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太阳

太阳,是一颗普通的恒星,质量为1.989X1030亿千克 (约为地球质量的33万倍)、直径139.2万km(约为地球直径的109倍),太阳表面是热气体(严格说是等离子体)球,太阳的年龄约为46亿年。太阳是距离地球最近的恒星,是太阳系的中心天体。太阳系质量的99.87%都集中在太阳。太阳系中的八大行星、小行星、流星、彗星、外海王星天体以及星际尘埃等,都围绕着太阳运行(公转)。

目录

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1 概述
  1. 1.1 自转
  2. 1.2 公转
2 主要参数
3 辐射光度
  1. 3.1 辐射
  2. 3.2 光度
4 主要作用
5 结构组成
  1. 5.1 化学成分
  2. 5.2 组成
6 运行轨道
7 生命周期
8 主要活动
  1. 8.1 太阳黑子
  2. 8.2 太阳耀斑
  3. 8.3 日冕物质抛射
  4. 8.4 光斑(谱斑)
  5. 8.5 米粒组织
9 产生能量
  1. 9.1 太阳风
  2. 9.2 太阳光
10 天体卫星
11 研究历史

太阳 - 概述

太阳

太阳是银河系的一颗普通恒星,与地球平均距离14960万千米,直径139万千米,平均密度1.409克/,质量1.989×10^33克,表面温度5770开,中心温度1500万开。由里向外分别为太阳核反应区、太阳对流层、太阳大气层。其中心区不停地进行热核反应,所产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射。其中二十二亿分之一的能量经过大约8分钟辐射到地球,成为地球上光和热的主要来源。恒星也有自己的生命史,它们从诞生、成长到衰老,最终走向死亡。它们大小不同,色彩各异,演化的历程也不尽相同。恒星与生命的联系不仅表现在它提供了光和热。实际上构成行星和生命物质的重原子就是在某些恒星生命结束时发生的爆发过程中创造出来的。太阳的年龄约为46亿年,它还可以继续燃烧约50亿年。在其存在的最后阶段,太阳中的氦将转变成重元素,太阳的体积也将开始不断膨胀,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--所有恒星存在的最后阶段。再经历几万亿年,它将最终完全冷却,然后慢慢地消失在黑暗里。太阳是距离地球最近的恒星,是太阳系的中心天体。体积是地球的130万倍。在银河系内一千多亿颗恒星中,太阳只是普通的一员,它位于银河系的对称平面附近,距离银河系中心约26000光年,在银道面以北约26光年, 它一方面绕着银心以每秒250公里的速度旋转,另一方面又相对于周围恒星以每秒19.7公里的速度朝着织女星附近方向运动。其中心区不停地进行热核反应,所产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射。

自转

地球自转不能以云层或海洋为依据,太阳自转也不能看表面,但人们无法知道其内部情况,所以无法知道太阳自转数据。人们只看到太阳是流体星球,其它都是推测。

公转

太阳绕银河系中心公转。银河系中心可能有巨大黑洞,但它周围布满了恒星,所以看上去象“银盘”。这些恒星都绕“银核”公转。与地球公转不同,这些恒星公转每绕一周离“银核”会更近。

太阳 - 主要参数

太阳

名称:太阳
半径:696295 千米.
质量:1.989×1030 千克
温度:5800 ℃ (表面) 1560万℃ (核心)
总辐射功率:3.83×1026 焦耳/秒
平均密度:1.409 克/立方厘米
日地平均距离:1亿5千万千米
年龄:约50亿年

太阳 - 辐射光度

辐射

到达地球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。在地球位于日地平均距离处时,地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量,称为太阳常数。太阳常数的常用单位为瓦/米2。因观测方法和技术不同,得到的太阳常数值不同。世界气象组织 (WMO)1981年公布的太阳常数值是1368瓦/米2。地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上在波长 0.15~4.0微米之间。大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区(波长0.4~0.76微米),7%在紫外光谱区(波长0.76微米),最大能量在波长 0.475微米处。由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长(约3~120微米)小得多,所以通常又称太阳辐射为短波辐射,称地面和大气辐射为长波辐射。太阳活动和日地距离的变化等会引起地球大气上界太阳辐射能量的变化。

