太陽(yáng)

【 太陽(yáng) 】（sun）太陽(yáng)系中心的一顆恒星天體。是地球上光和熱的主要來(lái)源。與地球的平均距離為1496 x 10⁵km。其直徑為 139 x10⁴km，是地球直徑的109倍，體積為地球的13 X 10⁵倍，質(zhì)量為地球的33 X 10⁴倍，平均密度1．4g?cm^-3。

太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的氣體球，表面溫度（有效溫度）約6000℃，意向內(nèi)部溫度愈高，中心約15 X 10⁶℃。由氫核聚變成氨核的熱核反應(yīng)產(chǎn)生巨大的能量，以輻射的方式，由內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面而發(fā)射到宇宙空間。肉眼看到的表面層叫作“光球”，光球上面的一層叫“色球”，最外層叫“日冕”，這幾層組成太陽(yáng)的大氣。太陽(yáng)也在自轉(zhuǎn)，其周期在日面赤道帶約25天，愈近兩段愈長(zhǎng)（兩極區(qū)約35天）。太陽(yáng)和地球幾乎是由同樣的化學(xué)元素組成的，但比例互有差異。太陽(yáng)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(yáng)上也有磁場(chǎng)，在寧?kù)o光球區(qū)，其強(qiáng)度僅見高斯（1高斯=10^-1特〔斯拉〕，即1Gs= 10^-4T），但在太陽(yáng)大氣的活動(dòng)區(qū)，其強(qiáng)度可達(dá)幾百高斯，在太陽(yáng)黑子處甚至可達(dá)幾千高斯。

太陽(yáng)從中心向外可分為核心（核聚變區(qū)）、輻射層、對(duì)流層和大氣層。由于太陽(yáng)內(nèi)層氣體的透明度極差，人類只能夠直接觀測(cè)到太陽(yáng)的大氣層，從內(nèi)向外分為光球、色球和日冕3層。

 太陽(yáng)結(jié)構(gòu)示意圖太陽(yáng)在銀河系里的恒星是一個(gè)近乎完美的球體，其扁率約為900萬(wàn)分之一，即是說(shuō)其南北兩極的直徑只比東西直徑短10公里。在自轉(zhuǎn)周期方面，由于太陽(yáng)并非以固態(tài)形式存在，因此其兩極和赤道的自轉(zhuǎn)周期并不相同（赤道約為25天， 兩極則約為35天），整體平均自轉(zhuǎn)周期約為28天，其緩慢自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，以赤道位置計(jì)算，還不到其自身引力的1，800萬(wàn)分之一。雖然太陽(yáng)本身是太陽(yáng)系的中心，大質(zhì)量的木星使質(zhì)心之偏離中心達(dá)一個(gè)太陽(yáng)半徑，但所有行星的總質(zhì)量還不到太陽(yáng)的百分之五，因此來(lái)自行星的潮汐力并不足以改變太陽(yáng)的形狀。 

太陽(yáng)不像類地行星般擁有固態(tài)表面，其氣體密度從表面至中心會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)。太陽(yáng)的半徑計(jì)法是以光球?qū)拥倪吘墳榻K點(diǎn)，其內(nèi)部的高密度氣體足以令可見光無(wú)法通過(guò)，而肉眼看見的是太陽(yáng)的光球?qū)樱?.7太陽(yáng)半徑范圍內(nèi)的氣體占整個(gè)太陽(yáng)總質(zhì)量的大多數(shù)。 

 太陽(yáng)的內(nèi)部并不能直接觀測(cè)，因高密度的氣體阻隔了電磁輻射，但就像地震學(xué)能利用地震產(chǎn)生的震波能研究地球的內(nèi)部，日震學(xué)這個(gè)學(xué)門，也能利用橫斷過(guò)太陽(yáng)內(nèi)部的波的壓力，來(lái)測(cè)量和描繪出太陽(yáng)內(nèi)部的構(gòu)造。配合計(jì)算機(jī)模擬的輔助，人們便可一覽太陽(yáng)深處。

