【汉语拼音】taiyang
【中文词条】太阳
【外文词条】Sun
【作者】杨海寿邢骏许敖敖
太阳系的中心天体﹐太阳系的九大行星和其他天体都围绕它运动。在天文学中常以符号⊙表示。它是银河系中一颗普通恒星。位于距银心约10千秒差距的旋臂内﹐银道面以北约 8秒差距处。它一方面 托壑械暮阈且黄鹑埔脑硕o另一方面又相对于它周围的恒星所规定的本地静止标准(银经56°﹐银纬+23°)作每秒19.7公里的本动。在太阳中心区的氢核聚变产生的能量﹐主要以辐射形式稳定地向空间发射。由于能量的产生和发射基本上已达到平衡﹐所以﹐目前就整体而言﹐它处于稳定平衡状态。
基本数据 研究太阳系天体特别是小行星爱神星的运动﹐和地球对于在它附近的天体的摄动﹐可以测定日地距离﹑太阳半径﹐求得太阳对地月系的质量比﹐从而求得它的质量。通过对太阳的光谱分析可以得知太阳的化学成分。太阳大气中氢和氦占绝大部分﹐其他是一些较重元素﹐按质量计﹐氢约占71％﹐氦约占27％﹐其他元素占 2％。通过光度测量可以求出太阳的总辐射能和有效温度。利用这些观测数据和地球上已经证实的物理规律﹐如氢核聚变的反应率﹑物质传播辐射的机制等﹐我们就可以推测出太阳内部的结构。下表中是目前所知的太阳基本数据﹐图1
大气层 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﹐Hα单色像(见太阳单色像)中观测到的日珥的变化﹐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著的米粒组织﹑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著的气体和磁场﹐其影响范围一直延伸到太阳系的边缘。因此﹐我们现在对太阳的理解就和二十世纪初期的理解──太阳只是一个具有明晰边缘的发出光和热的气体球﹐很不相同了。
辐射 占太阳辐射总能量 99.9％ 的辐射都集中在0.2～10.0微米波段内﹐这一部分辐射是稳定的(见太阳常数)。但是从紫外线到γ射线波段和从红外线到米波射电波段的辐射﹐就其总能量来说﹐虽只占太阳辐射总能量的微不足道的一部分﹐但它们的变化幅度却是很大而且极不稳定的。这些波段的辐射主要来自太阳光球以上的色球直到日冕中密度极为稀薄的等离子体中。这些波段经常产生各种类型的爆发 o表明上述区域存在激烈的物质运动(见太阳射电﹑太阳软X射线爆发﹑太阳γ射线爆发)。图2
太阳还把大量物质粒子射入空间﹐这些粒子必须具有大于逃离太阳表面所需的动能。这种动能是在太阳表面或上层通过种种加热﹑加速机制获得的﹐是在这些层次中由于电磁力和运动的耦合造成的。太阳就是通过这些稳定的辐射和爆发﹐通过稳定的太阳风和爆发性的粒子流以及和它们联系在一起的磁场﹐影响著地球﹐造成各种地球物理现象和气候的变异﹐从而影响到人类的日常生活和探空事业(见日地关系)。
内部结构 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(1.5×10
K左右)﹐在这里﹐富含氢元素的太阳气体通过质子－质子反应和碳氮循环把质子聚变为α 粒子﹐从而释放出巨 蟮哪芰坷次痔舻钠胶狻８菽壳岸蕴裟诓壳夂康墓兰譬o这种状态还能维持约50亿年。
太阳内部产生的能量由太阳内部传播到光球表层﹐并向外发射。虽然产生的能量和发射的能量在数量上是相等的﹐但它们的性质却因经历了很长的﹑由内向外的辐射转移过程而大大改变(见辐射转移理论)。在核心﹐热动平衡温度量级是 1.5×10
K﹐而在太阳表面有效温度只有5﹐770K。按普朗克辐射理论﹐中心辐射的频谱和表面辐射的频谱就大不相同。辐射从内部向外的转移过程是太阳各层物质的 诈p发射﹑再吸收﹑再发射的过程。因此﹐从太阳核心区产生的γ射线﹐经过从核心到表面的行程﹐就逐步降低它的频率﹐变为硬X射线﹑软X射线﹑远紫外线﹑紫外线﹐最后以可见光的形式被我们观测到。从太阳内部向外的温度变化必须保证各层次的辐射压强和重力的平衡﹐才能维持太阳整体的平衡和稳定。从这个事实可以得知﹐是太阳内部能量向外传播所要求的辐射平衡保证了太阳整体的流体静力学平衡。
但是﹐在太阳中心的一个小范围内以及从太阳表面向内延伸到太阳半径约1/4处﹐流体静力平衡就遭到破坏﹐造成流体的流动。在中心区﹐对流核的产生是因为原子核反应所造成的温度梯度超过了辐射平衡所容许的程度﹔在外层的对流层﹐则是由外层氢的电离造成此层内气体比热增加﹐破坏了辐射平衡所要求的温度梯度﹐从而破坏了流体静力学平衡﹐产生流动﹐进而发展为湍流(见太阳对流层)。对流层的湍流场从对流层底部一直延伸到光球表面。太阳内部能量中的一小部分变成湍流场的动能和物质的热能﹐层层向外传递。这就是我们从光球﹑色球和日冕中看到的种种运动著的状态以及种种不稳定的爆发的能量来源。
