太陽是銀河系中的壹顆普通恒星,位於銀道面之北的獵戶座旋臂上,距銀心約2.3光年,它以每秒250公裏的速度繞銀心轉動,公轉壹周約需2.5億年。太陽也在自轉,其周期在日面赤道帶約25天;兩極區約為35天。
通過對太陽光譜的分析,得知太陽的化學成分與地球幾乎相同,只是比例有所差異。太陽上最豐富的元素是氫,其次是氦,還有碳、氮、氧和各種金屬。
太陽的結構
太陽的結構從裏向外主要分為:中心為熱核反應區,核心之外是輻射層,輻射層外為對流層,對流層之外是太陽大氣層。
從核物理學理論推知,太陽中心是熱核反應區。太陽中心區占整個太陽半徑的1/4,約為整個太陽質量的壹半以上。這表明太陽中心區的物質密度非常高。每立方厘米可達160克。太陽在自身強大重力吸引下,太陽中心區處於高密度、高溫和高壓狀態。是太陽巨大能量的發祥地。
太陽中心區產生的能量的傳遞主要靠輻射形式。太陽中心區之外就是輻射層,輻射層的範圍是從熱核中心區頂部的0.25個太陽半徑向外到0.86個太陽半徑,這裏的溫度、密度和壓力都是從內向外遞減。從體積來說,輻射層占整個太陽體積的絕大部分。
太陽內部能量向外傳播除輻射,還有對流過程。即從太陽0.86個太陽半徑向外到達太陽大氣層的底部,這壹區間叫對流層。這壹層氣體性質變化很大,很不穩定,形成明顯的上下對流運動。這是太陽內部結構的最外層。太陽對流層外是太陽大氣層。太陽大氣層從裏向外又可分光球、色球和日冕。我們看到耀眼的太陽,就是太陽大氣層中光球發出的強烈的可見光。光球層位於對流層之外,屬太陽大氣層中的最低層或最裏層,光球層的厚度約500公裏,與約70萬公裏的太陽半徑相比,好似人的皮膚和肌肉之比。我們說太陽表現的平均溫度約6000攝氏度,指的就是這壹層。光球之外便是色球。平時由於地球大氣把強烈的光球可見散射開,色球便被淹沒在藍天之中。只有在日全食的時候才有機會直接飽覽色球紅艷的姿容。太陽色球是充滿磁場的等離子體層,厚約2500公裏。其溫度從裏向外增加,與光球頂銜接的部分約4500攝氏度,到外層達幾萬攝氏度。密度則隨高度增加而減低。整個色球層的結構不均勻,由於磁場的不穩定性,太陽高層大氣經常產生爆發活動,產生耀斑現象。
日冕是太陽大氣的最外層。日冕中的物質也是等離子體,它的密度比色球層更低,而它的溫度反比色球層高,可達上百萬攝氏度。日全食時在日面周圍看到放射狀的非常明亮的銀白色光芒即是日冕。
太陽的能量
地球上除原子能和火山、地震以外,太陽能是壹切能量的總源泉。那麽,整個地球接收的有多少呢?太陽發射出大的能量呢?科學家們設想在地球大氣層外放壹個測量太陽總輻射能量的儀器,在每平方厘米的面積上,每分鐘接收的太陽總輻射能量為8.24焦。這個數值叫太陽常數。如果將太陽常數乘上以日地平均距離作半徑的球面面積,這就得到太陽在每分鐘發出的總能量,這個能量約為每分鐘2.273×1028焦。而地球上僅接收到這些能量的22億分之壹。太陽每年送給地球的能量相當於100億億度電的能量。太陽能取之不盡,用之不竭,又無汙染,是最理想的能源。
太陽黑子
通過壹般光學望遠鏡觀測太陽,觀測到的是光球層(太陽大氣層的最裏層)的活動。在光球上經常可以看到許多黑色斑點,叫太陽黑子。太陽黑子在日面上的大小、多少、位置和形態等,每日都不壹樣。太陽黑子是光球層物質劇烈運動形成的局部強磁場區域,是光球層活動的重要標誌。長期觀測太陽黑子就會發現,有的年份黑子多,有的年份黑子少,有時甚至幾天,幾十天日面上都沒有黑子。天文學家們早已註意到,太陽黑子從最多(或最少)的年份到下壹次最多(或最少)的年份,大約相隔11年。也就是說,太陽黑子有平均11的活動周期,這也是整個太陽的活動周期。天文學家把太陽黑了最多的年份稱為“太陽活動峰年”,把太陽黑子最少的年份稱為“太陽活動寧靜年”。