在太陽(yáng)的中心，密度高達(dá)150，000 Kg/m3（是地球上水的密度的150倍），熱核反應(yīng)（核聚變）將氫變成氦，釋放出的能量使太陽(yáng)保持穩(wěn)定的狀態(tài)。 每秒鐘大約有 3.4 ×1038 質(zhì)子轉(zhuǎn)換變成氦原子核（太陽(yáng)中的自由質(zhì)子約為 8.9 ×1056），這個(gè)過(guò)程中大約426萬(wàn)噸質(zhì)量經(jīng)由質(zhì)-能轉(zhuǎn)換，釋放出3.83 ×1026 焦耳或相當(dāng)于 9.15 ×1010百萬(wàn)噸TNT爆炸當(dāng)量的能量。核聚變的速率在自我修正下保持平衡：溫度只要略微上升，核心就會(huì)膨脹，增加抵擋外圍重量的力量，這會(huì)造成核聚變的擾動(dòng)而修正反應(yīng)速率；溫度略微下降，核心就會(huì)收縮一些，使核聚變的速率提高，使溫度能回復(fù)。

由中心至0.2太陽(yáng)半徑的距離是核心的范圍，是太陽(yáng)內(nèi)唯一能進(jìn)行核聚變釋放出能量的場(chǎng)所。太陽(yáng)其余的部份則被這些能量加熱，并將能量向外傳送，途中要經(jīng)過(guò)許多相連的層次，才能到達(dá)表面的光球?qū)?，然后進(jìn)入太空之中。

高能量的光子（γ和X射線）由核聚變從核心釋放出來(lái)后，要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)表面，緩慢的速度和不斷改變方向的路徑，還有反復(fù)的吸收和再輻射，使到達(dá)外圍的光子能量都降低了。估計(jì)每個(gè)光子抵達(dá)表面的旅程需要花費(fèi)10，000年至170，000年的時(shí)間[1]。在穿過(guò)對(duì)流層到達(dá)旅程的終點(diǎn)，進(jìn)入透明的表面光球?qū)訒r(shí)，光子就以可見光的型態(tài)逃逸進(jìn)入太空。每一個(gè)在核心的γ射線光子在進(jìn)入太空前，都已經(jīng)轉(zhuǎn)化成數(shù)百萬(wàn)個(gè)可見光的光子。中微子也是在核心的核聚變時(shí)被釋放出來(lái)的，但是與光子不同的是他不會(huì)與其它的物質(zhì)作用，因此幾乎是立刻就由太陽(yáng)表面逃逸出來(lái)。多年來(lái)，測(cè)量來(lái)自太陽(yáng)的中微子數(shù)量都低于理論的數(shù)值，因而產(chǎn)生了太陽(yáng)中微子問(wèn)題，直到我們對(duì)中微子有了更多的認(rèn)識(shí)，才以中微子振蕩解開了這個(gè)謎題。

在非常接近太陽(yáng)中心的地區(qū)，溫度大約在15，000，000K，密度大約是150g/ml（大約十倍于金或鉛的密度）。當(dāng)由中心向太陽(yáng)表面移動(dòng)時(shí)，溫度和密度同時(shí)都會(huì)降低。核心邊緣的溫度只有中心的一半，約為7，000，000K，同時(shí)密度也降至大約20g/ml（與黃金的密度近似）。由于核反應(yīng)對(duì)溫度和密度非常敏感，核聚變?cè)诤诵牡倪吘墡缀跬耆Ｖ埂?

