§20-2  太阳和它的九大行星

一、太阳的结构和活动

1. 太阳的质量和有效温度

利用万有引力定律和地球绕日运行的周期以及其他一些关系可以求得太阳的质量和半径,它们分别为

MS = 1.989´1030  kg   和   RS = 6.9599´10m.

直接测量得到太阳射入地球大气层外的能流密度为

I = 1.36´10W×m-2 ,

由此可以算出太阳的光度为

                   LS = 4p r2I = 3.83´1026  W.

式中r是地球到太阳的距离,为1 AU 。根据斯特藩-玻耳兹曼定律,太阳的光度与其有效温度Te有下面的关系

                        LS = 4p RS2 sTe 4 ,

于是可以求得太阳的有效温度为

                          Te  = 5800 K .

2. 太阳的内部结构和“中微子失踪案”

太阳内部从里向外可分为三个区,即核反应区、辐射区和对流区。对流区的外边是太阳的大气层。

核反应区是从太阳的中心到0.25 RS的范围,这个区域的体积只占太阳总体积的1/64,但质量却占太阳总质量的一半以上。这里是高温、高压和高致密区,温度高达1.5´107 ~2.0´107 K,压强为2.5´1011 atm,物质密度约为1.5´105 kg×m-3 。在这个区域内正在进行着激烈的热核反应,将氢聚变为氦从而释放出巨大的能量。一般认为,在太阳的核反应区内进行着两种核反应,一种是质子-质子循环,一种是碳-氮循环。这两种循环的总效果都是将四个氢核合成一个氦核,并释放出26.72 MeV的能量,即

         .          (20-1)

反应过程中的碳、氮和氘等核只起触媒作用,并且太阳的能量主要是由第一种循环反应提供的。   

核反应区之外是辐射区,范围是从0.25 RS至0.86 RS ,核反应区产生的能量和粒子通过这个区域向外传输。这个区域物质的温度和密度分别为7.0´106 K和1.5´104 kg×m-3

辐射区的外面是对流区,范围是从0.86 RS至太阳大气层的底部(也就是光球的底部)。这个区域的温度和密度分别下降为5.0´105 K和1.5´102 kg×m-3。巨大的温差引起物质的强烈对流,将热能传向太阳的表面。

在太阳的核反应区内进行的热核反应中,由四个质子合成一个氦核,总伴随着两个中微子释放出来,这可以从式(20-1)清楚地看出。对反应释放出来的中微子的探测,是了解太阳内部氢聚变反应和太阳表面以下信息的最好工具。二十多年来,科学家们采用了不同的探测器,在地球的不同地点来探测这种中微子。但是,根据探测结果推得的实测值只是理论值的1/4到1/3,太阳内部所产生的其余的大部分中微子到哪里去了?是关于太阳的模型不正确,还是现代的粒子物理理论有缺陷?这就是多年来一直使人们困惑不解的“中微子失踪案”。

最近,安装在日本池野山深处的巨大超级探测器发现,高能中微子在飞行过程中发生了衰变,这有力地支撑了中微子是有质量的。这就是说,太阳内部产生的中微子,有相当一部分在到达探测器之前就已经衰变了。这一发现有望说明太阳内部产生的中微子的理论值与实测计数之间的矛盾,揭开“中微子失踪案”的秘密。

3. 太阳的大气层

太阳大气层可分为三层,从里向外依次是光球层、色球层和日冕层。

光球层在对流区之外,厚度约为500 km。光球层内物质的平均有效温度为5780 K,并且由里向外温度逐渐降低,达到与色球层的交界处,温度降至4600 K。地球所获得的太阳光能和太阳热能就来自光球。大家平日所说的太阳的大小,就是指太阳的光球的大小,也就是从太阳的中心到光球层的外边缘的大小。

在光球上的暗斑,就是太阳黑子,是强磁场区,磁感应强度约为0.35 ~ 0.45 T,而温度却比周围低,约为4500 K。黑子周围的光亮部分叫做光斑,温度比黑子高100 K。黑子和光斑都具有11年的活动周期。

对光球的观测发现,光球上表现出明显的不均匀团块,称为米粒组织,团块的典型尺度在103 km。对米粒组织的中间和上部的观测表明,那里的气体在作准周期性的上下振荡,可以推断这种振荡是一种驻波。对这种振荡现象的研究,目前正迅速发展,并取得了引人注目的成就,是当代太阳物理中的前沿领域。

从太阳光球光谱分析可以断定,太阳大气中包含90多种化学元素,其中主要的有:氢(71%)、氦(27%)、氧(0.97%)、碳(0.40%)、氮(0.096%)、氖(0.058%)、硅(0.099%)、硫(0.040%)、铁(0.14%)、镁(0.076%)和钙(0.009%)等。太阳光球光谱还可以提供许多重要的天体物理信息,如太阳的自转速度、太阳的磁场以及太阳的活动机制等。