光度

太阳黑子

太阳光度为383亿亿亿瓦,绝对星等为4.8,他是一颗黄色G2型矮星,有效温度等于开氏5800度。太阳与在轨道上绕它公转的地球的平均距离为149597870km(499.005光秒或1天文单位)。按质量计,它的物质构成是71%的氢、26%的氦和少量重元素。太阳圆面在天空的角直径为32角分,与从地球所见的月球的角直径很接近,是一个奇妙的巧合(太阳直径约为月球的400倍而离我们的距离恰是地月距离的400倍),使日食看起来特别壮观。由于太阳比其他恒星离我们近得多,其视星等达到-26.8,成为地球上看到最明亮的天体。太阳每25.4天自转一周(平均周期;赤道比高纬度自转得快),每2亿年绕银河系中心公转一周。太阳因自转而呈轻微扁平状,与完美球形相差0.001%,相当于赤道半径与极半径相差6km(地球这一差值为21km,月球为9km,木星9000km,土星5500km)。差异虽然很小,但测量这一扁平性却很重要,因为任何稍大一点的扁平程度(哪怕是0.005%)将改变太阳引力对水星轨道的影响,而使根据水星近日点进动对广义相对论所做的检验成为不可信。

太阳 - 主要作用

太阳的巨大引力维持着地球等行星的公转。

太阳每时每刻都在向地球传送着光和热,有了太阳光,地球上的植物才能进行光合作用。植物的叶子大多数是绿色的,因为它们含有叶绿素。叶绿素只有利用太阳光的能量,才能合成种种物质,这个过程就叫光合作用。据计算整个世界的绿色植物每天可以产生约4亿吨的蛋白质、碳水化合物和脂肪,与此同时,还能向空气中释放出近5亿吨的氧,为人和动物提供了充足的食物和氧气。

太阳 - 结构组成

太阳

化学成分

氢约占71%,氦约占27%,其它元素占2%

组成

太阳从中心向外可分为核反应区、辐射区、对流层和大气层。由于太阳外层气体的透明度极差,人类能够直接观测到的是太阳大气层,从内向外分为光球、色球和日冕3层。

光球层:光球表面另一种著名的活动现象便是太阳黑子。黑子是光球层上的巨大气流旋涡,大多呈现近椭圆形,在明亮的光球背景反衬下显得比较暗黑,但实际上它们的温度高达4000℃左右,倘若能把黑子单独取出,一个大黑子便可以发出相当于满月的光芒。日面上黑子出现的情况不断变化,这种变化反映了太阳辐射能量的变化。太阳黑子的变化存在复杂的周期现象,平均活动周期为11.2年。

玫瑰色的色球层开始露出

色球层: 紧贴光球以上的一层大气称为色球层,平时不易被观测到,过去这一区域只是在日全食时才能被看到。当月亮遮掩了光球明亮光辉的一瞬间,人们能发现日轮边缘上有一层玫瑰红的绚丽光彩,那就是色球。色球层厚约8000千米,它的化学组成与光球基本上相同,但色球层内的物质密度和压力要比光球低得多。日常生活中,离热源越远处温度越低,而太阳大气的情况却截然相反,光球顶部接近色球处的温度差不多是4300℃,到了色球顶部温度竟高达几万度,再往上,到了日冕区温度陡然升至上百万度。人们对这种反常增温现象感到疑惑不解,至今也没有找到确切的原因。

日珥: 在色球上人们还能够看到许多腾起的火焰,这就是天文上所谓的“日珥”。日珥是迅速变化着的活动现象,一次完整的日珥过程一般为几十分钟。同时,日珥的形状也可说是千姿百态,有的如浮云烟雾,有的似飞瀑喷泉,有的好似一弯拱桥,也有的酷似团团草丛,真是不胜枚举。天文学家根据形态变化规模的大小和变化速度的快慢将日珥分成宁静日珥、活动日珥和爆发日珥三大类。最为壮观的要属爆发日珥,本来宁静或活动的日珥,有时会突然"怒火冲天",把气体物质拼命往上抛射,然后回转着返回太阳表面,形成一个环状,所以又称环状日珥。