從 0.2至約 0.7 太陽(yáng)半徑，太陽(yáng)的物質(zhì)是熱且黏稠的，雖然仍然能夠?qū)彷椛湎蛲鈧鬏?，但是在這個(gè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有熱對(duì)流的運(yùn)動(dòng)，所以離中心距離越遠(yuǎn)的地方，溫度就會(huì)越低。這種溫度梯度低于絕熱下降率，所以不會(huì)造成物質(zhì)的流動(dòng)。熱能的傳輸全靠氫和氦的輻射-離子發(fā)射的光子，但只能傳遞很短的距離就會(huì)被其他的離子再吸收。

核心外緣的密度約為20g/ml，至輻射層頂?shù)拿芏葎t只有0.2g/ml，遠(yuǎn)小于地球上水的密度，在相同的距離中溫度亦從7，000，000K降至2，000，000K。

太陽(yáng)特征名稱圖從0.7太陽(yáng)半徑至可見的太陽(yáng)表面是對(duì)流層。此處的太陽(yáng)物質(zhì)不再是高熱與黏滯的，電子也開始被原子核束縛住，所以熱能由內(nèi)向外的傳遞不再依靠輻射，而是經(jīng)由熱對(duì)流產(chǎn)生熱柱，讓熱的物質(zhì)將能量攜帶至太陽(yáng)的表面。一旦表面溫度下降，這些物質(zhì)便會(huì)往下沉降，再回到對(duì)流層內(nèi)，甚至?xí)氐阶钌钐?，從輻射層的頂端再接收熱能。在輻射層頂與對(duì)流層底之間，被認(rèn)為還存在著對(duì)流超越區(qū)（Convective overshoot），由一些騷亂的湍流將能量由輻射層頂帶進(jìn)對(duì)流層底。

這幾年來(lái)，在更多的細(xì)節(jié)被發(fā)現(xiàn)后，這個(gè)薄層變得非常引人注意?，F(xiàn)在這一層也被認(rèn)為是產(chǎn)生太陽(yáng)磁場(chǎng)的磁發(fā)電機(jī)，流體在橫越這一層時(shí)流動(dòng)速度的改變，能夠擴(kuò)展磁場(chǎng)線的力量并且增強(qiáng)磁場(chǎng)，同時(shí)在經(jīng)過(guò)這一層之后，化學(xué)成分好像也突然改變了。

在對(duì)流層的熱柱會(huì)在太陽(yáng)的表面形成一種特征，也就是在觀測(cè)時(shí)看見的米粒組織和超米粒組織。在對(duì)流層內(nèi)，由內(nèi)部向外的小湍流，在向表面升起時(shí)，就像一部部“小規(guī)?！钡陌l(fā)電機(jī)，在太陽(yáng)表面各處引發(fā)小區(qū)域的磁南極和磁北極。

在對(duì)流層底部的溫度大約是2，000，000K，這已經(jīng)冷得足夠讓較重的離子(如碳、氮、氧、鈣和鐵)能捕捉住一些電子，使得物質(zhì)變得更不透明，因此輻射線變得更難以穿透。伴隨著輻射被阻擋的熱能，最后終將使流體被加熱然后沸騰，或說(shuō)是產(chǎn)生對(duì)流。對(duì)流運(yùn)動(dòng)能迅速的將熱量帶至表面，同時(shí)流體在上升的過(guò)程中膨脹和冷卻，到達(dá)可見的表面時(shí)，溫度已經(jīng)降至6，000K，密度則僅僅只有0.0000002g/cc（大約是海平面空氣密度的萬(wàn)分之一）。

光球是太陽(yáng)可以被肉眼看見的表面，厚度約為500公里，粒子數(shù)密度為1023/m3，大約是海平面附近地球大氣層密度的1%。光球以下的太陽(yáng)對(duì)可見光是不透明的，陽(yáng)光從光球向外傳播進(jìn)太空之中，并將能量也帶離了太陽(yáng)。透明度的變化歸因于密度與溫度的降低，使會(huì)吸收可見光的氫離子（H）減少。相反的，我們看見的可見光來(lái)自電子和氫原子（H）作用產(chǎn)生氫離子（H）的反應(yīng)。陽(yáng)光的光譜與來(lái)自6000K（10，340 °F / 5，727 °C）的黑體非常相似，只是多了一些在光球?qū)又?，薄薄的氣體層中的原子造成的吸收線。

