太阳

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美国宇航局公布的一张太阳照片,它看上去就像一个熊熊燃烧的火球。照片显示太阳几乎是完美的球体,在漆黑的茫茫太空中发出强烈的橙红色光芒
太阳结构,来源:SOHO图片
304埃的氦-2 照片中显示的巨大喷发状日珥。图中加入一个地球的图像以便于对比尺寸。这个出现于1999 年7月24日的日珥特别巨大而且卷曲,从太阳向外伸展了35个地球的距离还多。日珥可以持续两到三个月,一直延伸到太阳表面以上5万公里或者更高的地方。到达了太阳表面之上的这个高度以后,它们可以做从几分钟到几小时不等的喷发,将大量物质以每秒1,000公里的速度穿过日冕向外抛射到太空中去。这种喷发被称为日冕物质抛射。SOHO合作组织供图

  太阳汉语拼音:Taiyang;英语:Sun),太阳系的中心天体。太阳系的八大行星和其他天体都围绕它运动。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。它一方面与旋臂中的恒星一起绕银心运动,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19.7千米的本动。

  太阳目前正在穿越银河系内部边缘猎户臂的本地泡区中的本星际云。在距离地球17光年的距离内有50颗最邻近的恒星系(最接近的一颗是红矮星,被称为比邻星,距太阳大约4.2光年),太阳的质量在这些恒星中排在第四。太阳在距离银河中心24,000至26,000光年的距离上绕着银河公转,从银河北极鸟瞰,太阳沿顺时针轨道运行,大约2.25亿至2.5亿年绕行一周。由于银河系在宇宙微波背景辐射(CMB)中以550公里/秒的速度朝向长蛇座的方向运动,这两个速度合成之后,太阳相对于CMB的速度是370公里/秒,朝向巨爵座狮子座的方向运动。

  地球围绕太阳公转的轨道是椭圆形的,每年1月离太阳最近(称为近日点),7月最远(称为远日点),平均距离是1.496亿公里(天文学上称这个距离为1天文单位)。以平均距离算,光从太阳到地球大约需要经过8分19秒。太阳光中的能量通过光合作用等方式支持着地球上所有生物的生长,也支配了地球的气候天气人类从史前时代就一直认为太阳对地球有巨大影响,有许多文化将太阳当成神来崇拜。 对太阳的正确科学认识进展得很慢,直到19世纪初期,杰出的科学家才对太阳的物质组成和能量来源有了一点认识。直至今日,人类对太阳的理解一直在不断进展中,还有大量有关太阳活动机制方面的未解之谜等待着人们来破解。

基本资料

  观测资料
    与地球平均距离 1.496×108 km 以约光速8分19秒
    视星等(V) −26.74
    绝对星等 4.83
    光谱类型 G2V
    金属量 Z = 0.0122
    角直径 31.6′ – 32.7′

  轨道特性
    与银河系核心平均距离 ~2.5×1017 km 26000光年
    银河的周期 (2.25–2.50)×108 a
    速度 ~220 km/s (环绕银河系中心的轨道)
       ~20 km/s(相对于在星际间邻近恒星的平均速度)
       ~370 km/s(相对于宇宙微波背景)

  物理特性     平均直径 1.392×106 km  109 × 地球
    赤道半径 6.955×105 km  109 × 地球
    赤道圆周 4.379×106 km  109 × 地球
    扁率   9×10−6
    表面积  6.0877×1012 km2  11,990 × 地球
    体积   1.412×1018  1,300,000 × 地球
    质量   1.9891×1030 kg  333,000 × 地球
    平均密度 1.408×103 kg/m3
    密度
     中心(模型):1.622×105 kg/m3
     光球底部:2×10−4 kg/m3
     色球底部:5×10−6 kg/m3
     日冕(平均):1×10−12 kg/m3
    赤道表面重力 274.0 m/s2  27.94 g  28 × 地球
    逃逸速度(从表面) 617.7 km/s  55 × 地球
    温度
     中心(模型):~1.57×107 K
     光球(有效):5,778 K
     日冕: ~5×106 K
    光度(L太阳) 3.846×1026 W
           ~3.75×1028 lm
           ~98 lm/W 发光功效
    平均强度(I太阳) 2.009×107 W•m−2•sr−1

  自转特性
    倾角 7.25°(对黄道)  67.23°(对银河平面)
    赤经(北极) 286.13°  (19h 4min 30s)
    赤纬(北极) +63.87°  (63°52' North)
    恒星自转周期
     在赤道 25.05天
     在纬度16° 25.38天  25d 9h 7min 12s
     在极区 34.4天
    自转速度(在赤道) 7.189×103 km/h

