太阳
太阳(the Sun)是太阳系的中心天体,也是离地球最近的一颗恒星。它是一颗光谱型 G2V 的主序星(main-sequence star),依靠核心区氢的核聚变释放能量。太阳的质量约占太阳系总质量的 99.86%,其引力维系着行星、矮行星、小天体及行星际介质的运动。太阳辐射是地球能量、气候与生命活动的根本来源,同时也是人类唯一可以详细观测其表面活动的恒星,因此在天文学中具有独特地位。
下表给出太阳的主要物理参数,数值取自现代测量与天文常数定义。
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 半径(volumetric mean radius) | 695,700 km | 约为地球的 109 倍 |
| 直径 | 约 1,391,400 km | — |
| 质量(mass) | 1.989×10³⁰ kg | 约为地球的 333,000 倍 |
| 平均密度(mean density) | 1.408 g/cm³ | 略高于水 |
| 表面重力加速度 | 274 m/s² | 约为地表的 28 倍 |
| 光球有效温度(effective temperature) | 5772 K(约 5500 ℃) | 决定太阳的”颜色”与光谱型 |
| 核心温度 | 约 1570 万 K | 维持核聚变的条件 |
| 光度(luminosity) | 3.828×10²⁶ W | 太阳标准光度,记作 L☉ |
| 与地球平均距离 | 1.496×10⁸ km | 定义为 1 天文单位(au) |
| 光行时(light travel time) | 约 8 分 19 秒 | 阳光抵达地球所需时间 |
| 自转周期 | 赤道约 25 天,两极约 34 天 | 较差自转(见下文) |
| 视星等(apparent magnitude) | −26.74 | 全天最亮天体 |
| 绝对星等(absolute magnitude) | +4.83 | 移至 10 秒差距处的星等 |
| 光谱型(spectral class) | G2V | 黄色主序星 |
| 年龄 | 约 46 亿年 | 已度过约一半主序寿命 |
关于星等的定义与换算,参见 星等;太阳在天球上的周年视运动则见 天体视运动。
太阳的化学组成以质量计可分为下表几项,其余为更重的元素(天文学上统称”金属”)。这一比例是恒星演化与核合成研究的基础数据。
| 元素 | 质量占比 | 备注 |
|---|---|---|
| 氢(hydrogen, H) | 约 73.5% | 核聚变的”燃料” |
| 氦(helium, He) | 约 24.9% | 聚变产物兼原生成分 |
| 氧(oxygen, O) | 约 0.77% | — |
| 碳(carbon, C) | 约 0.29% | — |
| 铁(iron, Fe) | 约 0.16% | — |
太阳内部按能量传递方式划分为三个主要区域。由于太阳不透明,这些区域无法直接观测,其结构主要依据恒星模型、日震学(helioseismology)与中微子探测推断。
| 区域 | 范围(以太阳半径 R☉ 为单位) | 温度 | 主要过程 |
|---|---|---|---|
| 核心(core) | 0 ~ 0.25 R☉ | 约 1570 万 K | 核聚变产能,密度约 150 g/cm³ |
| 辐射区(radiative zone) | 0.25 ~ 0.7 R☉ | 700 万 → 200 万 K | 能量以光子辐射逐层传递 |
| 对流区(convective zone) | 0.7 R☉ ~ 表面 | 200 万 K → 约 5772 K | 物质对流(翻滚)输运能量 |
- 核心:温度与密度足以维持核聚变。太阳约 99% 的能量产生在内层 24% 半径以内。
- 辐射区:核心产生的高能光子在此区域经历无数次吸收与再发射,沿随机路径缓慢向外扩散。一个光子从核心走到对流区底部,平均需要数万年到约一百万年。
- 差旋层(tachocline):辐射区与对流区之间的薄过渡层,内侧近似刚体自转、外侧为较差自转,被认为是太阳磁场发电机(dynamo)的关键区域。
- 对流区:温度降低使物质变得不透明,辐射传能效率下降,改由对流主导。受热的等离子体上升、冷却后下沉,这种翻滚在光球表面表现为米粒组织(granulation)。
太阳的能量来自核心区的质子-质子链反应(proton–proton chain),这是质量较小恒星产能的主要核聚变途径,约占太阳总能量输出的 99%。其净效果是 4 个氢原子核(质子)聚变为 1 个氦-4 原子核:
4 ¹H → ⁴He + 2 e⁺ + 2 νₑ + 能量反应过程中约 0.7% 的参与质量转化为能量,符合质能关系 E = m c²。每完成一整条链释放约 26.73 MeV 能量,其中一部分由中微子(neutrino, νₑ)带走:中微子几乎不与物质作用,直接逃逸出太阳。
| 量 | 数值 |
|---|---|
| 单链能量产额 | 约 26.73 MeV |
| 每秒发生的质子-质子链反应次数 | 约 9.2×10³⁷ 次 |
| 每秒由质量转化为能量的物质 | 约 4×10⁶ 吨(约 426 万吨/秒) |
| 转化为能量的质量分数 | 约 0.7% |
| 光子从核心扩散到表面的时间 | 约 1 万 ~ 17 万年 |
| 阳光从表面传播到地球的时间 | 约 8 分 19 秒 |
恒星产能与演化的更深入机制,参见 恒星物理。
