【基礎天文No.2】太陽系之太陽

基礎系例說明：

第一期：

基礎天文之——太陽

太陽或日是位於太陽系中心的恆星，它幾乎是熱等離子體與磁場交織著的一個理想球體。其直徑大約是1,392,000（1.392×106）公裡，相當於地球直徑的109倍；質量大約是2×1030千克（地球的330,000倍），約佔太陽系總質量的99.86%。 從化學組成來看，太陽質量的大約四分之三是氫，剩下的幾乎都是氦，包括氧、碳、氖、鐵和其他的重元素質量少於2%。

太陽的恆星光譜分類為G型主序星（G2V）。雖然它是白色的，但因為在可見光的頻譜中以黃綠色的部分最為強烈，從地球表面觀看時，大氣層的散射使天空成為藍色，所以它呈現黃色，因而被非正式的稱為「黃矮星」。 光譜分類標示中的G2表示其表面溫度大約是5778K（5505°C），V則表示太陽像其他大多數的恆星一樣，是一顆主序星，它的能量來自於氫聚變成氦的核聚變反應。太陽的核心每秒鐘燃燒6.2億噸的氫。太陽一度被天文學家認為是一顆微小平凡的恆星，但因為銀河系內大部分的恆星都是紅矮星，現在認為太陽比85%的恆星都要明亮。太陽的絕對星等是 +4.83，但是由於其非常靠近地球，因此從地球上看來，它是天空中最亮的天體，視星等達到−26.74。太陽高溫的日冕持續的向太空中拓展，創造的太陽風延伸到100天文單位遠的日球層頂。這個太陽風形成的「氣泡」稱為太陽圈，是太陽系中最大的連續結構。

太陽目前正在穿越銀河系內部邊緣獵戶臂的本地泡區中的本星際雲。在距離地球17光年的距離內有50顆最鄰近的恆星系（最接近的一顆是紅矮星，被稱為比鄰星，距太陽大約4.2光年），太陽的質量在這些恆星中排在第四。 太陽在距離銀河中心24,000至26,000光年的距離上繞著銀河公轉，從銀河北極鳥瞰，太陽沿順時針軌道運行，大約2.25億至2.5億年遶行一周。由於銀河系在宇宙微波背景輻射（CMB）中以550公裡/秒的速度朝向長蛇座的方向運動，這兩個速度合成之後，太陽相對於CMB的速度是370公裡/秒，朝向巨爵座或獅子座的方向運動。

地球圍繞太陽公轉的軌道是橢圓形的，每年1月離太陽最近（稱為近日點），7月最遠（稱為遠日點），平均距離是1.496億公裡（天文學上稱這個距離為1天文單位）。以平均距離算，光從太陽到地球大約需要經過8分19秒。太陽光中的能量通過光合作用等方式支持著地球上所有生物的生長，也支配了地球的氣候和天氣。人類從史前時代就一直認為太陽對地球有巨大影響，有許多文化將太陽當成神來崇拜。人類對太陽的正確科學認識進展得很慢，直到19世紀初期，傑出的科學家才對太陽的物質組成和能量來源有了一點認識。直至今日，人類對太陽的理解一直在不斷進展中，還有大量有關太陽活動機制方面的未解之謎等待著人們來破解。 現今,太陽已經45億歲了。

太陽是一顆G型主序星，佔太陽系總質量的99.8632%。太陽的形狀接近理想的球體，估計扁率只有900萬分之一，這意味著極直徑和赤道直徑的差別不到10公裡。由於太陽是由等離子體組成，並不是固體，所以他的赤道轉得比極區快。這種現象稱作較差自轉，其原因是從太陽核心向外伸展的溫度變化，引發的太陽物質的對流運動。這些物質攜帶著一部分從黃道北極看是逆時鐘的太陽角動量，因而重新分配了角速度。實際的轉動周期在赤道大約是25.6天，在極區是33.5天，但是因為地球在環繞太陽時，不斷改變公轉軌道的角度，使得太陽赤道自轉的視運動大約是28天。這種緩慢旋轉作用的離心力在赤道的效應不及太陽引力的1,800萬分之一，即使是行星產生的潮汐力也因為太微弱而對太陽的形狀起不了作用，但大質量的木星仍使核心偏離中心達一個太陽半徑。

太陽是富金屬星。太陽的形成可能是一顆或多顆鄰近的超新星激震波所致。這個猜測是基於太陽系中高度的重元素含量。在太陽系中，重金屬元素如金和鈾的含量遠高於被稱為貧金屬恆星的豐度。表面上看來這些元素只會由超新星產生的吸能核反應，或第二代恆星內部的核遷變而產生。