  光球的组成(依质量)
    氢 73.46%  氦 24.85%  氧 0.77%  碳 0.29%  铁 0.16% 
    氖 0.12%   氮 0.09%   硅 0.07%  镁 0.05%  硫 0.04%

总体构造

  由太阳光谱研究推算太阳表面温度约为6,000K,而结合理论推算的太阳中心温度高达16×106K,在这样的高温条件下,所有物质都已气化,因此太阳实质上是一团炽热的高温气体球。通过观测和理论推算表明,整个太阳球体大致可分为几个物理性质很不相同的层次。除了中心区氢因燃烧损耗较多外,其他各层次在化学组成上无明显差别。

  从太阳中心至大约0.25太阳半径的区域称为日核,是太阳的产能区。日核中日以继夜地进行着四个氢原子聚变成一个氦原子的热核反应,反应中损失的质量变成了能量,主要为γ射线光子和少量中微子。约从0.25至0.75太阳半径的区域称为太阳中层。来自日核的γ射线光子通过这一层时不断与物质相互作用,即物质吸收波长较短的光子后再发射出波长较长的光子。虽然光子的波长不断变长,但总的能量无损失地向外传播。区域的温度由底部的8×106K下降到顶部的5×105K;密度由10-2克/厘米3下降到4×10-7克/厘米3。从0.75太阳半径至太阳表面附近是太阳对流层,其中存在着热气团上升和冷气团下降的对流运动。产生对流的主要原因是温度随高度变化引起氢原子的电离和复合。

  对流层上方是一个很薄然而非常重要的气层,称光球层或光球。当用肉眼观察太阳时,看到的明亮日轮就是太阳光球。光球的厚度不过500千米,但却发射出远比其他气层强烈的可见光辐射。太阳在可见光波段的辐射几乎全部是由光球层发射出去的。因此当用肉眼观察太阳时,它就非常醒目地呈现在面前,这就是把它称为光球的原因。太阳半径和太阳表面都是按光球外边界来定义的。光球外面是较厚和外缘参差不齐的气层,称色球层或色球,其厚度在2,000~7,000千米之间。高度在1,500千米以下的色球比较均匀,1,500千米以上则由所谓针状体构成。色球的密度从底部向上迅速下降,但其温度却从底部的几千度随高度迅速增加了近3个量级。色球上面是一个更稀薄但温度更高而且延伸范围更大的气层,称为日冕。日冕的温度高达百万度。日冕的形状很不规则,而且无明显界限。实际上距日心几个太阳半径以外的日冕物质是向外膨胀的,形成所谓太阳风,可延伸到太阳系边缘。

  太阳光球、色球和日冕合称太阳大气,可通过观测它们的辐射特征,并结合理论分析来推测它们的物理构造。日核、中层和对流层则合称太阳内部或太阳本体,它们的辐射被太阳本身吸收,因而不能直接观测到它们,其物理构造主要依靠理论推测。

核心

  太阳的核心是指距离太阳的中心不超过太阳半径的五分之一或四分之一的区域,核心内部的物质密度高达150 克/立方厘米,大约是水密度的150倍,温度接近1,360万K。相较之下,太阳表面的温度大约只有5,800K。根据太阳和太阳风层探测器任务最近的资料分析,太阳核心的自转速率比辐射带等其它区域要快。太阳形成后的大部分的时间里,核聚变的能量是经过一系列被称为质子-质子链反应的过程产生的;这个过程将氢变成氦,只有少于2%的氦是经由碳氮氧循环产生的。

  核心是太阳内唯一能经由核聚变产生大量热能的区域,99%的能量产生在太阳半径的24%以内,而在30%半径处,聚变反应几乎完全停止。太阳的外层只是被从核心传出的能量加热。在核心经由核聚变产生的能量首先需穿过由内到外接连的多层区域,才能到达光球层,然后化为光波或粒子的动能,散逸到外层的宇宙空间去。

  太阳核心每秒大约进行着9.2×1037次质子-质子链反应。这个反应是将4个自由的质子(氢原子核)融合成氦原子核(α粒子),每秒大约有3.7×1038个质子成为α粒子(太阳拥有的自由质子大约有8.9×1056个),相当于大约每秒6.2×1011千克。每次氢原子核聚合成氦时,大约会有0.7%的质量转化成能量。因此,太阳的质能转换速率为每秒钟426万吨(质量转变为辐射能的形式离开,参考质能等效性),释放出384.6 佑瓦特(3.846×1026W)的能量,这相当于每秒钟产生919.2×1010 万吨TNT炸药爆炸的能量。

