太陽是如何運作的

2020-11-24 冬哥譜科

太陽使我們的星球變暖,為我們提供光線,對地球上所有的生命都至關重要。

你最後一次仰望並驚嘆於太陽這股神秘的、賦予生命的力量是什麼時候?

盯著太陽會讓你失明的,所以你可能並沒有做太多的盯著太陽的事情。

但這是一個真正的奇蹟:太陽每天都在溫暖我們的星球,提供我們用來看東西的光線,這對地球上的生命是必要的。

它的球體內可以容納130萬個地球。

它每秒產生高達1萬億噸炸彈的能量。

所有這些,按照普遍的標準,我們的太陽只是一顆普通的普通恆星。

它是如何燃燒的?是什麼讓這些氣體不會洩漏到太空中呢?為什麼太陽會發出太陽耀斑呢?太陽會停止燃燒嗎?

在這篇文章中,我們將研究離我們最近的恆星的迷人世界。

太陽已經「燃燒」了45億多年。

它收集了大量的氣體,主要是氫和氦。

因為它的質量如此之大,所以它有巨大的引力,足以將所有的氫和氦保持在一起,並將所有的行星都保持在圍繞太陽的軌道上。

我們說太陽會燃燒,但它不會像木頭一樣燃燒。

相反,太陽是一個巨大的核反應堆。

太陽是一顆星星,就像我們晚上看到的其他星星一樣。不同之處在於距離——我們看到的其他恆星距離我們需要用光年,而我們的太陽距離我們只有8光分鐘。

根據太陽的溫度和它發出的光的波長或光譜,太陽被正式歸類為G2型恆星。外面有很多G2,而地球上的太陽僅僅是圍繞銀河系中心運行的數十億顆恆星之一,這些恆星由相同的物質和成分組成。

太陽是由氣體組成的。它沒有固體表面。然而,它仍然有一個明確的結構。太陽的三個主要結構區域如圖的上半部分所示。它們包括:

核心——太陽的中心,佔其半徑的25%。

輻射區——圍繞核心的部分,佔其半徑的45%。

對流區——太陽的最外層環,佔其半徑的30%。

太陽表面上方是大氣層,由三部分組成,如圖1下半部分所示:

光球層——太陽大氣最裡面的部分,也是我們唯一能看到的部分。

色球——光球和日冕之間的區域;比光球熱。

日冕——最外層的極熱層,從色球向外延伸幾百萬英裡。

太陽的所有主要特徵都可以用產生能量的核反應、氣體運動產生的磁場和巨大的引力來解釋。

太陽的內部:核心

2003年10月28日,太陽黑子486爆發了一次強烈的太陽耀斑

核心從中心開始,向外延伸,覆蓋太陽半徑的25%。

它的溫度超過1500萬開爾文。

在核心,重力將所有的物質向內拉,並產生強烈的壓力。

壓力高到足以迫使氫原子在核聚變反應中聚集在一起--這是我們在地球上試圖效仿的。

兩個氫原子結合在一起,分幾步產生氦-4和能量:

兩個質子結合形成一個氘原子(氫原子有一個中子和一個質子)、一個正電子(類似電子,但帶正電荷)和一個中微子。

質子和氘原子結合形成氦-3原子(兩個質子加一個中子)和伽馬射線。

兩個氦-3原子結合形成一個氦-4原子(兩個質子和兩個中子)和兩個質子。

這些反應佔太陽能量的85%。

剩下的15%來自以下反應:

一個氦-3原子和一個氦-4原子結合形成鈹-7(四個質子和三個中子)和伽馬射線。

鈹-7原子捕獲一個電子,變成鋰-7原子(三個質子和四個中子)和一個中微子。

鋰-7與質子結合形成兩個氦-4原子。

氦-4原子的質量比啟動這一過程的兩個氫原子小,因此按照愛因斯坦的相對論(E=MC)的描述,質量差被轉換為能量。

能量以各種形式的光發射:紫外線、X射線、可見光、紅外線、微波和無線電波。

太陽還釋放出構成太陽風的帶電粒子(中微子、質子)。

這種能量衝擊地球,在那裡它使地球變暖,驅動我們的天氣,並為生命提供能量。

我們沒有受到大部分輻射或太陽風的傷害,因為地球的大氣層保護著我們。

太陽內部:輻射區和對流區

在覆蓋了核心之後,是時候在太陽的結構中向外延伸了。

接下來是輻射區和對流區。

輻射區從核心向外延伸,佔太陽半徑的45%。

在這個區域,核心的能量被光子或光單位帶向外。

當產生一個光子時,它在被氣體分子吸收之前傳播大約1微米(百萬分之一米)。

氣體分子一旦被吸收,就會被加熱,並重新發射出另一個相同波長的光子。

重新發射的光子在被另一個氣體分子吸收之前經過另一個微米,循環重複;光子和氣體分子之間的每一次相互作用都需要時間。

在光子到達表面之前,這個區域大約會發生1025次吸收和再發射,因此在核心產生的光子和到達表面的光子之間有很大的時間延遲。

對流區是太陽半徑的最後30%,由將能量向外帶到表面的對流所主導。

這些對流是熱氣體的上升運動,緊接著是冷卻氣體的下降運動,看起來就像是沸騰的水壺裡的閃閃發光的東西。

對流電流攜帶光子到表面的速度比發生在核心區和輻射區的輻射傳輸速度更快。

由於在輻射區和對流區的光子和氣體分子之間發生了如此多的相互作用,一個光子大約需要10萬到20萬年的時間才能到達表面。

太陽事實

與地球的平均距離:9300萬英裡(1.5億公裡)。

半徑:41.8萬英裡(69.6萬公裡)。

質量:1.99 x 1030千克(33萬地球質量)。

組成(以質量計):74%的氫,25%的氦,1%的其他元素。

平均溫度:5800開爾文(表面),1550萬開爾文(核心)。

平均密度:每立方米1.41克。

體積:1.4x1027立方米。

輪換周期:25天(中)至35天(極)。

距銀河系中心的距離:25000光年。

軌道速度/周期:138英裡每秒/2億年

太陽的大氣層。

我們終於到了地表。

接下來我們來追蹤大氣層。

就像地球一樣,太陽以擁有大氣層而自豪。

然而,太陽是由光球、色球和日冕組成的。

光球層是太陽大氣層中最低的區域,也是我們可以看到的區域。

「太陽表面」通常指的是光球層,至少在普通術語中是這樣。

它有300-400公裡寬,平均溫度為5800開爾文。

它看起來像顆粒狀或泡狀的,很像一鍋沸騰的水的表面。

凸起是下面對流單體的上表面;每個顆粒可以有1000公裡寬。

當我們穿過光球層時,溫度會下降,氣體因為溫度較低,不會釋放出那麼多光能。

這使得它們對人眼來說不那麼不透明。因此,光球層的外緣看起來很暗,這種被稱為「肢體變暗」的效果解釋了太陽表面清晰而清脆的邊緣。

色球在光球層上方延伸約2000公裡。

整個色球的溫度從4500開爾文上升到大約10000開爾文。

色球被認為是由下面光球內的對流加熱的。

當氣體在光球中攪動時,它們會產生衝擊波,加熱周圍的氣體,並將其以數百萬種稱為針狀物的微小熱氣刺穿色球。

每個針狀體都上升到光球層上方約5000公裡處,並且只持續幾分鐘。

針狀體也可能沿著太陽的磁力線運動,這是由太陽內部氣體的運動形成的。

日冕是太陽的最後一層,從其他球體向外延伸數百萬英裡或千米。