太陽耀斑
太陽耀斑是壹種最劇烈的太陽活動。壹般認為發生在色球層中,所以也叫“色球爆發”。其主要觀測特征是,日面上(常在黑子群上空)突然出現迅速發展的亮斑閃耀,其壽命僅在幾分鐘到幾十分鐘之間,亮度上升迅速,下降較慢。特別是在太陽活動峰年,耀斑出現頻繁且強度變強。
別看它只是壹個亮點,壹旦出現,簡直是壹次驚天動地的大爆發。這壹增亮釋放的能量相當於10萬至100萬次強火山爆發的總能量,或相當於上百億枚百噸級氫彈的爆炸;而壹次較大的耀斑爆發,在壹二十分鐘內可釋放10~25焦耳的巨大能量,
除了日面局部突然增亮的現象外,耀斑更主要表現在從射電波段直到X射線的輻射通量的突然增強;耀斑所發射的輻射種類繁多,除可見光外,有紫外線、X射線和伽瑪射線,有紅外線和射電輻射,還有沖擊波和高能粒子流,甚至有能量特高的宇宙射線。
耀斑對地球空間環境造成很大影響。太陽色球層中壹聲爆炸,地球大氣層即刻出現繚繞余音。耀斑爆發時,發出大量的高能粒子到達地球軌道附近時,將會嚴重危及宇宙飛行器內的宇航員和儀器的安全。當耀斑輻射來到地球附近時,與大氣分子發生劇烈碰撞,破壞電離層,使它失去反射無線電電波的功能。無線電通信尤其是短波通信,以及電視臺、電臺廣播,會受到幹擾甚至中斷。耀斑發射的高能帶電粒子流與地球高層大氣作用,產生極光,並幹擾地球磁場而引起磁暴。
此外,耀斑對氣象和水文等方面也有著不同程度的直接或間接影響。正因為如此,人們對耀斑爆發的探測和預報的關切程度與日俱增,正在努力揭開耀斑迷宮的奧秘。
傳說,第二次世界大戰時,有壹天,德國前線戰事吃緊,後方德軍司令部報務員布魯克正在繁忙地操縱無線電臺,傳達命令。突然,耳機裏的聲音沒有了。他檢查機器,電臺完整無損;撥動旋鈕,改變頻率,仍然無濟於事。結果,前線推動聯系,像群龍無首似的陷入壹片混亂,戰役以失敗而告終。布魯克因此受到軍事法庭判處死刑。他仰天呼喊“冤枉!冤枉!” 後來查清,這次無線電中斷,“罪魁禍首”是耀斑。布魯克的死,實在冤枉。他的死,在於人們當時對耀斑還不了解。
光斑(譜斑)
太陽光球層上比周圍更明亮的斑狀組織。用天文望遠鏡對它觀測時,常常可以發現:在光球層的表面有的明亮有的深暗。這種明暗斑點是由於這裏的溫度高低不同而形成的,比較深暗的斑點叫做“太陽黑子”,比較明亮的斑點叫做“光斑”。光斑常在太陽表面的邊緣“表演”,卻很少在太陽表面的中心區露面。因為太陽表面中心區的輻射屬於光球層的較深氣層,而邊緣的光主要來源光球層較高部位,所以,光斑比太陽表面高些,可以算得上是光球層上的“高原”。
光斑也是太陽上壹種強烈風暴,天文學家把它戲稱為“高原風暴”。不過,與烏雲翻滾,大雨滂沱,狂風卷地百草折的地面風暴相比,“高原風暴”的性格要溫和得多。光斑的亮度只比寧靜光球層略強壹些,壹般只大10%;溫度比寧靜光球層高300℃。許多光斑與太陽黑子還結下不解之緣,常常環繞在太陽黑子周圍“表演”。少部分光斑與太陽黑子無關,活躍在70°高緯區域,面積比較小,光斑平均壽命約為15天,較大的光斑壽命可達三個月。
光斑不僅出現在光球層上,色球層上也有它活動的場所。當它在色球層上“表演”時,活動的位置與在光球層上露面時大致吻合。不過,出現在色球層上的不叫“光斑”,而叫“譜斑”。實際上,光斑與譜斑是同壹個整體,只是因為它們的“住所”高度不同而已,這就好比是壹幢樓房,光斑住在樓下,譜斑住在樓上。