  太阳核心的核聚变功率随着与太阳中心的距离增大而减小,理论模型估计,在太阳的中心,核聚变的功率密度大约是76.5 瓦/每立方米。是成年人平均单位体积消耗功率的1/10倍。太阳的巨大功率输出不是由于其能量输出密度高,而是因为它规模巨大。

  太阳核心的核聚变是在自我修正下达到平衡:速率只要略微提升,就会造成核心的温度上升,压强增大,更能抵抗外围物质的压力,因此核心会膨胀,从而降低核聚变速率,修正之前核聚变速率增加所造成的扰动;而如果反应速率稍微下降,就会导致温度略微下降,压强降低,从而核心会收缩,使核聚变的速率又再提高,回复到它之前的水平。

  核聚变产生的γ射线(高能量的光子流)从太阳核心释放出来后,只要经过几微米就会被太阳中的等离子体吸收,然后再以较低的能量随机地辐射向各个方向。因此,在不断反复的吸收和再辐射中,光子流要经过漫长的时间才能到达太阳表面。估计每个光子抵达太阳表面需要10,000年至170,000年的时间。

  在穿过对流带,进入透明的光球表面时,光子就以可见光的型态散逸。每一股γ射线在核心产生的在逃逸入太空之前,都已经转化成数百万个可见光频率的光子。核心的核聚变时也释放出中微子,但是与光子不同的是它很难与其它的物质相互作用,因此几乎是立刻就从太阳表面逃逸出去。多年来,测量到来自太阳的中微子数量都只有理论数值的三分之一,因而产生了太阳中微子问题。这个差异直到2001年发现中微子振荡才获得解决:太阳发出的中微子数量一如理论的预测,但是中微子探测器侦测到的少了2⁄3,这是因为在被侦测时中微子改变了它们的味。

辐射带

  从大约0.25至0.7太阳半径处,太阳物质是热且稠密的,只以热辐射就将将核心的炙热充分的向外转移。在这个区域内没有热对流;同时随着与中心距离的增加,温度也从7,000,000K降至2,000,000K,这种温度梯度小于绝热下降率,因此不会造成对流。能量的传输依赖辐射——氢和氦的离子发射的光子,但每个光子被其它的离子再吸收之前,只能传递很短的距离。从辐射带的底部至顶端的密度下降达到百倍(从20公克/立方厘米降至只有0.2公克/立方厘米)。

  辐射带和对流带之间形成的一个过渡层叫差旋层(tachocline)。它是均匀旋转的辐射带和较差自转的对流带之间有着急遽转变工作状态的区域,结果造成巨大的切变——当接连的平面层滑过另一个时的条件。在上面的对流带发现的流体运动,从这一层的顶端至底部慢慢的消失,与辐射带顶段平静的特征相匹配。目前这还是一个假说,在这一层内的磁发电机产生太阳的磁场。

对流带

  太阳的外层,从它的表面向下至大约200,000公里(或是70%的太阳半径),太阳的等离子体已经不够稠密或不够热,不再能经由传导作用有效的将内部的热向外传送;换言之,它已经不够透明了。结果是,当热柱携带热物质前往表面(光球),产生了热对流。一旦这些物质在表面变冷,它会向下切入对流带的底部,再从辐射带的顶部获得更多的热量。在可见的太阳表面,温度已经降至5,700K,而且密度也只有0.2公克/立方米(大约是海平面密度的六千分之一)。

  在对流带的热柱形成在太阳表面上非常重要的,像是米粒组织和超米粒组织。在对流带的湍流会在太阳内部的外围部分造成“小尺度”的发电机,这会在太阳表面的各处产生磁南极和磁北极。太阳的热柱是贝纳得穴流,因此往往像六角型的棱镜。

光球

  太阳可见的表面,光球,在这一层下面的太阳对可见光是不透明,在光球之上可见光可以自由的传播到太空之中,而它的能量可以完全从太阳带走。透明度的变化是因为会吸收可见光的 H−离子数量减少。相反的,我们看见的可见光是电子与氢再作用产生H−离子时产生的。 光球的厚度只有数十至数百公里的厚度,只是略比球的空气不透明了些。因为光球上半部分的温度比下半部的低,因此太阳盘面的影像会呈现中央比周围的边缘或周边明亮的现像,这一种现象称为周边昏暗。阳光有着近似于黑体的光谱,穿插着数千条来自光球之上稀薄的原子吸收线,指示其温度大约是6,000K。光球的粒子密度大约是1023−3(大约是地球大气层在海平面粒子密度的0.37%,但是光球中的粒子是电子和质子,所以空气的平均质量只是58倍)。

