太阳的基本概况

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1、太阳的基本概况1. 太阳概况太阳是太阳系的中心天体，它的质量占了太阳系总质量的99.865%，它的强大引力是 控制着太阳系天体的运动，它的辐射是太阳系内天体的主要能源，是地球上光和热的主要来 源。地球沿椭圆轨道围绕太阳运行，日地距离最大为1.52亿千米，最小为1.47亿千米，平 均为1.4960亿千米，在天文学上将它作为1天文单位。太阳的平均半径为69.599万千米， 是地球半径的109倍；表面积是地球表面积的12000倍，体积是地球体积的130万倍。太阳的质量为1.989X1030千克，是地球质量的33万倍。它的密度并不均匀，越靠近 中心，密度越大，中心密度为1.60克X105千克/米3，平

2、均密度为1.409X103千克/米3, 约为地球平均密度的0.26倍。太阳距银河系中心大约3万光年，绕银核的旋转速度约为220千米/秒，2亿多年（也 称为银河年）转一圈。太阳本身也在不停地自转，从对太阳黑子的观测及光谱研究都可以计算出太阳自转的速 度。通过太阳光谱分析，可知它的化学成分，其中，氢和氦分别占71%和27%，其他是一 些较重的元素，主要为碳、氮、氧和各种金属。太阳表面源源不断地以电磁波的形式向外辐射能量，称为太阳辐射。太阳辐射能量主要 集中在可见光波段，太阳总辐射能功率为3.86X 1026焦耳/秒。根据太阳表层光面的颜色推 知太阳表面温度为5770K。2. 太阳结构太阳是一个炽热

3、的气体球，从太阳中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和太阳 大气四层。核反应区 从太阳中心至大约0.25太阳半径的区域。体积大约只占总体积的1/64，但 集中了太阳质量的一半，太阳能量的99%是在这里产生的。核反应区的温度高达1.5X107K， 压强高达2.5X1011个大气压。在这里高温、高压的环境下，4个氢原子核经过一连串的核 反应，变成1个氦原子核。在核聚变反应过程中，释放出大量的能量。太阳每秒钟由于核聚 变而损耗的质量大约为400万吨。按照这种消耗速度，太阳在50亿年的漫长时间中，只消 耗了 0.03%的质量。太阳结构图辐射区在核反应区的外面大约0.250.86太阳半径的区域。其密

4、度和温度都很快向外 减少，核反应区产生的能量经此区以辐射转移的方式向外传播。对流区在辐射区的上面至太阳表面附近的区域（也叫对流层）。在这里，密度和温度 进一步向外减少，主要以对流方式向外传播能量。由于外层氢的电离造成此层内气体比热增 加，破坏了辐射平衡要求的温度梯度，从而使物质难以平衡，产生流动，进而发展为湍流。太阳大气对流区及其下面部分是看不见的，合称为太阳内部或太阳本体，其性质靠理 论计算来确定。而对流区上面的太阳大气，其性质可以由观测来确定。太阳大气大致可以分 为光球、色球、日冕三个层次，各层的物理性质具有显著差别。光球层在太阳大气的最下层。厚度约500千米，相对于太阳半径，光球层很薄，

5、有时 就被称为太阳的表面。光球层的底层温度较高，约为5800K，上层的温度较低，约为4400K， 所有的太阳辐射都是从这一层产生的。光球中布满米粒组织，它们实际上是对流层里上升的 热气团冲击太阳表面形成的。在光球的活动区，有太阳黑子、光斑等。色球层光球层外面是色球层，平均厚度约为2500千米。由于光球层太亮了，只有在日 全食时，观测者才能用肉眼看到太阳视圆面周围的这一层玫瑰色的光辉，平时只能用专门仪 器（色球望远镜）才能看到。色球层的物质很稀薄，大约只有109千克/米3并且随高度增加，密度急剧下降。在色球层内，温度从光球顶部的4600K 增加到色球顶部的几万度。由于磁场的不稳定性，色球层经常产

6、生激烈的耀斑爆发以及与耀 斑共生的日珥等。太阳的分层结构日冕日冕是太阳大气的最外层，也是最厚的一层。在日全食时，在色球层之外可以看 到广延的白色微弱光辉，这就是“日冕”，日冕主要由高度电离的离子和高速的自由电子组 成。日冕物质以很高的速度向外膨胀，形成所谓的“太阳风”。在地球附近，太阳风的速度 约为450千米/秒。日冕的温度最高可达200万K，其中气体的平均密度为每立方米101个 气体原子，接近真空。日冕的形状非常不规则，随太阳活动的强弱而变，当太阳活动剧烈时， 日冕接近于圆形，当太阳活动较弱时，形状较扁。图1-7 日冕3. 太阳活动太阳活动是指太阳局部的激烈运动，最明显的标志是太阳黑子、耀斑