日冕: 日冕的范围在色球之上,一直延伸到好几个太阳半径的地方。日冕里的物质更加稀薄,它还会有向外膨胀运动,并使得热电离气体粒子连续地从太阳向外流出而形成太阳风。

太阳 - 运行轨道

太阳位于银道面之北的猎户座旋臂上,距离银河系中心约26000光年,在银道面以北约26光年, 它一方面绕着银心以每秒250公里的速度旋转(周期大概是2.5亿年),另一方面又相对于周围恒星以每秒19.7公里的速度朝着织女星附近方向运动。太阳也在自转,其周期在日面赤道带约25天;两极区约为35天。

太阳 - 生命周期

日冕

太阳所处的主序星阶段,通过对恒星演化及宇宙年代学模型的计算机模拟,已经历了大约45.7亿年。45.9亿年前一团氢分子云的迅速坍缩形成了一颗第三代第一星族的金牛T星,即太阳。这颗新生的恒星沿着距银河系中心260,000光年的近乎圆形轨道运行。

太阳在其主序星阶段已经到了中年期,在这个阶段它核心内部发生的恒星核合成反应将氢聚变为氦。在太阳的核心,每秒能将超过400万吨物质转化为能量,生成中微子和太阳幅射。以这个速度,太阳至今已经将大约100个地球质量的物质转化成了能量。太阳作为主序星的时间大约持续100亿年。

太阳的质量不足以爆发为超新星。在50~60亿年后,太阳将转变成红巨星,当其核心的氢耗尽导致核心收缩及温度升高时,太阳外层将会膨胀。当其核心温度升高到 100,000,000 K时,将发生氦的聚变而产生碳,从而进入渐近巨星分支。

红巨星阶段之后,由热产生的强烈脉动会抛掉太阳的外壳,形成行星状星云。失去外壳后剩下的只有极为炽热的恒星核,它将会成为白矮星,在漫长的时间中慢慢冷却和暗淡下去。

白矮星-内部结构模型图

这就是中低质量恒星的典型演化过程。

太阳中微子-内部结构模型图

太阳 - 主要活动

太阳黑子

太阳看起来很平静,实际上无时无刻不在发生剧烈的活动。传统上,讲太阳分为活动太阳和宁静太阳两部分。现在的研究发现,宁静太阳也是存在太阳活动的,只是尺度较小。太阳表面和大气层中的活动现象,主要有三种即:活动日珥、耀斑和日冕物质抛射。后两者抛射出大量的等离子体和磁场结构以及能量,使太阳风大大增强,造成许多地球物理现象──例如极光增多、大气电离层和地磁的变化。太阳活动和太阳风的增强还会严重干扰地球上无线电通讯及航天设备的正常工作,使卫星上的精密电子仪器遭受损害,地面电力控制网络发生混乱,甚至可能对航天飞机和空间站中宇航员的生命构成威胁。因此,监测太阳活动和太阳风的强度,适时作出"空间气象"预报,越来越显得重要。

太阳黑子

太阳黑子4000年前古时候祖先肉眼都看到了像3条腿的乌鸦的黑子通过一般的光学望远镜观测太阳,观测到的是光球层的活动。在光球上常常可以看到很多黑色斑点,它们叫做“太阳黑子”。太阳黑子在日面上的大小、多少、位置和形态等,每天都不同。太阳黑子是光球层物质剧烈运动而形成的局部强磁场区域,也是光球层活动的重要标志。长期观测太阳黑子就会发现,有的年份黑子多,有的年份黑子少,有时甚至几天,几十天日面上都没有黑子。天文学家们早就注意到,太阳黑子从最多或最少的年份到下一次最多或最少的年份,大约相隔11年。也就是说,太阳黑子有平均11的活动周期,这也是整个太阳的活动周期。天文学家把太阳黑子最多的年份称之为“太阳活动高峰年”,把太阳黑子最少的年份称之为“太阳活动低峰年”。

太阳耀斑

太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动。一般认为发生在色球层中,所以也叫“色球爆发”。其主要观测特征是,日面上(常在黑子群上空)突然出现迅速发展的亮斑闪耀,其寿命仅在几分钟到几十分钟之间,亮度上升迅速,下降较慢。特别是在太阳活动峰年,耀斑出现频繁且强度变强。 耀斑对地球空间环境造成很大影响。太阳色球层中一声爆炸,地球大气层即刻出现缭绕余音。此外,耀斑对气象和水文等方面也有着不同程度的直接或间接影响。正因为如此,人们对耀斑爆发的探测和预报的关切程度与日俱增,正在努力揭开耀斑的奥秘。