  在研究光球可见光谱的早期,发现有些吸收谱线不能符合地球上任何已知的化学元素。在1868年,诺曼·洛克假设这些吸收谱线是一种新元素造成的,他以希腊的太阳神为依据,将之命名为氦,而在25年之后才在地球上分离出氦元素。

大气层

  太阳光球以上的部分统称为太阳大气层,跨过整个电磁频谱,从无线电、可见光到伽马射线,都可以观察它们,分为5个主要的部分:温度极小区、色球、过渡区、日冕、和太阳圈。太阳圈,可能是太阳大气层最稀薄的外缘,并且延伸到冥王星轨道之外与星际物质交界,交界处称为日鞘,并且在那儿形成剪切的激波前缘。色球、过渡区、和日冕的温度都比太阳表面高,原因还没有获得证实,但证据指向阿尔文波可能携带了足够的能量将日冕加热。

温度极小区

  太阳上温度最低的地区称为温度极小区,大约在光球上方500 公里,温度大约是4,100 K。这一部分的温度低到可以维持简单的分子,像是一氧化碳和水,并且可以从检出它们的吸收谱线。

色球

  在温度极小区之上是一层大约2,000公里厚,主导著谱线的吸收和发射。因为在日全食的开始和结束时可以看见彩色的闪光,因此称为色球,名字来自希腊的字根chroma,意思就是颜色。色球层的温度随着高度从底部逐步向上提升,接近顶端的温度大约在20,000K。在色球的上层部分,氦开始被部分的电离。

过渡区

  在色球之上,是一层薄至大约只有200公里的过渡区,温度从色球顶端大约200,000K上升至接阶近1,000,000K的日冕温度。温度的上升使氦在过渡区很容易就被完全的电离,这可以大量减少等离子体的辐射冷却。过渡区没有明确的出现高度,它形成一种环绕着色球的光轮,外型很像针状体和暗条,并处于持续不断的浑沌运动。从地球表面很难看到过渡区,但在太空中使用对电磁频谱的超紫外线灵敏的仪气很容易观察到。

日冕

日全食,于短暂的全食阶段可以用肉眼看见太阳的日冕

  日冕是太阳向外扩展的大气层,它的体积比太阳本身大了许多。不断扩展的日冕在太空中形成太阳风,充满了整个的太阳系。日冕的低层非常靠近太阳的表面,粒子的密度环绕在 1015–1016−3,日冕和太阳风的平均温度大约是1,000,000–2,000,000 K;而在最高温度的区域是8,000,000–20,000,000 K。日冕的温度虽然很高,但密度很低,因此所含的热量很少。虽然还没有完整的理论可以说明日冕的温度,但至少已经知道有一部分热是来自磁重联。

太阳圈

  太阳圈,从大约20太阳半径(0.1天文单位)到太阳系的边缘,这一大片环绕着太阳的空间充满了伴随太阳风离开太阳的等离子体。他的内侧边界是太阳风成为超阿耳芬波的那层位置-流体的速度超过阿耳芬波。因为讯息只能以阿耳芬波的速度传递,所以在这个界限之外的湍流和动力学的力量不再能影响到内部的日冕形状。太阳风源源不断的进入太阳圈之中并向外吹拂,使得太阳的磁场形成螺旋的形状,直到在距离太阳超过50天文单位之外撞击到日鞘为止。在2004年12月,航海家1号已穿越过被认为是日鞘部分的激波前缘。两艘航海家太空船在穿越边界时都侦测与记录到能量超过一般微粒的高能粒子。

磁场

  太阳是磁力活跃的恒星,它支撑一个强大、年复一年在变化的磁场,并且大约每11年环绕着太阳极大期反转它的方向。太阳磁场会导致很多影响,称为太阳活动,包括在太阳表面的太阳黑子、太阳耀斑、和携带着物质穿越太阳系且不断变化的太阳风。太阳活动对地球的影响包括在高纬度的极光,和扰乱无线电通讯和电力。太阳活动被认为在太阳系的形成和演化扮演了很重要的角色。