光球外面的大气层是色球层。色球层的厚度约为1500 km,在这个范围内物质的各物理特性和物理过程有很大差异,如温度随高度的增大而升高,色球层的底部温度为4600 K,中部为8000 K,到色球层的顶部温度达到50000 K。色球层发射的可见光很弱,平时都被光球发出的强光所掩盖,只有在日全食时或者借助于色球望远镜才可以观测。观测发现,太阳的色球好像是燃烧的草原,其中有许多挺拔的针状物。色球上还有彩色的谱斑和日珥,有时还会观测到耀斑。谱斑是大块较亮的或较暗的区域。日珥是太阳表面喷出的炽热气体流,上升高度可达7´105 km,有的又落回色球层,有的则长期悬浮在色球层之上的日冕中。所谓耀斑,就是在色球高层大气中发生的能量爆发现象,在很短的时间(100 ~ 1000 s)内,释放出很高的能量(1023 ~ 1025 J)。它常出现在太阳黑子的上空。

色球层之外是厚度约为8500 km的过渡区,过渡区再向外就是日冕层。日冕是太阳大气的最外层,分内冕和外冕两层,两层的交界处在1.3 RS ,外冕层的范围向外延伸到与行星空间相接。

光度很低的银色日冕可以在日全食时看到,而平时只能借助于日冕仪观测。日冕的温度很高,达4.0´106 K。在日冕层中,有些区域的辐射和温度都比周围低,特别是远紫外辐射和X射线辐射都异常低,甚至没有,这些区域称为冕洞。冕洞的总面积占日面总面积的1/5。

日冕经常会发生大规模的、强烈的物质喷射现象,这就是日冕物质抛射。在日冕层中的物质由于温度很高,都以等离子态的形式存在,当带电粒子被某种力加速到超过日面的逃逸速度时,就会脱离太阳而被抛向行星际空间,被抛射的等离子体流在行星际空间强劲吹拂并引起扰动,成为太阳风的重要组成部分。太阳风一直吹拂到整个太阳系的大约100 AU的行星际空间。观测发现:来自不同区域的太阳风速度是有差异的,来自冕洞附近的太阳风速度最高,可达9.0´102 km×s-1,冕洞被认为是太阳风的风源;冕洞以外的区域,随日面纬度的升高,太阳风速度从4.0´10km×s-1递增到5.0´10km×s-1;太阳赤道面的太阳风比太阳南北两极上空的太阳风强烈。

上面所说的黑子、谱斑、日珥、耀斑和日冕活动,虽然不处于太阳大气的同一个层次内,但是它们却是互相联系的太阳活动现象,并且都与太阳磁场密不可分,更确切地说,太阳磁场的存在对太阳的这些活动起了决定性的作用,太阳活动现象本质上是磁活动现象。太阳大气的各种物理状态、运动和演化都受到太阳磁场的牵制和支配,特别是这些活动的能量均来自太阳磁场。此外,太阳磁场对太阳大气结构、磁湍流结构、日冕加热以及色球反常等都起着关键性作用。

日面的磁场非常复杂,在复杂的情形中找出一些规律,归结如下:

(1) 既有遍及各处的较弱磁场,也有活动区的较强磁场,并且往往表现出多个磁极纵横交错的情形;

(2) 黑子是强磁场区域,而黑子一般都是成对出现的,磁场的极性是按这个黑子在一对黑子中是“前导的” (沿太阳自转的方向,处在前面的) 还是“后随的” (沿太阳自转的方向,处在后面的) 来决定。对于日面的同一半球来说,前导黑子都具有相同的极性,后随黑子都具有另一种极性;而对于另一半球来说,前导黑子的极性与后随黑子的极性调换。

(3) 在每一半球中,黑子极性的上述分布随太阳黑子11年周期的更替而改变符号。所以太阳是一颗准周期性磁变星,周期约为22年。

4.太阳活动对地球环境的影响

太阳活动进入活动峰年期间,太阳黑子相对数增加,耀斑爆发频繁,日冕物质抛射加剧,太阳的紫外线辐射和X射线辐射也都急剧增强,同时伴随大量高能带电粒子进入地球的大气层。地球环境会相应发生显著变化。

(1) 引起地球电离层的电离度及其他物理特性的变化,从而导致无线电信号衰减、频率漂移、或振幅和相位改变,严重影响通信和导航;

(2) 太阳风产生的激波以及它本身携带的物质和磁场,不仅改变了地球环境和地磁场,同时也使绕地球赤道的高空环电流增强,这些都会严重干扰和破坏卫星及空间探测器的正常运作,甚至威胁宇航员的生命安全;

(3) 臭氧层吸取和阻挡了来自太阳的99%紫外线,保护着人类和其他生命,而臭氧层的密度和厚度的分布易受太阳活动的影响,当臭氧层的密度和厚度的分布改变时,将引起大气环流的变化,从而使天气和气候出现多方面的异常现象;

(4) 对大量资料的统计分析发现,地震活动的强震组合周期约为22年,某些地区地震纬度的迁移也有较明显的22年周期,这些都与太阳黑子极性变化周期22年相近,或者说与太阳黑子的活动有一定的对应关系。统计分析还发现,地震常与地磁暴相伴,而地磁暴与太阳活动是密切相关的。这些事实似乎在告诉大家:太阳活动可能通过电磁过程在影响着地球。

       
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