日冕物质抛射

日冕物质抛射一般表现为几分钟至几小时内从太阳向外抛射的一团日冕物质(速度一般从每秒几十公里直到超过每秒1000公里),是很大范围内的日冕(近乎1个日轮面积)受到扰动(以类似“波”的形式),从而剧烈的改变了日冕在白光波段的宏观形态以及相应的磁场位形。

太阳喷射出的一个离子环。

观测上定义日冕物质抛射为日冕仪在天空投影平面内遮光板以外所观测到的向外传播的日冕亮结构。通过近年来的研究,越来越多研究者倾向于把耀斑和日冕物质抛射联合起来的看待,即认为它们是统一过程(太阳大气中的磁重联过程)在太阳不同层次上的具体反映。

光斑(谱斑)

太阳光球层上比周围更明亮的斑状组织。用天文望远镜对它观测时,常常可以发现:在光球层的表面有的明亮有的深暗。这种明暗斑点是由于这里的温度高低不同而形成的,比较深暗的斑点叫做“太阳黑子”,比较明亮的斑点叫做“光斑”。光斑常在太阳表面的边缘“表演”,却很少在太阳表面的中心区露面。因为太阳表面中心区的辐射属于光球层的较深气层,而边缘的光主要来源光球层较高部位,所以,光斑比太阳表面高些,可以算得上是光球层上的“高原”。

米粒组织

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~2000公里。 有趣的是在老的米粒组织消逝的同时,新的米粒组织又在原来位置上很快地出现,这种连续现象就像我们日常所见到的沸腾米粥上不断地上下翻腾的热气泡。

太阳 - 产生能量

太阳

作为一颗恒星太阳,其总体外观性质是,光度为383亿亿亿瓦,绝对星等为4.8,他是一颗黄色G2型矮星,有效温度等于开氏5800度。太阳与在轨道上绕它公转的地球的平均距离为149597870km(499.005光秒或1天文单位)。按质量计,它的物质构成是71%的氢、26%的氦和少量重元素。太阳圆面在天空的角直径为32角分,与从地球所见的月球的角直径很接近,是一个奇妙的巧合(太阳直径约为月球的400倍而离我们的距离恰是地月距离的400倍),使日食看起来特别壮观。由于太阳比其他恒星离我们近得多,其视星等达到-26.8,成为地球上看到最明亮的天体。太阳每25.4天自转一周(平均周期;赤道比高纬度自转得快),每2亿年绕银河系中心公转一周。太阳因自转而呈轻微扁平状,与完美球形相差0.001%,相当于赤道半径与极半径相差6km(地球这一差值为21km,月球为9km,木星9000km,土星5500km)。差异虽然很小,但测量这一扁平性却很重要,因为任何稍大一点的扁平程度(哪怕是0.005%)将改变太阳引力对水星轨道的影响,而使根据水星近日点进动对广义相对论所做的检验成为不可信。

太阳风

太阳风是一种连续存在,来自太阳并以200-800km/s的速度运动的等离子体流。这种物质虽然与地球上的空气不同,不是由气体的分子组成,而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成,但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似,所以称它为太阳风。

太阳光

到达地球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。在地球位于日地平均距离处时,地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量,称为太阳常数。太阳常数的常用单位为瓦/米2。因观测方法和技术不同,得到的太阳常数值不同。世界气象组织 (WMO)1981年公布的太阳常数值是1368瓦/米2。地球大气上界的太阳辐射光谱的99%以上在波长 0.15~4.0微米之间。大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区(波长0.4~0.76微米),7%在紫外光谱区(波长<0.4微米),43%在红外光谱区(波长>0.76微米),最大能量在波长 0.475微米处。由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长(约3~120微米)小得多,所以通常又称太阳辐射为短波辐射,称地面和大气辐射为长波辐射。太阳活动和日地距离的变化等会引起地球大气上界太阳辐射能量的变化。 地球上除原子能和火山、地震以外,太阳能是一切能量的总源泉。

太阳 - 天体卫星

太阳

卫星是指围绕行星所运行的天体。卫星分为天然卫星和人造卫星,其中,木星的天然卫星最多。在太阳系里,除水星和金星以外,其他行星都有天然卫星。行星的气体和尘埃会碰撞、合并。没有组成行星的天体除了天然卫星,还有小行星、彗星等。