  太阳因为高温的缘故,所有的物质都是气体和等离子体,这使得太阳的转速可能在赤道(大约25天)较快,而不是高纬度(在两极约为35天)。太阳因纬度不同的较差自转造成它的磁场线随着时间而纠缠在一起,造成磁场圈,从太阳表面喷发出来,并触发太阳形成系距性的太阳黑子和日珥。随着太阳每11年反转它本身的磁场,这种纠缠创造了太阳发电机和11年的太阳磁场活动太阳周期。

  太阳磁场朝太阳本体外更远处延伸,磁化的太阳风等离子体携带着太阳的磁场进入太空,形成所谓的行星际磁场。由于等离子体只能沿着磁场线移动,离开太阳的行星际磁场起初是沿着径向伸展的。因位在太阳赤道上方和下方离开太阳的磁场具有不同的极性,因此在太阳的赤道平面存在着一层薄薄的电流层,称为太阳圈电流片。太阳的自转使得远距离的磁场和电流片旋转成像是阿基米德螺旋结构,称为派克螺旋。行星际磁场的强度远比太阳的偶极性磁场强大。太阳50-400μT的磁偶极 (在光球) 随着距离的三次方衰减,在地球的距离上只有0.1 nT。然而,依据太空船的观测,在地球附近的行星际磁场视这个数值的100倍,大约是5nT。

化学构造

  组成太阳的化学元素主要是氢和氦,以质量计算它们在太阳光球中分别占74.9%和23.8%。所有的重元素,在天文学中称为 金属 ,只占不到总质量的2%,含量最丰富的是氧(大约占太阳质量的1%)、碳(0.3%)、氖 (0.2%)、和铁(0.2%)[69]。

  太阳继承了形成它的星际物质中的化学成分:在太阳中的氢和氦来自太初核合成,金属是由前一代恒星经由恒星核合成产生的,并在太阳诞生之前完成恒星演化将产物返回星际介质中的。光球的化学成分通常被认为是与原始太阳系的组成相当。然而,自从太阳形成,氦和重元素已经迁移出光球,因此现在光球中只有微量的氦,并且重元素也只有原始太阳的84%,而原恒星的太阳71.1%是氢,27.4%是氦,1.5%是金属[68]。

  在太阳内部的部分,核聚变将氢转化成氦已经修改了组成,所以太阳的最内层大约有60% 是氦,金属的丰度则没有改变。因为内部是辐射带,没有对流,没有核聚变的产物从核心上升进入光球。

  前面所述的太阳重元素丰度通常都是使用分光术测量太阳表面的光球,和测量陨石中没有被加热温度熔化的丰度。这些陨石被认为保留了恒星太阳的组成,因此没有受到重元素的污染。这两种方法的结果是一致的。

个别电离的铁族元素

  在1970年代,许多的研究聚焦在太阳铁族元素的丰度。虽然进行了一些重大的研究,但是直到1978年发现超精细结构之前,对铁族元素(例如:钴和锰)的丰度测定仍很困难。

  基本上,在1960年代就已经完成对铁族元素振子强度的第一次完整测量,并且在1976年改进了振子强度的计算。在1978年,得到了个别电离的铁族元素丰度。

太阳和行星的质量分化的关系

  许多的作者都曾考虑过惰性气体和同位素在太阳和行星之间的组成存在的质量分化,例如行星的氖和氙与同位素在行星和太阳之间的相关性。然而,至少在1983年,仍然普遍的认为整个太阳的成分如同大气层的组成。

  在1983年,才宣称太阳本身的分化是造成行星和太阳风植入惰性气体之间的分化关系。

活动现象

  太阳基本上是一颗球对称的稳定恒星。然而大量观测表明,太阳在稳定和均匀地向四面八方发出辐射的同时,它的大气中的一些局部区域,有时还会发生一些存在时间比较较短暂的“事件”。如在太阳光球中,可观测到许多比周围背景明显暗黑的斑点状小区域(称为太阳黑子)和比背景明亮的浮云状小区域(称为光斑);色球中也可经常观测到比周围明亮的大片区域(称为谱斑)和突出于太阳边缘之外的奇形怪状的太阳火焰(称为日珥);日冕中也可观测到许多明显的不均匀结构。特别是在色球和日冕的大气层中,偶尔还会发生表明有巨大能量释放的太阳爆发现象(称为耀斑)。上述现象不仅存在的时间比较短暂和不断变化,而且往往集中在太阳黑子附近的太阳大气的局部区域(这些局部区域称为太阳活动区)。同时,这些现象发生的过程中,尤其是发生太阳耀斑期间,从这些区域发射出增强的电磁波辐射和高能粒子流,特别是在X射线、紫外线和射电波段出现非常强的附加辐射,以及能量范围在103~109电子伏的带电粒子流(主要为质子和电子)。通常把太阳上所有这些在时间和空间上的局部化现象,及其所表现出的各种辐射增强,统称为太阳活动。与此对应,把不包含这些现象的理想太阳,即时间上稳定、空间上球对称和均匀辐射的太阳,称为宁静太阳。