在早期，研究太陽(yáng)的光學(xué)光譜時(shí)，有些譜線和地球上已知的化學(xué)元素不能吻合。在1868年，Norman Lockyer假設(shè)這些吸收線來(lái)自未知的新元素，并依據(jù)希臘神話中的太陽(yáng)神（Helios）命名為氦（Helium）。而直到25年后，才在地球上分離出氦元素。

太陽(yáng)在光球之上的部份總稱為大氣層，可以透過(guò)各種不同的電磁頻譜，從無(wú)線電經(jīng)過(guò)可見光到γ射線來(lái)觀察。太陽(yáng)的大氣層可以區(qū)分為五個(gè)部份，最底部是溫度最低的色球，往上是很薄的過(guò)渡區(qū)，然后是日冕，最外面是太陽(yáng)圈（heliosphere）。太陽(yáng)圈是太陽(yáng)大氣的最外層，密度非常稀薄，并且至少越過(guò)冥王星的軌道，在與星際物質(zhì)遭遇的邊界處稱為日鞘（heliopause），并形成激波前緣。色球、過(guò)渡區(qū)和日冕，溫度越來(lái)越高，確實(shí)的原因還不清楚，但一般認(rèn)為是原本被磁場(chǎng)束縛的能量在日冕中被釋放出來(lái)的原因。

太陽(yáng)對(duì)地球的能量循環(huán)太陽(yáng)上溫度最低的地區(qū)在光球之上約500公里處，溫度只有4，000K，在這種溫度下簡(jiǎn)單的分子，如一氧化碳和水都能夠存在，從吸收光譜中能夠檢測(cè)到它們的譜線。在溫度最低的區(qū)域之上就是厚度約2，000公里的色球，這個(gè)名詞源自希臘文的字根chroma，意思就是彩色。因?yàn)樵谌杖抽_始和結(jié)束之際，透過(guò)這一區(qū)的光譜會(huì)出現(xiàn)彩色的發(fā)射線。色球的溫度會(huì)隨著高度的上升而增加，在頂端的溫度可以達(dá)到100，000K。色球的粒子數(shù)密度為1017/m3。

在色球之上是過(guò)渡區(qū)，溫度從100，000K快速的增加到與日冕相同的1，000，000K的高溫。溫度的增加使得過(guò)渡區(qū)中的氦發(fā)生相變，完全被游離。過(guò)渡區(qū)沒(méi)有明確的高度界線，無(wú)疑的，這在色球上造成了一種被稱為針狀體（spicule）和色球暗條（filament），持續(xù)卻混亂的運(yùn)動(dòng)好似光輪運(yùn)轉(zhuǎn)不止。從地球上很難觀察到過(guò)渡區(qū)，但是在太空中使用對(duì)電磁頻譜的遠(yuǎn)紫外線靈敏的儀器，就可以觀察到了。

日冕是太陽(yáng)大氣層向外延伸的部分，和太陽(yáng)風(fēng)一起充滿了整個(gè)太陽(yáng)系和日球的空間。在最接近太陽(yáng)處的日冕底部，粒子數(shù)密度是1014/m3-1016/m3，延伸到地球軌道附近的日冕密度為1017/m3。日冕的溫度有數(shù)百萬(wàn)K，目前還沒(méi)有理論可以完整的說(shuō)明日冕的高溫，但可以確定有一部分是來(lái)自磁場(chǎng)重連。日冕的溫度雖然很高，但密度很低，因此所含的熱量很少。

從20 個(gè)太陽(yáng)半徑（0.1天文單位）往外一直到最外圍都是太陽(yáng)圈的范圍。他的內(nèi)側(cè)邊界是太陽(yáng)風(fēng)的速度超過(guò)阿耳芬波的位置，因?yàn)橛嵪⒅荒芤园⒍也ǖ乃俣葌鬟f，所以在這個(gè)界限之外的湍流和動(dòng)力學(xué)的力量不再能影響到內(nèi)部的日冕形狀。太陽(yáng)風(fēng)源源不斷的進(jìn)入太陽(yáng)圈之中并向外吹拂，使得太陽(yáng)的磁場(chǎng)形成螺旋狀的派克螺旋(Parker spirl)，直到50天文單位之外撞擊到日鞘為止。在2004年12月，航海家1號(hào)已穿越過(guò)被認(rèn)為是日鞘的激波前緣，兩艘航海家太空船在穿越邊界時(shí)都探測(cè)與記錄到能量超過(guò)一般微粒的高能粒子。

