仰望天空,看那為我們帶來光和熱的太陽,有怎樣的成分與結構?

2020-12-05 天文在線

從地球上看,太陽就像一個光滑的光球。在伽利略發現太陽黑子之前,天文學家甚至認為它是一個完美無缺的球體。然而,通過改進後的儀器和數個世紀的研究,我們知道太陽與我們太陽系的行星很相似。

除了表面的不完美,太陽還由好幾層組成,每一層都有自己的用途。正是太陽的這種結構為這個巨大的引擎提供動力,為行星提供它們所接收到的光和熱。在地球上,它為所有生命形式提供了繁榮和生存所需的能量。

成分:

如果你把太陽拆開,把它的各種元素堆起來,你會發現太陽是由氫(74%)和氦(24%)組成的。天文學家認為任何比氦重的東西都是金屬,太陽的剩餘部分由鐵、鎳、氧、矽、硫、鎂、碳、氖、鈣和鉻組成。事實上,太陽只有1%的氧,其餘的一切都來自最後的1%。

這些元素從何而來?氫和氦來自大爆炸,在宇宙的早期,第一種元素氫是由基本粒子形成的。壓力和溫度仍然如此之高,以至於整個宇宙都具有與恆星內核相同的條件。

氫聚變成氦,直到宇宙冷卻到不再發生這種反應。我們今天在宇宙中看到的氫和氦的比例是在大爆炸後的最初幾分鐘產生的,其他元素是在其他恆星中產生的,恆星的內核不斷地將氫聚變成氦。

一旦內核中的氫耗盡,它們就會轉而融合越來越重的元素,比如氦、鋰、氧。我們在太陽中看到的大多數較重的金屬都是在其他恆星生命末期形成的,最重的元素,如金和鈾,是在比太陽大很多倍的恆星在超新星爆炸中爆炸時形成的。

在不到一秒鐘的時間裡,隨著黑洞的形成,各種元素在高溫和高壓下被擠壓在一起,形成了最重的元素。爆炸將這些元素分散在該地區,它們可能有助於新恆星的形成。

我們的太陽是由大爆炸遺留下來的元素、垂死恆星形成的元素、超新星產生的元素組成的,這太令人驚奇了。

結構:

雖然太陽基本上只是一個由氫和氦組成的球,但它實際上分成了不同的層。太陽層的形成是因為溫度和壓力會隨著向太陽中心移動而增加,氫和氦在變化的條件下表現不同。

核心:讓我們從太陽最內層,即太陽的核心開始。這是太陽的中心,那裡的溫度和壓力非常高,可以發生聚變,太陽把氫和氦原子結合起來,這個反應釋放出我們在地球上看到的光和熱。內核的密度是水密度的150倍,溫度達到1360萬開爾文。

天文學家認為,太陽的核心從中心向外延伸到大約0.2太陽半徑。在這個區域內,溫度和壓力是如此之高,以至於氫原子被撕裂成獨立的質子、中子和電子。有了這些自由漂浮的粒子,太陽就能把它們重新組成氦原子。

這個反應是放熱的,這意味著這個反應每秒釋放出大量的熱量——3.89×〖10〗^33爾格(即3.89×〖10〗^26焦耳)的能量,所有這些來自太陽核心的能量的光壓阻止了它向內坍縮。

輻射層:太陽的輻射層從太陽核心的邊緣(0.2太陽半徑)開始,一直延伸到約0.7半徑。在輻射層內,太陽物質的溫度和密度足夠高,以至於熱輻射能穿過太陽將核心的熱量向外轉移。

太陽的核心是核聚變反應發生的地方——質子融合在一起形成氦原子。這個反應產生大量的伽馬射線,這些能量光子被輻射層中的各種粒子發射、吸收,然後再發射。

光子所經過的路徑被稱為「隨機遊動」,它們不是沿著筆直的光束行進,而是沿著曲折的方向行進,最終到達太陽表面。事實上,一個光子需要20萬年以上才能穿過太陽的輻射層。

圖解:太陽內部輻射帶與對流帶的對比圖

當光子從一個粒子轉移到另一個粒子時,它們會失去能量,這是一件好事,因為我們不希望只有伽馬射線從太陽中射出。一旦這些光子到達太空,它們只需8分鐘就能到達地球。

大多數恆星都有輻射層,但它們的大小取決於恆星的大小,小恆星有更小的輻射層,而對流層將佔據恆星內部更大的部分。最小的恆星可能根本沒有輻射層,對流層一直延伸到核心。最大的恆星也許會有相反的情況,輻射區會一直延伸到表面。