  宁静太阳的物理性质在空间上只随日心距变化,在同一半径的球层中物理性质是相同的;在时间上几乎是不变的,其变化时标为太阳演化时标,即大于107年。这样就可把真实的太阳看作是以宁静太阳为主体并附加有太阳活动现象的实体。换句话说,可把宁静太阳看作是真实太阳的基本框架,而把太阳活动看作是对宁静太阳的扰动。

  太阳活动现象中,一次耀斑过程的持续时间只有几分钟至几小时,一个活动区的寿命约为几天至几个月。同时,整个太阳大气中所发生的太阳活动现象的多寡,还表现出平均长度约为11年的周期(称为太阳活动周),也可能存在更长的周期。因此太阳活动的时标可认为从几分钟至几十年。太阳活动区本质上是太阳大气中的局部强磁场区,而各种活动现象则是磁场与太阳等离子体物质的相互作用结果。

  应当指出,太阳活动所涉及的能量大小与整个太阳的总辐射能相比,仍然是微不足道的,如一次大耀斑释放的能量估计为4×1025焦,若其持续时间为1小时,则其辐射功率为1022焦/秒,与太阳的总辐射功率3.845×1026焦/秒相比是可忽略的。因此存在太阳活动现象丝毫无损于把太阳视为一颗稳定的恒星。大功率的稳定的辐射加上小功率的周期性的太阳活动,这就是现阶段太阳的主要特征。

各种辐射

  广义的太阳辐射包括向外发射的电磁波、太阳风、中微子、偶发性高能粒子流,以及声波、重力波和磁流波。其中电磁波辐射来自太阳大气。太阳风就是从日冕区连续外发射的等离子体,主要是质子和电子。太阳中微子是由日核中的核反应产生的,它们几乎不与太阳物质相互作用,而是直接从太阳内部向外逃逸。偶发性高能粒子流是当太阳大气中发生耀斑、爆发日珥和日冕物质抛射等剧烈太阳活动现象时产生的,这些粒子流不一定是等离子体,往往是质子或电子占优势。声波、重力波和磁流波主要是由太阳对流层中猛烈的气团运动激发并与磁场耦合产生的。太阳在上述各种形式的能流中,电磁波的能流远远超过其他形式的能流。如太阳风的发射功率约比电磁波小6个数量级,其他能流就小得更多。这样从能量的角度看来,电磁波以外的其他能流是可忽略的。因此若无特殊说明,通常都把太阳辐射理解为太阳电磁波辐射。

  太阳电磁波辐射的波长范围从γ射线、X射线、远紫外、紫外、可见光、红外,直到射电波段。但由于地球大气的吸收,能够到达地面的太阳辐射只有可见光区、红外区的一些透明窗口和射电波段。太阳的紫外、远紫外、X射线和γ射线只能进行高空探测。

  太阳电磁波辐射的主要功率集中在可见光区和红外区,分别占太阳总辐射能量的41%和52%。极大辐射强度对应的波长为495纳米,在黄绿光区。紫外线所占的能量比重仅为7%。而太阳无线电波段以及远紫外、X射线和γ射线所占的能量比重是可忽略的。粗略地说,太阳紫外线、可见光和红外波段的辐射是由光球发射的,而远紫外、X射线、γ射线和射电波段则来自太阳高层大气(色球和日冕)。

形成和演化

  太阳的演化途径主要取决于它的能源变化。太阳是一颗典型的主序星,关于主序星的产生及其演化过程,天文学家已作了大量研究,并已得到比较一致的看法。根据这些研究结果,太阳的一生大体上可分为五个阶段。