太陽(yáng)的生命周期目前太陽(yáng)所處的主序星階段，通過(guò)對(duì)恒星演化及宇宙年代學(xué)模型的計(jì)算機(jī)模擬，已經(jīng)歷了大約45.7億年。 據(jù)研究，45.9億年前一團(tuán)氫分子云的迅速坍縮形成了一顆第三代第一星族的金牛T星，即太陽(yáng)。這顆新生的恒星沿著距銀河系中心約27，000光年的近乎圓形軌道運(yùn)行。

太陽(yáng)在其主序星階段已經(jīng)到了中年期，在這個(gè)階段它核心內(nèi)部發(fā)生的恒星核合成反應(yīng)將氫聚變?yōu)楹?。在太?yáng)的核心，每秒能將超過(guò)400萬(wàn)噸物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量，生成中微子和太陽(yáng)幅射。以這個(gè)速度，太陽(yáng)至今已經(jīng)將大約100個(gè)地球質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了能量。太陽(yáng)作為主序星的時(shí)間大約持續(xù)100億年。 

太陽(yáng)的質(zhì)量不足以爆發(fā)為超新星。在50~60億年后，太陽(yáng)將轉(zhuǎn)變成紅巨星，當(dāng)其核心的氫耗盡導(dǎo)致核心收縮及溫度升高時(shí)，太陽(yáng)外層將會(huì)膨脹。當(dāng)其核心溫度升高到100，000，000 K時(shí)，將發(fā)生氦的聚變而產(chǎn)生碳，從而進(jìn)入漸近巨星分支。 

地球的最終命運(yùn)還不清楚。太陽(yáng)變成紅巨星時(shí)，其半徑可超過(guò)1天文單位，超出地球目前的軌道，是當(dāng)前太陽(yáng)半徑的260倍。然而，屆時(shí)作為漸近巨星分支恒星，太陽(yáng)將會(huì)由于恒星風(fēng)而失去當(dāng)前質(zhì)量的約30%，因而行星軌道將會(huì)外推。僅就此而言，地球也許會(huì)幸免被太陽(yáng)吞噬。然而，新的研究認(rèn)為地球還是會(huì)因?yàn)槌毕饔玫挠绊懚惶?yáng)吞掉。即使地球能逃脫被太陽(yáng)熔融的命運(yùn)，地球上的水將被蒸發(fā)而大氣層也會(huì)散逸。實(shí)際上，即使太陽(yáng)還是主序星時(shí)，它也會(huì)逐步變得更亮，表面溫度緩慢上升。太陽(yáng)溫度的上升將在9億年后導(dǎo)致地球表面溫度升高，造成目前我們所知的生命無(wú)法生存。其后再過(guò)10億年，地球表面的水將完全消失。 

 紅巨星階段之后，由熱產(chǎn)生的強(qiáng)烈脈動(dòng)會(huì)拋掉太陽(yáng)的外殼，形成行星狀星云。失去外殼后剩下的只有極為熾熱的恒星核，它將會(huì)成為白矮星，在漫長(zhǎng)的時(shí)間中慢慢冷卻和暗淡下去。這就是中低質(zhì)量恒星的典型演化過(guò)程。

有不少天文學(xué)家認(rèn)為，太陽(yáng)有一顆不大的伴星，并把它命名為“復(fù)仇女神星”。但這顆伴星的存在與否仍存在爭(zhēng)議。

太陽(yáng)對(duì)人類而言至關(guān)重要。地球大氣的循環(huán)，晝夜與四季的輪替，地球冷暖的變化都是太陽(yáng)作用的結(jié)果。對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)是唯一能夠觀測(cè)到表面細(xì)節(jié)的恒星。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)的研究，人類可以推斷宇宙中其他恒星的特性，人類對(duì)恒星的了解大部分都來(lái)自于太陽(yáng)。