太陽沒有像固態行星一樣明確的界線，並且它外面的氣體密度是隨著中心距離的增加呈指數下降。然而太陽也有明確的結構劃分。一般定義太陽的半徑為從它的中心到光球邊緣的距離。光球只是氣體層的上層，因為太冷或太薄而輻射出大量可見光，並且因此成為肉眼最容易看見的表面。

太陽的內部不能被直接觀察到，對電磁輻射也是不透明的。但是，正如地球上通過研究地震波來揭露地球的內部結構，日震學中也可藉由在太陽內部的壓力波（人耳聽不見的次聲波）來測量和明確太陽內部的結構。太陽的深層內在構造也可以通過電腦建模等理論工具來研究。

核心

太陽的核心是指距離太陽的中心不超過太陽半徑的五分之一或四分之一的區域，核心內部的物質密度高達150 g/cm3，大約是水密度的150倍，溫度接近1,360萬K。相較之下，太陽表面的溫度大約只有5,800K。根據太陽和太陽風層探測器任務最近的資料分析，太陽核心的自轉速率比輻射帶等其它區域要快。太陽形成後的大部分的時間裡，核聚變的能量是經過一系列被稱為質子-質子鏈反應的過程產生的；這個過程將氫變成氦，只有少於2%的氦是經由碳氮氧循環產生的。

核心是太陽內唯一能經由核聚變產生大量熱能的區域，99%的能量產生在太陽半徑的24%以內，而在30%半徑處，聚變反應幾乎完全停止。太陽的外層只是被從核心傳出的能量加熱。在核心經由核聚變產生的能量首先需穿過由內到外接連的多層區域，才能到達光球層，然後化為光波或粒子的動能，散逸到外層的宇宙空間去。

太陽核心每秒大約進行著9.2×1037次質子-質子鏈反應。這個反應是將4個自由的質子（氫原子核）融合成氦原子核（α粒子），每秒大約有3.7×1038個質子成為α粒子（太陽擁有的自由質子大約有8.9×1056個），相當於大約每秒6.2×1011千克。每次氫原子核聚合成氦時，大約會有0.7%的質量轉化成能量。因此，太陽的質能轉換速率為每秒鐘426萬噸（質量轉變為輻射能的形式離開，參考質能等效性），釋放出384.6 佑瓦特（3.846×1026 W）的能量，這相當於每秒鐘產生919.2×1010 萬噸TNT炸藥爆炸的能量。

太陽核心的核聚變功率隨著與太陽中心的距離增大而減小，理論模型估計，在太陽的中心，核聚變的功率密度大約是276.5 W/m3。是成年人平均單位體積消耗功率的1/10倍。太陽的巨大功率輸出不是由於其能量輸出密度高，而是因為它規模巨大。

太陽核心的核聚變是在自我修正下達到平衡：速率只要略微提升，就會造成核心的溫度上升，壓強增大，更能抵抗外圍物質的壓力，因此核心會膨脹，從而降低核聚變速率，修正之前核聚變速率增加所造成的擾動；而如果反應速率稍微下降，就會導致溫度略微下降，壓強降低，從而核心會收縮，使核聚變的速率又再提高，回復到它之前的水平。

核聚變產生的γ射線（高能量的光子流）從太陽核心釋放出來後，只要經過幾微米就會被太陽中的等離子體吸收，然後再以較低的能量隨機地輻射向各個方向。因此，在不斷反覆的吸收和再輻射中，光子流要經過漫長的時間才能到達太陽表面。估計每個光子抵達太陽表面需要10,000年至170,000年的時間。

在穿過對流帶，進入透明的光球表面時，光子就以可見光的型態散逸。每一股γ射線在核心產生的在逃逸入太空之前，都已經轉化成數百萬個可見光頻率的光子。核心的核聚變時也釋放出中微子，但是與光子不同的是它很難與其它的物質相互作用，因此幾乎是立刻就從太陽表面逃逸出去。多年來，測量到來自太陽的中微子數量都只有理論數值的三分之一，因而產生了太陽中微子問題。這個差異直到2001年發現中微子振蕩才獲得解決：太陽發出的中微子數量一如理論的預測，但是中微子探測器偵測到的少了2⁄3，這是因為在被偵測時中微子改變了它們的味。

輻射帶

從大約0.25至0.7太陽半徑處，太陽物質是熱且稠密的，只以熱輻射就將將核心的炙熱充分的向外轉移。在這個區域內沒有熱對流；同時隨著與中心距離的增加，溫度也從7,000,000K降至2,000,000K，這種溫度梯度小於絕熱下降率，因此不會造成對流。能量的傳輸依賴輻射——氫和氦的離子發射的光子，但每個光子被其它的離子再吸收之前，只能傳遞很短的距離。從輻射帶的底部至頂端的密度下降達到百倍（從20公克/立方公分降至只有0.2公克/立方公分）。

