论对太阳的能源、结

构、成份变化、总光度(发光能力)与表面温度等，己有相当程度的了解与说明，但对

太阳大气的湍流、风暴与各种爆发现象，如物质的喷射、爆发性的γ射线、X射线、紫

外线与无线辐射，尚未涉及。

这些太阳活动是相当的壮观的景象，而且大多在很短的时间内直接或间接的影响

地球的大气，气象，地磁等等，深切的影响了人类的生活，甚至导至文明的兴衰。

这些太阳活动所伴随的太阳能量输出变化，仅是正常输出量的万分之几，却为人

类深人了解太阳的性质提供了相当的线索，另天文学家己有相当的证据显示，其他

的恒星也有相似或甚至更为激烈的大气活动。

因此研究太阳不仅因为它与人类息息相关，更可以就近验证恒星理论，补强观测其

他遥远恒星所不足之处。 (注一)

一.太阳的构造(注一)

1.外部构造:

(A)称呼-光球

(B)温度

a.米粒状组织-6000k

b.黑子-4000k

2.内部构造:

(A)核心:产生核熔合反应之处—太阳的能源。

a.太阳核心约占总质量50%，太阳半径的10%，但为太阳99%的能量来源。

太阳核心的压力为地球大气压力的2.5*1011倍，温度估计约为15,000,000度，是氢进

行质子–质

子热核熔合的反应区。核心物质的密度为150 g/cm3，远高于铁的密度7g/c

m3。一块方糖大小的核心物质在地表的重量可达150克重。

b.太阳的输出总功率(或称光度、发光能力或发光本领：Lsun)为3.826 * 1026

瓦，绝大部份是由核心核反应所供给。太阳的核心每秒约有六百三十万吨的氢，经

核熔合反

应转换成氦，这过程造成的质量损失是被转换质量的0.72% (或每秒四百

五十万吨)。如假设只有太阳总质量的10%能参与核反应，太阳的寿命约为一百亿年。

太阳形

成于五十亿年前，所以大约可再维持五十亿年。

太阳的组成

(B)辐射层:能量以辐射的形式传出。

a.从核心向外到半径75%的区域称为辐射层，来自核心的γ射线与X射线光

子，不断与辐射层内的物质粒子相碰撞，被物质粒子吸收再辐射，最后主要以可

见光的形式传

达太阳表面，然后才辐射到四面八方。

b.在辐射区内，光子平均每走1公分就与物质粒子碰撞一次，由核心

以"光"的形式向外传递的能量，约需经过一百万年的挣扎与反复的改头换面，才能

抵达太阳表面辐

射区到核心的密度增加很快，半径为太阳一半的球体内含有90%的太阳

物质。

(C) 对流层:靠近表面处，厚约15万公里，以对流形式将能量传出。

a.辐射区的外围温度下降的很快，物质的透明度大为减低，再加上太阳表

面的辐射损失，使得上下温差很大，形成了以湍流为主的强烈对流层。

b.对流层几乎完全不透明，辐射层传来的能量，在这一层以对流的方式由

高热气团带到表面，表面的较冷气团则下沉，颇似沸腾状态的一壶水。对流层厎部

的温度约为

一百万度。

c.在对流层里来自太阳内部的能量，有之部份转化为气流的动能，太阳光

球层、色层与日冕的各种活动与喷流皆与对流层有密不可分的关系。

二. 太阳的成分:(注二)

1.以质量来看:

a.氢-约75%

b.氦-约25%

2.以原子量来看:

a.氢-约92.1%

b.氦-约7.8%

c.其余成分-约0.1%

三.太阳的大气层:(注一)

1.光球层:

(A)

a.约500公里厚，温度约5800 K我们所看到的太阳表面即是光球层。 仔细的

观测可看到尺度大小约为1500公里的米粒组织（granulation)，此一结构是由对流所

造成的。

另外可明显地看到太阳黑子(sunspots)。

b.光球物质相当不透明，做太阳观测时，在太阳盘面中部视线与光球表面

垂直，通过很短的距离就看到温度较高的光球层底部，而在盘面边缘，视线几乎

与光球表面

平行，即使通过比较长的距离，也只能看到温度较低的光球上层，这种太

太阳的组成

阳盘面中央较亮而边缘较暗的现象称为临边昏暗(limb darkening)。

(B)光球层光谱

地球所见的太阳光谱 主要来自光球层。光球层的底部是浓密的电浆态物

质，发射出与其表面温度相当的热辐射光谱，在可见光范围内的强度最大，谱型与

5800K的

黑体辐射极为相近。但在远紫外线区、X射线区、γ射线区及远红外线到无

线电波段的辐射强度却远高于5800K黑体辐射体，而且变化莫测。这些超额辐射主

要来自光

球层外的稀薄太阳大气的非热辐射式辐射。

经由精密的光谱仪分析太阳连续光谱上的吸收谱线，可辨认出太阳大气

中的主要化学组成，除氢以外尚有铁、镁、铝、钙、钛、铬、镍、钠…等五十七种元素。光

球

层的温度不足以激发氦原子，使含量仅次于氢的氦元素，在光球层光谱

中没有谱线。

2.色球层:

a.色球层没有明显的上边界，太阳的边缘气体密度很低，使得此部份的发光

强度，只有光球的万分之一。在日全蚀中，当月面恰好把光球全部遮挡时，才能看

到玫瑰色

的色球层 ，而这也是色球层名称之由来。

b.色球层的温度随高度的增加而上升，由光球层顶部的4200K升至数万K的

高温。根据升温的情况，大约可将色球层分成三部份:厚度约为400公里的厎层，温

度由4200K升

到5500K。然后在1200公里的中层，温度缓慢上升到8000K。在最后约400公

里厚的高层温度急剧升至数万度，且在不到5000公里的高度里，过渡到日冕的百万

度以上的

高温。

c.部份色球层的温度，高于激发氦原子光谱的二万度，故色球层光谱中，可

见到光球层光谱所无的氦原子光谱。

3.日冕:

a.厚约太阳半径的1.3倍，温度约100万K。

b.日全食中，当月面将色球遮掩后，可见到围绕太阳四周有一片淡白色的晕，

这就是日冕 。日冕物质非常稀薄，其密度约为地球表面大气的十亿分之一，比实验

室能达

到的高真空还要低，故只有在日全食时才能观测到。

c.日冕的温度非常高，可达二百万度以上，如此高的温度，可能是经由储存

在太阳磁场中的能量加热而成的，但确切的过程为何，乃待进一步的研究。

d.日冕的辐射包含许多来源，有日冕中自由电子对光球辐射的直接散射，还

有日冕的发射线。日冕发射线是物质在高温下，高度电离的离子所产生的，例如，

太阳的组成

其中有

失去13个电子的铁离子之谱线。这些发射线是日冕辐射中紫外线及X射线

的主要来源之一。此外电子子在磁场中运动产生的同步辐射和其他非热辐射，也是

日冕辐射

的主要来源。

4.太阳风:

a.高速的离子气体(氢离子或称质子, 电子,....)被吹离太阳者被统称为太阳风。

b.日冕的温度高达百万度以上，因此日冕物质粒子的热运动速度都非常快，

脱离日冕而远离太阳的高速离子即为太阳风。太阳风所造成的质量流失每年约有107

吨，但

与太阳的总质量相较，仍微不足道。

c.太阳风的传播速度约为450公里/秒，太阳探测船–尤里西斯号(Ulysses)最近

传回来的数据显示，由太阳极区流出来的太阳风之速度更可高达750公里/秒，而且

极区太阳

风的成份也略有不同。

d.太阳风中的高能粒子如直接吹袭地球表面，对地球的生命与生态环境具有

极毁灭性的影响。但地球有磁场与大气的遮蔽，大部份的高能粒子被阻隔在地球之

外，少部

份在地球的极区进入地球的粒子与空气分子相碰撞，使空气分子游离并发

出瑰丽的极光(northern lights = aurora borealis, southern lights = aurora australis)，在这过

程中高能粒子

损失了大部份的能量，也降低了其伤害性。地球磁场在太阳风的吹袭之下，

形成了迎太阳风面被压缩而背太阳风面被拉拽的磁层结构(magosphere)。

e.我国古代对极光的可靠记载有294次，最早见于西元前950年，《古今图书

集成．历象汇编．庶微典》：『周昭王末年，夜清，五色光贯紫微…』。记载中主要以

各种

颜色的"气"来描述极光，如"赤气"、"紫气"等。西汉以前的古人将极光视为

吉兆，常称之为"神光"或"神气"。而西汉以后渐将极光视为 凶兆，认为极光是未来

战乱兵灾

或天灾人祸的警示。

四.太阳的表面活动:(注一)

(A)黑子(注二)

a.因看起来比其四周暗而得名

b.大型的黑子直径可达5万公里，甚至比地球还大，最大可达地球的2倍

c.常成群出现

d.周期约为11 年-长者可达13.3年，短的只有7.3年

e.成因-太阳赤道部分的转速(自转周期约25天)， 较南北极部分的转速(自转

周期约35天)快， 由于旋转速度的差异性，造成磁力线的纠结。 太阳内部的扰流将

太阳的组成

此磁力线纠

结部分浮出太阳表面而形成所谓的太阳黑子。( Babcock理论)(注一)

(B)日珥:

a.月全蚀时可观测到

b.为巨大的扭曲磁场拖曳著游离的气体所造成的 变化情形可持续几小时到几

周或几个月。

(C)日闪:

a.太阳表面巨大的能量变化情形，在几分钟内达到最大，而在不到一小时内

消教掉。

b.可辐射出X-光，紫外线，可见光，高速的质子与电子。

c.一巨大的日闪约可放出1025 J＝2*1015 吨TNT 炸药。

d.所辐射出的高速粒子是造成地球极光(Auroras)的主因。

e.日闪活跃时，会造成地球通讯的干扰(对客机的乘客造成辐射伤害)。

(D)日冕活动:

a.与太阳黑子有相同的周期

b.日冕洞:南北极处磁场没有成回路，所有的粒子都由此处流出。

参?结论

这颗供应万物生存能量的星球-太阳，天文学的角度来看，太阳只是一颗并不十分

起眼的G2型主序星，与宇宙间繁如恒河之沙的其他恒星相比较，太阳的质量、发光

能力、表面温度与生命期太略全处于中间地带，而年龄也恰处于中年，可算是一颗

很典型的恒星。

而太阳大概已有50亿年的历史了，从初生起已耗尽大约一半的核心氢气，这表示它

大概还能再维持50亿年的稳定，最后核心氢气融合殆尽，进一步引发氦融合反应，

终将在急速膨胀成红巨星、吞噬地球甚至火星之后，演变成行星状星云与白矮星，

在太空中逐渐冷却、黯淡，成为黑矮星。

这个我们每天都可以见到的星球，我们不能没有，或许再将来某一天，当太阳消失

之际，也就是世界末日之时。