人類對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)可以追溯到公元前2000年，在中國(guó)古代的典籍《尚書》中記載了發(fā)生在夏代的一次日食。中國(guó)古代漢字中用⊙代表太陽(yáng)，表明中國(guó)很早以前就已看到了太陽(yáng)黑子?！稘h書·五行志》中記載了人類最早的黑子記錄：“日出黃，有黑氣大如錢，居日中央?！惫?00年，希臘人曾經(jīng)看到過(guò)太陽(yáng)黑子，但在歐洲被遺忘，直到1605年伽利略通過(guò)望遠(yuǎn)鏡重新發(fā)現(xiàn)了它。

1239年，俄羅斯的編年史中曾提到過(guò)日珥，稱其為“火舌”，1842年在一次日食中重新發(fā)現(xiàn)了日珥。1843年，Schwabe發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)活動(dòng)的11年周期，1851年在一次日食中拍攝到了第一張日冕的照片。1859年人們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)耀斑。

英國(guó)物理學(xué)家牛頓使用三棱鏡將太陽(yáng)光分解為光譜，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光是由七種顏色的光混合而成的。英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾在太陽(yáng)光中發(fā)現(xiàn)了紅外線。1824年，夫瑯禾費(fèi)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的譜線，1868年又在太陽(yáng)光譜中發(fā)現(xiàn)了一種新的元素，取名為氦（helium，意為太陽(yáng)神），次年又發(fā)現(xiàn)了新的譜線，認(rèn)為是另外一種元素，定名為coronium，后證明這只是普通元素的高電離態(tài)譜線。

1908年，美國(guó)天文學(xué)家海耳發(fā)現(xiàn)黑子具有很強(qiáng)的磁場(chǎng)。1930年發(fā)明了日冕儀，使得隨時(shí)觀測(cè)日冕成為可能。1938年，漢斯·貝特提出了恒星內(nèi)部質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和碳氮氧循環(huán)兩種核反應(yīng)過(guò)程，闡明了太陽(yáng)的能源機(jī)制。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，空間天文的迅速發(fā)展大大促進(jìn)了太陽(yáng)的研究。1971年，OSO-7衛(wèi)星觀測(cè)到了日冕物質(zhì)拋射，1975年Deubner奠定了日震學(xué)的基礎(chǔ)。美國(guó)的天空實(shí)驗(yàn)室搭載的X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了太陽(yáng)的X射線輻射。1980年代SMM衛(wèi)星首次在硬X射線波段對(duì)耀斑進(jìn)行了成像。1990年，美國(guó)發(fā)射了尤里西斯號(hào)探測(cè)器觀測(cè)太陽(yáng)的極區(qū)。其他太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星還有美國(guó)1995年發(fā)射的SOHO衛(wèi)星、1998年發(fā)射的TRACE衛(wèi)星、2002年發(fā)射的RHESSI衛(wèi)星、2006年發(fā)射的STEREO衛(wèi)星，日本1991年發(fā)射的陽(yáng)光衛(wèi)星（Solar-A）、2006年發(fā)射的日出衛(wèi)星（Solar-B）等。

在希臘神話中，太陽(yáng)的保護(hù)神是阿波羅。 在中國(guó)神話傳說(shuō)中，太陽(yáng)是一種叫做“金烏”并有三條腿的鳥?！痘茨献印け窘?jīng)訓(xùn)》：“逮至堯之時(shí)，十日并出，焦禾稼，殺草木，而民無(wú)所食?！薄吨駮o(jì)年》亦載“八年，天有妖孽，十日并出”?！渡胶＝?jīng)·海外東經(jīng)》和《大荒南經(jīng)》、《楚辭·天問(wèn)》等亦載有此傳說(shuō)。 在北歐神話中，蘇爾是駕駛?cè)哲嚨呐瘛?/P>