太陽結構

太陽結構

太陽的中央為核心約位在0~0.25的太陽半徑。密度約為水的158倍;溫度約為15000000K在如此高溫高密度的環境下,可發生核聚變反應。太陽核心之外為太陽輻射層,約為在0.25~0.86太陽半徑。其底部密度約為水的20倍,溫度約為8000000k;其上部密度約為水的0.01倍,溫度約為500000 k。太陽內部從內至外為核心層、輻射層、對流層、光球層、色球層、日冕區。

太陽結構

天文學家把太陽結構分為內部結構和大氣結構兩大部分。太陽的內部結構由內到外可分為核心、輻射層、對流層3個部分,大氣結構由內到外可分為光球、色球、和日冕3層 。
核心
太陽的核心區域雖然很小,半徑只是太陽半徑的1/4,但卻是產生核聚變反應之處,是太陽的能源所在地。太陽核心的溫度極高,達1500萬℃,壓力也極大,使得由氫聚變為氦的熱核反應得以發生,從而釋放出極大的能量。太陽核心物質的密度約為150000kg/m3。核心區溫度和密度的分布都隨著與太陽中心距離的增加而迅速下降。

輻射層

從太陽內部0.25~0.71個太陽半徑區域稱為太陽的輻射層。在這個層中氣體溫度約為7×10^6K,密度約為15000kg/m3。按照體積而言,輻射層約占太陽體積的一半。太陽核心產生的能量,通過這個區域以輻射的方式向外傳輸。

對流層

對流區處於輻射區的外面,大約在0.71~1.0的太陽區域。溫度約為5×10^5K ,密度也降至150kg/m3。由於巨大的溫度差引起對流,內部的熱量以對流的形式在對流區向太陽表面傳輸。除了通過對流和輻射傳輸能量外,對流層的太陽大氣湍流還會產生低頻聲波擾動,這種聲波將機械能傳輸到太陽外層大氣,導致加熱和其他作用。

光球層

太陽光球就是我們平常所看到的太陽圓面,通常所說的太陽半徑也是指光球的半徑。光球的表面是氣態的,其平均密度只有水的幾億分之一,但由於它的厚度達500千米,所以光球是不透明的。光球層的大氣中存在著激烈的活動,用望遠鏡可以看到光球表面有許多密密麻麻的斑點狀結構,很象一顆顆米粒,稱之為米粒組織。它們極不穩定,一般持續時間僅為5~10分鐘,其溫度要比光球的平均溫度高出300~400℃。目前認為這種米粒組織是光球下面氣體的劇烈對流造成的現象。 光球表面另一種著名的活動現象便是太陽黑子。黑子是光球層上的巨大氣流鏇渦,大多呈現近橢圓形,在明亮的光球背景反襯下顯得比較暗黑,但實際上它們的溫度高達4000℃左右,倘若能把黑子單獨取出,一個大黑子便可以發出相當於滿月的光芒。日面上黑子出現的情況不斷變化,這種變化反映了太陽輻射能量的變化。太陽黑子的變化存在複雜的周期現象,平均活動周期為11.2年。

色球層

色球的某些區域有時會突然出現大而亮的斑塊。人們稱之為耀斑,又叫色球爆發。一個大耀斑可以在幾分鐘內發出相當於10億顆氫彈的能量。 
如果把太陽大氣層比作一座樓房,那么色球就是光球之上的二樓,也就是太陽大氣中的第二層。平時由於地球大氣把強烈的光球的光散射開,色球被淹沒在藍天之中,我們是看不到這一層的。只有在日全食的時候,才有機會直接飽覽它的姿彩.
太陽色球是充滿磁場的電漿層,厚度約2500 公里。色球層的溫度由4000K左右的極小值向上增加,到2000km左右時停留在4000~6000K之間,在此高度以上,溫度顯著增高,達到100000~1000000K之間。其溫度,在與光球層頂銜接的部分為4500℃,到外層達幾萬攝氏度,密度隨高度的增加而減小,整個色球層的結構不均勻,也沒有明顯的邊界。由於磁場的不穩定性,色球層經常產生爆發活動。

日冕層

日冕是太陽大氣的最外層,厚度達到幾百萬公里以上。日冕溫度有100萬攝氏度。在高溫下,氫、氦等原子已經被電離成帶正電的質子、氦原子核和帶負電的自由電子等。這些帶電粒子運動速度極快,以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛,射向太陽的外圍。形成太陽風。日冕發出的光比色球層的還要弱。日冕可人為地分為內冕、中冕和外冕3層。內冕從色球頂部延伸到1.3太陽半徑處;中冕從1.3太陽半逕到2.3 太陽半徑,也有人把2.3 太陽半徑以內統稱內冕。大於 2.3 太陽半徑處稱為外冕(以上距離均從日心算起)。廣義的日冕可包括地球軌道以內的範圍。

太陽的內部結構(日震學)