輻射帶和對流帶之間形成的一個過渡層叫差旋層（tachocline）。它是均勻旋轉的輻射帶和較差自轉的對流帶之間有著急遽轉變工作狀態的區域，結果造成巨大的切變——當接連的平面層滑過另一個時的條件。在上面的對流帶發現的流體運動，從這一層的頂端至底部慢慢的消失，與輻射帶頂段平靜的特徵相匹配。目前這還是一個假說（參見太陽發電機），在這一層內的磁發電機產生太陽的磁場。

對流帶

太陽的外層，從它的表面向下至大約200,000公裡（或是70%的太陽半徑），太陽的等離子體已經不夠稠密或不夠熱，不再能經由傳導作用有效的將內部的熱向外傳送；換言之，它已經不夠透明了。結果是，當熱柱攜帶熱物質前往表面（光球），產生了熱對流。一旦這些物質在表面變冷，它會向下切入對流帶的底部，再從輻射帶的頂部獲得更多的熱量。在可見的太陽表面，溫度已經降至5,700K，而且密度也只有0.2公克/立方米（大約是海平面密度的六千分之一）。

在對流帶的熱柱形成在太陽表面上非常重要的，像是米粒組織和超米粒組織。在對流帶的湍流會在太陽內部的外圍部分造成「小尺度」的發電機，這會在太陽表面的各處產生磁南極和磁北極。太陽的熱柱是貝納得穴流，因此往往像六角型的稜鏡。

光球

太陽可見的表面，光球，在這一層下面的太陽對可見光是不透明，在光球之上可見光可以自由的傳播到太空之中，而它的能量可以完全從太陽帶走。透明度的變化是因為會吸收可見光的H−離子數量減少。相反的，我們看見的可見光是電子與氫再作用產生H−離子時產生的。 光球的厚度只有數十至數百公裡的厚度，只是略比球的空氣不透明了些。因為光球上半部分的溫度比下半部的低，因此太陽盤面的影像會呈現中央比周圍的邊緣或周邊明亮的現像，這一種現象稱為周邊昏暗。陽光有著近似於黑體的光譜，穿插著數千條來自光球之上稀薄的原子吸收線，指示其溫度大約是6,000K。光球的粒子密度大約是1023米−3（大約是地球大氣層在海平面粒子密度的0.37%，但是光球中的粒子是電子和質子，所以空氣的平均質量只是58倍）。

在研究光球可見光譜的早期，發現有些吸收譜線不能符合地球上任何已知的化學元素。在1868年，諾曼·洛克假設這些吸收譜線是一種新元素造成的，他以希臘的太陽神為依據，將之命名為氦，而在25年之後才在地球上分離出氦元素。

大氣層

大氣層太陽光球以上的部分統稱為太陽大氣層，跨過整個電磁頻譜，從無線電、可見光到伽馬射線，都可以觀察它們，分為5個主要的部分：溫度極小區、色球、過渡區、日冕、和太陽圈。太陽圈，可能是太陽大氣層最稀薄的外緣，並且延伸到冥王星軌道之外與星際物質交界，交界處稱為日鞘，並且在那兒形成剪切的激波前緣。色球、過渡區、和日冕的溫度都比太陽表面高，原因還沒有獲得證實，但證據指向阿爾文波可能攜帶了足夠的能量將日冕加熱。

溫度極小區

太陽上溫度最低的地區稱為溫度極小區，大約在光球上方500 公裡，溫度大約是4,100 K。這一部分的溫度低到可以維持簡單的分子，像是一氧化碳和水，並且可以從檢出它們的吸收譜線。

色球

在溫度極小區之上是一層大約2,000 公裡厚，主導著譜線的吸收和發射。因為在日全食的開始和結束時可以看見彩色的閃光，因此稱為色球，名字來自希臘的字根chroma，意思就是顏色。色球層的溫度隨著高度從底部逐步向上提升，接近頂端的溫度大約在20,000 K 。在色球的上層部分，氦開始被部分的電離。

過渡區

在色球之上，是一層薄至大約只有200公裡的過渡區，溫度從色球頂端大約200,000K上升至接階近1,000,000K的日冕溫度。溫度的上升使氦在過渡區很容易就被完全的電離，這可以大量減少等離子體的輻射冷卻。過渡區沒有明確的出現高度，它形成一種環繞著色球的光輪，外型很像針狀體和暗條，並處於持續不斷的渾沌運動。從地球表面很難看到過渡區，但在太空中使用對電磁頻譜的超紫外線靈敏的儀氣很容易觀察到。