  1. 主序星前阶段 包括太阳在内的所有主序星都是由密度稀薄而体积庞大的原始星云演变来的。当星云的质量足够大时,在自身的引力作用下,星云中的气体物质将向星云的质量中心下落,其宏观表现就是星云收缩。这个过程的实质就是物质的位能变成动能。结果是星云中心区的密度和温度逐渐增大,并最终使其达到氢原子核聚变所需的密度和温度,这样便发生氢变成氦的核反应,它所释放的辐射压力与引力平衡,使星云不再收缩,形成为一颗恒星。这个阶段经历的时间大约只需3,000万年。
  2. 主序星阶段 以氢燃烧为能源,标志着太阳进入主序星阶段。由于太阳的氢含量很大,能源非常稳定,从而太阳的状态也非常稳定。因此这个阶段相当于太阳的青壮年时期。太阳已经在这个阶段经历了46亿年,这就是太阳的年龄(主序星前的3,000万年可忽略)。根据理论推算,太阳还将在这个阶段稳定地“生活”34亿年,然后进入动荡的晚年时期。
  3. 红巨星阶段 日核中的氢耗尽之后,包围日核的气体壳层里面的氢开始燃烧,壳层上面的气体温度上升,结果使太阳大规模膨胀。由于太阳光度的增大不如表面积增大快,单位表面积的发射功率下降,辐射波长移向红区,使太阳变成了一颗巨大的暗红恒星,即红巨星。太阳在红巨星阶段经历的时间大约是4亿年。
  4. 氦燃烧阶段 当太阳中心氢耗尽并变成原子量较大的氦之后,中心部分又开始收缩,密度和温度继续增大。当温度达到108K时,氦核开始聚变燃烧。与此同时,外面氢烧燃层的半径继续增大,但燃烧层的厚度却不断减少。中心氦和壳层氢耗尽后,接着就是壳层氦燃烧。太阳的氦耗尽之后,还可能经历几个更重元素的燃烧期。不过由于其他元素含量很少,这些时期均非常短暂。整个氦燃烧阶段的时间也只有5,000万年,其他元素的燃烧时间则更短。
  5. 白矮星阶段 当太阳的主要燃料氢和氦耗尽之后,体积进一步缩小,它的半径可缩小到只有目前太阳半径的1%,而密度大约是现在的100万倍。这时太阳的光度只有目前太阳的1%~1‰,成为一颗很小的高密度暗弱恒星,即白矮星。太阳在白矮星阶段大约经历50亿年之后,它的剩余热量也扩散干净,终于变成一颗不发光的恒星——黑矮星。

  根据理论推测的太阳演化过程中不同阶段的基本特征,如红巨星和白矮星等,均能在众多的恒星世界中找到实例,因此通常认为这种推测是可信的。

在银河系中的位置和运动

  太阳位于银河系内侧边缘的猎户臂,在本星际云或古尔德带,距离银河中心7,500-8,500秒差距(25,000-28,000光年)的假设距离,包含在太空中的一个稀薄高温气体,可能是由一颗超新星残骸杰敏卡γ射线源的本地泡。本地臂和外侧的下一个旋臂,英仙臂,的距离大约是6,500光年。太阳,和进而的太阳系,被发现是在科学家所谓的星系适居带。太阳奔赴点的方向,或是太阳向点,是太阳相对于邻近恒星,穿越银河系空间的运动方向。太阳在银河系中的运动方向大约是朝向天琴座的织女星,与银河中心在天空中分离的角度大约是60度。

  太阳绕银河的轨道大致上是如预期椭圆形,但还要加上受到银河系的旋臂和质量分布不均匀的扰动。此外,太阳相对于银河平面上下的摆动大约是每一周期2.7次;这非常像是一种没有受到阻尼的简谐振荡。有人提出太阳经过高密度螺旋臂的时间与地球上大灭绝的时刻屡屡不谋而合,或许是因为碰撞事件增加了。它大约花2亿2500万至2亿5000万年完整的绕行银河一周(一个银河年),所以在太阳过去的生命期中大概已经完整的绕行银河20至25次了。太阳相对于银河中心的轨道速度大约是250公里/秒。以这样的速度,太阳系大约1,190年可以旅行一光年的距离,或是7天移动1天文单位。

  太阳相对于太阳系质心的运动受到来自行星的摄动是复杂的。每隔数百年变换一次顺行和逆行。

太阳周期

太阳黑子和太阳黑子周期

每11年为一周的太阳活动周期。图中显示了极紫外成像望远镜(EIT)选择195埃(绿色)波长的照片和用迈克尔逊多普勒成像仪(MDI)拍摄的磁力图(灰色)。在此周期中,太阳先是经历了一段活跃时期(太阳极大期),接着是一段平静时期(太阳极小期)。对比EIT和MDI图像可以很清楚地看出太阳活动水平的上升