對流層:在輻射區外是另一層,稱為對流層,在那裡太陽內部的熱量由熱氣柱攜帶。大多數恆星都有對流層,以太陽為例,它從太陽半徑的70%左右開始,到達外表面(光球層)。

恆星內部深處的氣體被加熱,然後上升,就像熔巖燈中的蠟球,當氣體到達表面時,它會失去一部分熱量,冷卻下來,然後下沉到中心去吸收更多的熱量,另一個相似的例子是爐子上的一壺開水。

太陽表面看起來是顆粒狀的,這些顆粒是將熱量帶到表面的熱氣柱,它們的直徑可以超過1000公裡,通常在消散前能持續8到20分鐘。天文學家認為,低質量恆星,如紅矮星,有一個對流層一直延伸到核心,與太陽不同,它們根本沒有輻射層。

光球層:我們從地球上看到的太陽層叫做光球層,在光球層之下,太陽對可見光變得不透明,天文學家不得不使用其他方法來探測它的內部。光球的溫度大約是6000開爾文,發出我們看到的黃白色光。

在光球層之上是太陽的大氣層,也許其中最引人注目的是日冕,它在日全食時是可見的。

圖解:圖中顯示了太陽各層的模型以及每一層的大致裡程範圍(圖片來源:NASA)

圖表:

下面是一個關於太陽的表,最初是NASA為了教育目的而開發的。

可見光,紅外線和紫外線——我們看到的來自太陽的光是可見光,但是如果你閉上眼睛只去感受溫暖,那就是紅外線,或者紅外輻射,能夠讓你曬傷的光是紫外線(UV)輻射。太陽同時產生所有這些波長。

光球6000 K ——光球是太陽的表面,在這個區域,來自內部的光最終到達太空,這裡的溫度是6000 K,也就是5700攝氏度。

圖解:太陽的有效溫度或黑體溫度(5777K)是一個相同大小的黑體,在產生完全輻射的功率時所對應的溫度。

射電輻射——除了可見光、紅外線和紫外線,太陽也會發出射電輻射,這可以通過射電望遠鏡探測到。這些輻射的上升和下降取決於太陽表面太陽黑子的數量。

冕洞——日冕較冷、較暗、等離子體密度較低的太陽區域。

2100000度——太陽輻射層的溫度。

對流層/湍動對流——這是太陽核心熱量通過對流傳遞的區域,熱的等離子體柱以柱的形式上升到表面,釋放它們的熱量,然後回落到表面再次升溫。

冕環——這是太陽大氣中的等離子體環,它遵循磁通量線,它們看起來像大拱門,從太陽表面一直延伸數十萬公裡。

圖解:日全食,於短暫的全食階段可以用肉眼看見太陽的日冕。

核心——太陽的核心,那裡的溫度和壓力高到足以發生核聚變反應,所有來自太陽的能量都起源於核心。

14500000 K——太陽核心的溫度。

輻射層——太陽的能量只能通過輻射傳遞的區域,一個光子需要20萬年才能從核心穿過輻射層,到達表面並進入太空。

中微子——中微子幾乎是沒有質量的粒子,作為聚變反應的一部分從太陽中噴發出來。每秒有數以百萬計的中微子穿過你的身體,但它們不會相互作用,所以你感覺不到它們。

色球耀斑——太陽的磁場會扭曲,然後突然變成另一種形態,當這種情況發生時,可能會有強大的X射線耀斑從太陽表面發射出來。

圖解:這張影像是使用日出衛星的光學望遠鏡在2007年1月12日拍攝的,顯示出因為磁場極性的不同自然的等離子體連接成纖維的區域。

磁場環——太陽的磁場延伸到它的表面以上,它可以被看到是因為大氣中的熱等離子體沿著磁場線運動。

黑子——太陽黑子,這些是太陽表面上被磁場線穿透的區域,它們的溫度比周圍的區域要相對低一點。

日珥——在太陽表面上延伸的明亮特徵,通常呈環狀。

高能粒子——可能有高能粒子從太陽表面爆炸產生太陽風,在太陽風暴中,高能質子可以被加速到接近光速。

X射線——除了我們能看到的波長,還有來自太陽的不可見的X射線,尤其是在耀斑期間。地球的大氣層能保護我們免受這種輻射。

亮點和短暫的磁區——由於溫度的變化,太陽表面有許多亮點和暗點,溫度隨磁場的不斷變化而變化。

是的,太陽就像一個洋蔥,剝開一層你就會發現更多。但在本例中,每個層負責一個不同的功能,他們所帶來的是一個巨大的熔爐和光源,使我們地球上的生物擁有溫暖和光明!

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.universetoday- Tycho

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