7、以及日冕物质的抛 射等，这些现象密切相关，并集中在一定区域里，常称这一区域为太阳活动区。太阳黑子 在太阳光球层上，经常有一些小黑点，这就是太阳黑子。一般由较暗的核（本 影）和围绕它的较亮部分（半影）组成，这里是光球层较暗、温度较低（4000-5000K）的 强磁场区域。太阳黑子的大小由1000千米到20万千米不等，寿命也从几小时到几个月，有 的长达一年以上。太阳活动的程度，通常用太阳黑子的多少和大小来表示。黑子数目多时表 示太阳活动较强，黑子数目少时表示太阳活动较弱。日面上黑子数的年平均值大致作周期性 变化，但变化周期不固定，最长的达17年，短的只有7.3年，平均约为11年。太阳黑子光斑 光斑

8、是与黑子相反的一种光球现象。当用白光观测日面时，在日面边缘部分，可 以见到大块微弱的明亮区域，这就是光斑。光斑是光球上层的活动现象，比光球的温度高 100K，亮度比光球背景亮11%左右。光斑具有各种不同形式的纤维结构。有些光斑和黑子 联系密切，常常相互伴随。它比黑子先出现，寿命比黑子一般多几十分钟到几小时。耀斑 耀斑是太阳活动区中最剧烈的活动现象。当用太阳单色光仪观测太阳的色球时， 有时会看到一个亮斑点突然出现，几分钟或几秒钟内面积和亮度增加到极至，然后比较缓慢 地减弱，最后消失，这种亮斑点叫做“耀斑”，这种现象常叫“色球爆发”。耀斑出现的概率与黑子也有很大关系。在黑子数目最多的地方和时期，也

9、是耀斑活动最 为强烈的地方和时期。耀斑的寿命很短，平均约4-10分钟。然而就在这短促的时间内，耀 斑爆发突然释放的能量可达1025焦耳的量级，相当于100亿颗百万吨级氢弹的威力，它抛 射出的粒子流速度可达1000千米/秒，到达地面时，常引起磁暴和极光。耀斑发出的强紫外 辐射和X射线，对地球影响很大。日珥用色球望远镜单色光观测日面时，常常在其边缘看到明亮的突出物。它们具有不 同的形状，统称为日珥。日珥的大小不等，最高可达几十万千米，其寿命通常维持几十天到 几个月，温度为5000-8000K。日珥主要存在于日冕中，下部常与色球相连。日珥的密度比 日冕大100倍，温度还不到日冕温度的1/100，所以

10、，通常认为日珥是由色球喷发出来的物 质组成的。太阳黑子带内的日珥也具有11年的周期变化，但在两极地区日珥的周期变化不 明显。太阳表层的这些形形色色的变化，大体上都与太阳黑子的变化密切相关。这表明太阳活 动实际上是一个整体。太阳活动同地球上的一些现象存在密切关系。现在，人们已经发现太阳活动在以下几方 面对地球有显著的影响：电离层突然骚扰太阳活动中的耀斑和黑子对地球的电离层、磁场和极区有显著的地球 物理效应。使地面的无线电短波通讯受到影响，甚至出现短暂的中断，这被称为“电离层突 然骚扰”。这些反映几乎与大耀斑的爆发同时出现。“磁暴”现象整个地球是一个大磁场，地球的周围充满了磁力线。当耀斑出现时，其

11、 附近向外发射高能粒子，带电的粒子运动时产生磁场，当它到达地球时，便扰乱原来的磁场， 引起地磁的变动，一般产生在耀斑爆发后20-40小时。发生磁暴时，磁场强度变化很大， 对人类活动特别是与地磁有关的工作会有很大影响。极光现象地球的极区，在晚上甚至在白天，常常可以看见天空中闪耀着淡绿色或红色、 粉红色的光带或光弧，叫做极光。这是因为来自太阳活动的带电高能粒子流到达地球时，在 磁场的作用下奔向极区，使极区高层大气分子或原子激发或电离而产生光。极光通常产生在 南北纬60-90度的两极地区。影响地球大气太阳的远紫外线和太阳风会影响大气的密度，大气密度的变化周期为11 年，显然与太阳活动有关。太阳活动还可能影响到大气温度和臭氧层，进而影响到农作物的 产量和自然生态系统的平衡。由于太阳活动对人类有影响，特别是对航天、无线电通讯、气象等方面影响显著，因此， 研究太阳活动，特别是太阳耀斑发生的规律，并设法进行预报，具有重要的应用价值。