综合上述物理过程﹐结合我们观测到的太阳质量﹑太阳半径﹑光度和太阳的化学成分﹐进行“由表及里”的理论计算﹐我们可以求得一个在光度﹑质量﹑半径方面都能符合实际观测的太阳内部温度和密度的分布图﹐如图3
这样求得的太阳内部结构的图像可能还不是最后的图像﹐因为它有一个很大的矛盾﹐即著名的中微子之谜。氢核聚变反应产生的中微子在太阳内部和日地空间可以通行无阻﹐本应在地球表面上测到一定的中微子通量﹐但是经过多年观测﹐测到的中微子通量值比理论值要少(见中微子天文学)﹐这就使人们怀疑上述太阳内部结构图像是否正确。到目前为止﹐还没有提出能够解决上述矛盾的更合理的内部结构理论。
太阳活动和磁场 太阳活动的能量来源只占太阳总能源的极小部分。目前﹐人们认为这种活动只是太阳的表层物质运动和变化的结果﹐不涉及太阳本体的基本稳定。对流层的湍流场是调制太阳活动能源的枢纽。参加调制的因素还有太阳自转和对流层内大尺度环流。由于这两个因素都是有规律的﹐而湍流场基本上是无规则的运动﹐所以太阳活动就呈现出既有规律性又有随机性。这充分反映在太阳黑子﹑日珥﹑谱斑的出没和耀斑的爆发之中。这些太阳活动现象的发生﹐与太阳磁场密切相关。
太阳磁场的来源还不清楚。虽然﹐在磁场中导电流体的流动可以强化磁场﹐但是﹐必须要有种子磁场和流体的耦合﹐才能通过流体的放大作用产生一定规模的磁场﹐如我们在太阳表面所观测到的那样(见太阳平均磁流发电机机制)。太阳的较差自转﹐对流层内大尺度环流以及对流层湍流场的交互作用﹐在一定的时间内﹐会在对流层上层某些区域形成某些具有一定花样的磁结构。因为磁场的压强平衡了一部分辐射压﹐所以在等温条件下﹐磁结构内的物质密度就会小于周围 肪车奈镏拭芏取Ｔ谕闹亓Τ∽饔孟漏o磁力线管就会受到浮力而上升﹐在日面上形成以黑子群为主要标志的太阳活动区。在太阳活动区里﹐各种表徵太阳活动的现象﹐如黑子﹑耀斑﹑冲浪等就比不存在这样的磁结构的区域多得多。在太阳活动区外﹐最多只会出现个别的黑子﹑个别的宁静日珥等。自然﹐在太阳活动区内和它的上空﹐磁力线管的结构和密度都和非活动区不一样﹐因此在活动区内和它的上空﹐导电气体和磁力线的交互作用所产生的各种非热辐射(见热辐射和非热辐射)和粒子加速现象﹐就远较非活动区为多而且剧烈。
近年的观测证明﹐在太阳活动区上空﹐磁场基本上是闭结构﹔而在非活动区上空﹐特别是冕洞区域﹐磁场基本上是开结构。在开结构区日冕电子温度一般约10
K。而在闭结构区﹐日冕电子温度就达2.5×10K。二者的差别反映了磁场在加热导电气体中所起的作用。我们所观测到的所有的太阳活动现象﹐如黑子﹑爆发日珥﹑耀斑﹑冲浪和日冕中的各种瞬变现象﹐冕洞的形成和消亡﹐太阳风中的等离子体的不稳定现象以及太阳X射线爆发﹐太阳γ射线爆发﹐各种太阳射电爆发等都是磁场(特别是活动区磁场)同这些区域内的等离子体交互作用的结果。
色球﹑日冕实际上是炽热的太阳本体到空间的边界层﹐通常是不稳定的。例如色球-日冕过渡层内的“反常温升”﹐就是一个非常值得探讨的等离子体问题。但其具体机制﹐却因为在这个区域内的磁结构的复杂性和不均匀性﹐还远远没有弄清楚。光球表层下面潜伏磁场的存在和变化﹐是一个非常复杂的问题﹐具体的理论远未成熟。解释太阳活动的基本规律﹐如太阳活动的11年﹑22年﹑80年周期以及太阳活动区的日面分布规则等﹐都有待于这个问题的解决(见太阳黑子周期)。
起源和演化 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著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阶段逐渐转变为红巨星﹐然后再转变成为红超巨星。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﹐从而使它的物质进入简并电子气状态﹐成为白矮星。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﹐成为一个不发光的﹑处于简并态的冷“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。
参考书目
E.G.Gibson﹐The Quiet Sun﹐NASA﹐Washington﹐1973.
G.Abetti﹐Solar Research﹐Eyre & Spottiswoode﹐London﹐1962.