  当使用适当的过滤观察太阳时,通常最能立刻看见的特征就是太阳黑子,因为那是温度较低而明确出现比周围黑暗的区域。太阳黑子是强磁场的区域,对流受到强量磁场的抑制,减少了从高热的内部传送到表面的能量。磁场造成大量的热进入日冕,形成的活动区是激烈的太阳耀斑和日冕物质抛射的来源。最大的太阳黑子有数万公里的直径。

  在太阳上可以看见的太阳黑子数量并不是固定的,它以11的周期变化,形成所知的太阳周期。当太阳黑子周期进展时,太阳黑子的数量会增加,并且初系的位置也逐渐接近太阳的赤道,史波勒定律就是描述这种现象。太阳黑子通常都以磁性相异的形式成对出现,每一个太阳周期的前导黑子磁性会交替的改变,所以当一个太阳周期是磁北极前导,下一个太阳周期就是磁南极前导。

  因为太阳的光度与磁场活动有直接的关系,太阳周期不仅对太空天气有很大的影响,对地球的气候也有重大的影响。太阳活动极小往往和低温连系再一起,而超过平均长度的周期则与高温相关联。在17世纪,太阳周期似乎完全停止了数十年,在这段期间只观测到少数几个太阳黑子。那个时代称为蒙德极小期或小冰期,欧洲经历了很冷的温度。分析树木的年轮发现更早的一些极小期,并且也显现出与全球的温度低于平均温度的期间相符合。

可能的长周期

  最近有理论宣称在太阳核心的磁性不稳定导致周期为41,000年或100,000年的变异。这可以对冰河期和米兰科维奇循环提供更好的解释。

生命周期

太阳的生命循环,未依照大小的比例绘制

  太阳是在大约45.7亿年前在一个坍缩的氢分子云内形成。太阳形成的时间以两种方法测量:太阳目前在主序带上的年龄,使用恒星演化和太初核合成的电脑模型确认,大约就是45.7亿年。这与放射性定年法得到的太阳最古老的物质是45.67亿年非常的吻合。 太阳在其主序的演化阶段已经到了中年期,在这个阶段的核聚变是在核心将氢聚变成氦。每秒中有超过400万吨的物质在太阳的核心转化成能量,产生中微子和太阳辐射。以这个速率,到目前为止,太阳大约转化了100个地球质量的物质成为能量,太阳在主序带上耗费的时间总共大约为100亿年。

  太阳没有足够的质量爆发成为超新星,替代的是,在约50亿年后它将进入红巨星的阶段,氦核心为抵抗引力而收缩,同时变热;紧挨核心的氢包层因温度上升而加速聚变,结果产生的热量持续增加,传导到外层,使其向外膨胀。当核心的温度达到1亿K时,氦聚变将开始进行并燃烧生成碳。由于此时的氦核心已经相当于一个小型“白矮星”(电子简并态),热失控的氦聚变将导致氦闪,释放的巨大能量使太阳核心大幅度膨胀,解除了电子简并态,然后核心剩余的氦进行稳定的聚变。从外部看,太阳将如新星般突然增亮5~10个星等(相比于此前的“红巨星”阶段),接着体积大幅度缩小,变得比原先的红巨星暗淡得多(但仍将比现在的太阳亮),直到核心的碳逐步累积,再次进入核心收缩、外层膨胀阶段。这就是渐近巨星分支阶段。

  地球的命运是不确定的,当太阳成为红巨星时,太阳的半径将膨胀超越地球现在的轨道——1 AU (1.5×1011 m),是现在的250倍。然而,当太阳成为渐近巨星分支的恒星时,由于恒星风的作用,它大约已经流失30%的质量,所以地球的轨道会向外移动。如果只是这样,地球或许可以幸免,但新的研究认为地球可能会因为潮汐的相互作用而被太阳吞噬掉。但即使地球能逃推被太阳焚毁的命运,地球上的水仍然都会沸腾,大部分的气体都会逃逸入太空。即使太阳仍在主序带的现阶段,太阳的光度仍然在缓慢的增加(每10亿年约增加10%),表面的温度也缓缓的提升。太阳过去的光度比较暗淡,这可能是生命在10亿年前才出现在陆地上的原因。太阳的温度若依照这样的速率增加,在未来的10亿年,地球可能会变得太热,使水不再能以液态存在于地球表面,而使地球上所有的生物趋于灭绝。

  继红巨星阶段之后,激烈的热脉动将导致太阳外层的气体逃逸,形成行星状星云。在外层被剥离后,唯一留存下来的就是恒星炙热的核心——白矮星,并在数十亿年中逐渐冷却和黯淡。这是低质量与中质量恒星演化的典型。