太陽核心所發生的核聚變反應,可能是氫-氫鏈反應,以及碳循環鏈反應。這些核聚變鏈反應可放出巨大內部能量(光子)以及為微中子。其中光子需經過約兩百萬年的時間,才能慢慢藉著碰撞與再輻射的方式穿過緻密的太陽輻射層穿到太陽表面,而微中子卻不會與太陽內部物質發生碰撞作用,因此可以自由的穿過太陽內部高密度區到達太陽表面。科學家們希望藉著測量到達地表的微中子數量,來確定理論上太陽內部核聚變反應方程式的正確性。然而到目前為止,測量到地表的微中子數量仍少於理論上所預測的數值。
值的一提的是,發生核聚變的反應是決定一個星球為恆星的必要條件。因為行星在生命初期,自己也會發光。巨大行星如木星,它目前所發生的能量,還是超過它所吸收的太陽能。以太陽為例,太陽就是繞著本銀河中心,鏇轉運行。而本銀河在宇宙中的位置也不斷改變。
註:因太陽表面磁力線重聯所導致日珥結構的崩潰,造成日冕噴發、磁雲、太陽閃焰與激震波的形成。研究此激震波的傳遞而發展出日震學,而探得太陽內部從內至外為核心層、輻射層、對流層、光球層、色球層、日冕區。

太陽內部的核聚變反應

太陽這個大球體的直徑是864,000哩,包含了33,500億億方哩的極高熱氣體,重量比10的27次方噸的兩倍還多。深藏在太陽內部的各種氣體密度、溫度和成份都已被推測出來,使天文物理學家可以弄清令這些氣體燃燒的核反應過程,以及太陽的形成年齡。
太陽核心是一切力量的中心和出發點。氫原子於2,700萬度高溫轉化為氦。以 g 射線形式釋放出的能,向太陽表面湧出,可達300,000哩的高空中。而太陽內部每秒鐘以六億五千七百萬噸之多的氫轉變為六億五千二百五十萬噸氦灰--放出能為E=mc^2 。根據太陽質量及核聚變反應速率,估計太陽的年齡至今已有49億年,如果太陽能保持住每秒鐘消耗不超過六億五千七百萬噸氫的話,還可已燃燒500億年,或更久一些。但不幸的是:從宇宙態的發展來看,在短期之內單是太陽核心中灰燼重量所引致的溫度上升,就會引發其它更複雜的核反應,而太陽就得開始消耗比現在所耗更多得多的燃料。大約在約五十億年內這加速程式將開始,太陽就開始膨脹。所以太陽燃燒氫而發光的壽命約為110億年(11 billion years)。

原始太陽系星雲的誕生

大約46億年前,銀河系的某個角落發生了超新星爆炸。這次爆炸的震波在星際星雲中傳送,導致不均勻更為嚴重。這么一來,星際雲便朝著密度較濃的部分收縮,開始在中心形成原始太陽。原始太陽周圍的氣體往原始太陽掉落,距離較遠的氣體則開始繞著原始太陽鏇轉,形成圓盤狀漩渦星雲,稱為原始太陽系星雲。
進入1980年代後期之後,紅外線天文衛星IRAS在一顆年輕星球「金牛座T型星」周圍實際發現了這種圓盤狀星雲,並藉由紅外線觀測到星球周圍的灰塵。1992年,又在金牛座T型星觀測到圓盤狀星雲的氣體所放出的電波,同時確定了這些氣體正在鏇轉。
星際雲中,1000分之一公釐的微塵約占總質量的1%。據推測,原始太陽系星雲在初期是處於激烈的亂流狀態,微塵和氣體攪和在一起。後來亂流漸漸平息,微塵互相合併成長,沉積在圓盤中心面。這段期間長達數千年之久。

微塵聚集成長為微行星

沉積於圓盤赤道面的微塵層後來發生分裂,形成無數顆微行星。地球軌道附近的微行星大小約數公里,質量約一千兆公斤。這些微行星藉著彼此尺的重力不斷碰撞、合併,而逐漸成長。微行星越大成長速度越快。
現今木星領域的外側,除了岩石物質以外,冰物質也在沉積,導致外側原始行星的質量比內側的原始行星大。質量一但超過現今地球的十倍,便會不斷大量吸收周圍原始太陽系星雲的物質。等到總質量達到現今木星的程度,便會反過來排斥附近的星際雲,再也不會把物質吸進來。於是大氣的吸取到此為止,木星於焉誕生。木星的大氣含有大量的氫和氦,正是原始太陽系星雲氣體的主要成分。

太陽系的形成與木星的影響

成長為巨大行星的木星,對周遭的原始太陽系星雲發生潮汐力的作用。由於這個作用,位於木星內側的星雲物質往太陽靠攏,位於木星外側的星雲物質則往太陽系外飛散。另一方面,比土星更遠的行星還需要一段很長的時間才能形成,但在還沒有吸取到足夠的氣體前星雲就飛散了,所以愈靠外側的行星大氣愈稀薄。
類地行星因質量太小無法吸取星雲的氣體,所以它的組成幾乎保留微行星的原始狀態,成為金屬/岩石質的行星。太陽系星雲在木星形成後逐漸飛散,造成今日太陽系的形貌。

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