日冕

日冕是太陽向外擴展的大氣層，它的體積比太陽本身大了許多。不斷擴展的日冕在太空中形成太陽風，充滿了整個的太陽系。日冕的低層非常靠近太陽的表面，粒子的密度環繞在1015–1016米−3，日冕和太陽風的平均溫度大約是1,000,000–2,000,000 K；而在最高溫度的區域是8,000,000–20,000,000 K。日冕的溫度雖然很高，但密度很低，因此所含的熱量很少。雖然還沒有完整的理論可以說明日冕的溫度，但至少已經知道有一部分熱是來自磁重聯。

太陽圈

太陽圈，從大約20太陽半徑（0.1天文單位）到太陽系的邊緣，這一大片環繞著太陽的空間充滿了伴隨太陽風離開太陽的等離子體。他的內側邊界是太陽風成為超阿耳芬波的那層位置－流體的速度超過阿耳芬波。因為訊息只能以阿耳芬波的速度傳遞，所以在這個界限之外的湍流和動力學的力量不再能影響到內部的日冕形狀。太陽風源源不斷的進入太陽圈之中並向外吹拂，使得太陽的磁場形成螺旋的形狀，直到在距離太陽超過50天文單位之外撞擊到日鞘為止。在2004年12月，航海家1號已穿越過被認為是日鞘部分的激波前緣。兩艘航海家太空船在穿越邊界時都偵測與記錄到能量超過一般微粒的高能粒子。

磁場

太陽是磁力活躍的恆星，它支撐一個強大、年復一年在變化的磁場，並且大約每11年環繞著太陽極大期反轉它的方向。太陽磁場會導致很多影響，稱為太陽活動，包括在太陽表面的太陽黑子、太陽耀斑、和攜帶著物質穿越太陽系且不斷變化的太陽風。太陽活動對地球的影響包括在高緯度的極光，和擾亂無線電通訊和電力。太陽活動被認為在太陽系的形成和演化扮演了很重要的角色。

太陽因為高溫的緣故，所有的物質都是氣體和等離子體，這使得太陽的轉速可能在赤道（大約25天）較快，而不是高緯度（在兩極約為35天）。太陽因緯度不同的較差自轉造成它的磁場線隨著時間而糾纏在一起，造成磁場圈，從太陽表面噴發出來，並觸發太陽形成系距性的太陽黑子和日珥（參見磁重聯）。隨著太陽每11年反轉它本身的磁場，這種糾纏創造了太陽發電機和11年的太陽磁場活動太陽周期。

太陽磁場朝太陽本體外更遠處延伸，磁化的太陽風等離子體攜帶著太陽的磁場進入太空，形成所謂的行星際磁場。由於等離子體只能沿著磁場線移動，離開太陽的行星際磁場起初是沿著徑向伸展的。因位在太陽赤道上方和下方離開太陽的磁場具有不同的極性，因此在太陽的赤道平面存在著一層薄薄的電流層，稱為太陽圈電流片。太陽的自轉使得遠距離的磁場和電流片旋轉成像是阿基米德螺線結構，稱為派克螺旋。行星際磁場的強度遠比太陽的偶極性磁場強大。太陽50-400μT的磁偶極（在光球）隨著距離的三次方衰減，在地球的距離上只有0.1 nT。然而，依據太空船的觀測，在地球附近的行星際磁場視這個數值的100倍，大約是5nT。

太陽黑子和太陽黑子周期

當使用適當的過濾觀察太陽時，通常最能立刻看見的特徵就是太陽黑子，因為那是溫度較低而明確出現比周圍黑暗的區域。太陽黑子是強磁場的區域，對流受到強量磁場的抑制，減少了從高熱的內部傳送到表面的能量。磁場造成大量的熱進入日冕，形成的活動區是激烈的太陽耀斑和日冕物質拋射的來源。最大的太陽黑子有數萬公裡的直徑。

在太陽上可以看見的太陽黑子數量並不是固定的，它以平均約11年的周期變化，形成所知的太陽周期。當太陽黑子周期進展時，太陽黑子的數量會增加，並且初系的位置也逐漸接近太陽的赤道，史波勒定律就是描述這種現象。太陽黑子通常都以磁性相異的形式成對出現，每一個太陽周期的前導黑子磁性會交替的改變，所以當一個太陽周期是磁北極前導，下一個太陽周期就是磁南極前導。

在過去大約250年觀測的太陽黑子數量，顯示出大約11年的太陽周期。

因為太陽的光度與磁場活動有直接的關係，太陽周期不僅對太空天氣有很大的影響，對地球的氣候也有重大的影響。太陽活動極小往往和低溫連繫再一起，而超過平均長度的周期則與高溫相關聯。在17世紀，太陽周期似乎完全停止了數十年，在這段期間只觀測到少數幾個太陽黑子。那個時代稱為蒙德極小期或小冰期，歐洲經歷了很冷的溫度。分析樹木的年輪發現更早的一些極小期，並且也顯現出與全球的溫度低於平均溫度的期間相符合。

圖文參考綜合維基百科

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