它可以在日食期間和太陽的X射線圖像中看得最清楚。

日冕的平均溫度是200萬開爾文。

雖然沒有人確定日冕為什麼這麼熱,但人們認為這是由太陽的磁力造成的。

日冕有亮區(熱)和暗區,稱為日冕洞。

日冕洞相對較冷,被認為是太陽風粒子逃逸的區域。

通過望遠鏡圖像,我們可以看到太陽上的幾個有趣的特徵,這些特徵可以在地球上產生影響。

讓我們來看看其中的三個:太陽黑子、日珥和太陽耀斑。

被稱為太陽黑子的黑暗、涼爽的區域出現在光球層上。

太陽黑子總是成對出現,是穿透表面的強磁場(大約是地球磁場的5000倍)。

磁場線通過一個太陽黑子離開,然後從另一個黑子重新進入。

場是由太陽內部氣體的運動引起的。

太陽黑子活動是被稱為太陽周期的11年周期的一部分,在這個周期中有最大和最小活動的周期。

目前尚不清楚是什麼原因造成了這個11年的周期,但提出了兩個假設:

太陽不均勻的自轉會扭曲內部的磁力線。

扭曲的場線穿過表面形成太陽黑子對。

最終,場線分裂,太陽黑子活動減少。

循環又開始了。

巨大的氣體管道在高緯度環繞太陽內部,並開始向赤道移動。

當它們互相滾動時,就會形成斑點。

當它們到達赤道時,它們分裂,太陽黑子減少。

偶爾,來自色球的氣體雲會升起,並沿著太陽黑子對的磁力線定向。

這些氣體拱門被稱為日珥。

日珥可以持續兩到三個月,可以在太陽表面上方延伸5萬公裡或更多。

當達到這個高度時,它們可以噴發幾分鐘到幾個小時,並以每秒每秒1000公裡的速度將大量物質穿過日冕向外噴射到太空中;這些噴發被稱為日冕物質拋射。

有時在複雜的太陽黑子群中,會發生突然而猛烈的太陽爆炸。

這些被稱為太陽耀斑。

太陽耀斑被認為是由太陽磁場集中區域的磁場突然變化引起的。

它們伴隨著氣體、電子、可見光、紫外光和X射線的釋放。

當這種輻射和這些粒子到達地球磁場時,它們在兩極與之相互作用,產生極光(北極光和南極光)。

太陽耀斑還可能擾亂通信、衛星、導航系統,甚至電網。

大氣中的電離粒子會在電力線上感應電流,引起電湧。

這些電湧會使電網過載並導致停電。

所有這些活動都需要能源,而能源供應有限。

最終,太陽將耗盡燃料。

太陽的命運。

當我們的太陽變成紅巨星時,它的半徑將是現在的100倍。

行星狀星雲是類太陽恆星的遺骸,它們已經到達了紅巨星階段的盡頭。

太陽已經照耀了大約45億年。

太陽的大小是核聚變釋放的能量所產生的向外壓力和重力向內引力之間的平衡。

在其45億年的生命中,太陽的半徑增加了大約6%。

它有足夠的氫燃料「燃燒」約100億年,這意味著它還有50億年多一點的時間,在此期間它將繼續以同樣的速度膨脹。

當堆芯耗盡氫燃料時,它會在重力的作用下收縮,但上層會發生一些氫聚變。

當核心收縮時,它會升溫,這會加熱上層,導致它們膨脹。

隨著外層的擴大,太陽的半徑將會增加,它將變成一顆紅巨星,一顆年長的恆星。

紅巨星太陽的半徑將是現在的100倍,正好位於地球軌道之外,因此地球將墜入紅巨星太陽的核心並被蒸發。

在此之後的某個時刻,地核將變得足夠熱,使氦熔合成碳。

當氦燃料耗盡時,堆芯將膨脹並冷卻。

上層將膨脹並彈出材料。

最後,核心會冷卻成一顆白矮星。

最終,它將進一步冷卻成一顆幾乎看不見的黑矮星。

整個過程需要幾十億年的時間。

因此,在接下來的數十億年裡,人類是安全的--至少就太陽的存在而言是這樣。

其他的失敗誰也說不準。

作者:Julia Layton&Craig Freudrich,Ph.D

冬哥譜科編譯整理

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