米粒組織
米粒組織是太陽光球層上的壹種日面結構。呈多角形小顆粒形狀,得用天文望遠鏡才能觀測到。米粒組織的溫度比米粒間區域的溫度約高300℃,因此,顯得比較明亮易見。雖說它們是小顆粒,實際的直徑也有1000公裏--2000公裏。
明亮的米粒組織很可能是從對流層上升到光球的熱氣團,不隨時間變化且均勻分布,且呈現激烈的起伏運動。米粒組織上升到壹定的高度時,很快就會變冷,並馬上沿著上升熱氣流之間的空隙處下降;壽命也非常短暫,來去匆匆,從產生到消失,幾乎比地球大氣層中的雲消煙散還要快,平均壽命只有幾分鐘,此外,近年來發現的超米粒組織,其尺度達3萬公裏左右,壽命約為20小時。
有趣的是,在老的米粒組織消逝的同時,新的米粒組織又在原來位置上很快地出現,這種連續現象就像我們日常所見到的沸騰米粥上不斷地上下翻騰的熱氣泡。
太陽活動--日珥
日珥是突出在日面邊緣外面的壹種太陽活動現象。日珥出現時,大氣層的色球酷似燃燒著的草原,玫瑰紅色的舌狀氣體如烈火升騰,形狀千資百態,有的如浮雲,有的似拱橋,有的像噴泉,有的酷似團團草叢,有的美如節日禮花,而整體看來它們的形狀恰似貼附在太陽邊緣的耳環,由此得名為“日珥”。
日珥的上升高度約幾萬公裏,大的日珥可高於日面幾十萬公裏,壹般長約20萬公裏,個別的可達150萬公裏。日珥的亮度要比太陽光球層暗弱得多,所以平時不能用肉眼觀測到它,只有在日全食時才能直接看到。
日珥是非常奇特的太陽活動現象,其溫度在5000~8000K之間,大多數日珥物質升到壹定高度後,慢慢地降落到日面上,但也有壹些日珥物質漂浮在溫度高達200萬K的日冕低層,即不附落,也不瓦解,就像爐火熊熊的煉鋼爐內居然有壹塊不化的冰壹樣奇怪,而且,日珥物質的密度比日冕高出1000~10000倍,兩者居然能***存幾個月,實在令人費解。
沖浪
沖浪又稱“日浪”。太陽光球層物質的壹種拋射現象。通常發生在太陽黑子上空,具有很強的重復出現的本領,當壹次沖浪沿上升的路徑下落後,又會觸發新的沖浪騰空而起,如此重復不斷,但其規模和高度則壹次比壹次小,直至消失。
位於日面邊緣的沖浪表現為壹個小而明亮的小丘,頂部以尖釘形狀向外急速增長。上升的高度各不相等,小沖浪只有區區幾百公裏,大沖浪則可達5000公裏,最大的竟達1~2萬公裏。拋射的最大速度每秒可達100~200公裏,要比最快的偵察機快100多倍。當它們到達最高點後,受太陽引力的影響,便開始下降,直至返回到太陽表面。人們從高分辯率的觀測資料中發現,沖浪是由非常小的壹束纖維組成,每條纖維間相距很小,作為整體壹起發亮,壹起運動。
針狀物
在色球上更普遍存在的是無數針狀的稱為“針狀物”的高溫等離子體的小日珥,觀察日輪邊緣,可看到許多細小而明亮的“火舌”,宛如在日面上簇簇燃燒著的草叢。針狀物寬度約800公裏,高度4400~9800公裏,平均壽命約5分鐘。
在色球層中部,針狀物數目約25萬個;在離日面3000公裏處,則減少到9.3萬個;在離日面1.5萬公裏只剩下約200來個。針狀物以約25公裏每秒的速度從色球層噴出,有的勻速上升,有的跳躍上升,升到壹定高度,受太陽引力影響,開始下降。
20世紀70年代中期,美國發射的“天空實驗室”發現超針狀物現象,寬度1.8萬公裏,高度4.3萬公裏,都比普通針狀物大10來倍。超針狀物能上升到3.5萬公裏的高度,竄到日冕區遊蕩壹陣後,再落回色球層,存在時間長達40分鐘