火星的两颗卫星是霍尔在海军天文台发现的。以往的观测没能发现它们是因为这两颗卫星异常得渺小。霍尔把外层的卫星叫做火卫二,内层的叫做火卫一。

木星是太阳系卫星较多的一颗行星,木星的卫星是按照发现的先后顺序编号的。1610年,伽利略用自制的天文望远镜观测到4颗卫星。天文家门为了纪念伽利略的这一重大发现,将这4颗卫星命名为伽利略卫星。这4颗卫星由内到外依次是依奥,欧罗拔,嘉里美,卡利斯托。它们分别被简称为木卫一,木卫二,木卫三,木卫四,它们的表面特征很不一样。木卫一是至今在太阳系所观测到的火山活动最为频繁的激烈的天体,这一发现给天文学家们对太阳系天体研究提供了新的启示。木卫二体积比月球小,但密度和月球差不多。木卫三是木星最大的一颗卫星。木卫四的表面布满了密密麻麻的损石坑。

木星的卫星形态各种各样、五花八门。最著名的土卫六上有大气,是目前发现的太阳系卫星中,唯一存在大气的天体。土星是太阳系卫星最多的一颗行星,周围有很多大大小小的卫星围绕着它旋转,就像一个家族。目前为止,一共发现了23颗。

天王星与太阳系中的其他天体不同,天王星的卫星并不是以古代神话中的人物而命名的,而是用莎士比亚和罗马教皇作品中人物的名字命名的。天王星也有很多卫星,其中有直径470公里的很大的卫星。

海王星是环绕太阳运行的一颗淡蓝色的行星,是典型的气体行星。海王星有8颗卫星。以前认为海王星只有2颗卫星,即海卫一和海卫二。通过探测发现了6颗较小的卫星,从而海王星的卫星达到了8颗。

卫星查龙的大小占冥王星的一半以上。冥王星与卫星查龙之间的距离仅有2万公里。冥王星的公转周期和卫星查龙的公转周期是一样的。

太阳 - 研究历史

人类对太阳的观测可以追溯到公元前2000年,在中国古代的典籍《尚书》中记载了发生在夏代的一次日食。中国古代汉字中用⊙代表太阳,表明中国很早以前就已看到了太阳黑子。《汉书·五行志》中记载了人类最早的黑子记录:“日出黄,有黑气大如钱,居日中央。”公元前400年,希腊人曾经看到过太阳黑子,但在欧洲被遗忘,直到1605年伽利略通过望远镜重新发现了它。

太阳

1239年,俄罗斯的编年史中曾提到过日珥,称其为“火舌”,1842年在一次日食中重新发现了日珥。1843年,Schwabe发现了太阳活动的11年周期,1851年在一次日食中拍摄到了第一张日冕的照片。1859年人们发现了太阳耀斑。

英国物理学家牛顿使用三棱镜将太阳光分解为光谱,发现太阳光是由七种颜色的光混合而成的。英国天文学家威廉·赫歇尔在太阳光中发现了红外线。1824年,夫琅禾费发现了太阳光谱中的谱线,1868年又在太阳光谱中发现了一种新的元素,取名为氦(helium,意为太阳神),次年又发现了新的谱线,认为是另外一种元素,定名为coronium,后证明这只是普通元素的高电离态谱线。

1908年,美国天文学家海耳发现黑子具有很强的磁场。1930年发明了日冕仪,使得随时观测日冕成为可能。1938年,汉斯·贝特提出了恒星内部质子-质子链反应和碳氮氧循环两种核反应过程,阐明了太阳的能源机制。

20世纪70年代以来,空间天文的迅速发展大大促进了太阳的研究。1971年,OSO-7卫星观测到了日冕物质抛射,1975年Deubner奠定了日震学的基础。美国的天空实验室搭载的X射线望远镜观测了太阳的X射线辐射。1980年代SMM卫星首次在硬X射线波段对耀斑进行了成像。1990年,美国发射了尤里西斯号探测器观测太阳的极区。其他太阳观测卫星还有美国1995年发射的SOHO卫星、1998年发射的TRACE卫星、2002年发射的RHESSI卫星、2006年发射的STEREO卫星,日本1991年发射的阳光卫星(Solar-A)、2006年发射的日出卫星(Solar-B)等。

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