光球以外是太阳的大气层,自内向外分为光球、色球、过渡区与日冕。它们在不同波段呈现完全不同的面貌,这也是太阳观测中选择滤镜与波段的依据。
| 层次 | 厚度/范围 | 温度 | 观测特征 |
|---|---|---|---|
| 光球(photosphere) | 数十至数百千米 | 约 5772 K | 肉眼可见的”表面”,有米粒组织与黑子 |
| 色球(chromosphere) | 约 2000 km | 数千 K 升至约 2 万 K | Hα 波段或日全食时可见,呈玫瑰红色 |
| 过渡区(transition region) | 约 200 km | 2 万 K 骤升至约 100 万 K | 极薄,温度急剧上升 |
| 日冕(corona) | 延伸至数个太阳半径外 | 100 万 ~ 200 万 K(局部更高) | 日全食时可见珍珠白色光晕 |
- 光球:太阳的”可见表面”,太阳辐射主要由此发出。粒子数密度约 10²³ m⁻³,电离度仅约 3%。米粒组织是对流区顶部对流元在表面的显现,每个米粒尺度约 1000 km、寿命数分钟。
- 色球:光球之上的薄层,温度向外升高。日珥(prominence)发生在这一层。
- 过渡区:厚度仅约 200 km,温度在极短距离内从约 2 万 K 升至约 100 万 K。
- 日冕:最外层稀薄而极热的大气,温度高达百万开尔文量级。平时被光球强光淹没,只有日全食或用日冕仪(coronagraph)、空间望远镜才能观测。
光谱与夫琅禾费谱线
Section titled “光谱与夫琅禾费谱线”将太阳的连续光谱分光后,可见大量暗的吸收线,称为夫琅禾费谱线(Fraunhofer lines),由德国物理学家夫琅禾费于 1814 年系统观测并命名。其成因是:光球发出的连续谱在穿过温度较低的太阳大气时,被特定元素的原子选择性吸收,在对应波长留下暗线。
- 夫琅禾费用字母 A 至 K 标注主要谱线,弱线另用其他字母;现已知太阳光谱中约有 25,000 条吸收线。
- D 线由钠(Na)产生,位于黄光波段(约 589 nm);H 线与 K 线由电离钙(Ca II)产生,位于紫光波段。
- 夫琅禾费的 C、F、G′、h 线对应氢原子巴耳末系(Balmer series)的 Hα、Hβ、Hγ、Hδ 谱线。其中 Hα(656.3 nm)是太阳观测最常用的波段。
夫琅禾费谱线是恒星光谱分类(包括太阳的 G2V 分型)与化学成分测定的基础,也是 Hα 太阳望远镜选用该波段观测色球的原因。
太阳是气态等离子体,不像固体那样整体同步旋转,而呈较差自转(differential rotation):赤道转得快、两极转得慢。
| 纬度 | 自转周期(恒星参考系) |
|---|---|
| 赤道 | 约 25.05 天 |
| 中纬度 | 约 28 天 |
| 极区 | 约 34.4 天 |
从地球上看,由于地球同时绕日公转,观测到的赤道自转周期(会合周期)约为 27~28 天。较差自转会持续扭曲、缠绕太阳的磁场线,被认为是黑子与太阳活动周期的根本驱动机制之一。
黑子与 11 年活动周期
Section titled “黑子与 11 年活动周期”**太阳黑子(sunspots)**是光球上磁场极强的临时区域,在可见光下比周围暗。它们的温度约 3000~4500 K,虽仍很高,但因黑体辐射强度正比于温度的四次方,相对 5772 K 的光球便显得黑暗。强磁场抑制了该处的对流,使热量难以从下方输运上来,因而温度偏低。
黑子在结构上分为两部分:
| 部分 | 位置 | 特征 |
|---|---|---|
| 本影(umbra) | 中心最暗区 | 磁场近乎垂直于表面,温度最低 |
| 半影(penumbra) | 本影周围较亮区 | 磁场较倾斜,呈纤维状结构 |
黑子的典型物理量如下:
| 量 | 典型数值 |
|---|---|
| 磁场强度 | 数千高斯(约 0.3 T;相比之下太阳极区背景磁场仅 1~2 高斯) |
| 直径 | 小者约 1000 km,大者可达 8 万 km |
| 寿命 | 通常约两周,大者可达数月 |
太阳活动周期
Section titled “太阳活动周期”太阳活动以约 11 年为周期起伏,称为太阳周期(solar cycle)或黑子周期。黑子数从极小期(solar minimum)增至极大期(solar maximum)再回落。这个 11 年周期实际是更长的 22 年磁周期(磁极性每 11 年反转一次)的一半。
黑子的纬度分布随周期呈现规律性:
- 史波勒定律(Spörer’s law):每个新周期开始时,黑子多出现在中高纬度(约 ±30°~±35°);随周期推进,出现纬度逐渐向赤道迁移。
- 蝴蝶图(butterfly diagram):将黑子纬度随时间画出,会形成成对的、向赤道收拢的三角形,形似蝴蝶翅膀,是太阳磁活动的经典图示。
- 沃夫数(Wolf number,即相对黑子数):一种综合黑子群数与单个黑子数的标准化计数方法,用于长期量化太阳活动强度。
历史上曾出现活动异常低迷的时段,最著名的是 1645~1715 年的蒙德极小期(Maunder Minimum),期间黑子极为稀少,与欧洲”小冰期”中最寒冷的阶段大致吻合,提示太阳活动可能影响地球气候。
日珥、耀斑与日冕物质抛射
Section titled “日珥、耀斑与日冕物质抛射”太阳的强磁场不仅造就黑子,也驱动多种剧烈的太阳活动,这些现象常彼此关联,集中出现在黑子活动区附近。
- 日珥(prominence):沿磁力线悬浮于色球之上的低温致密等离子体结构,在日面边缘呈红色弧状或环状;投影到日面上时表现为暗的条带,称为暗条(filament)。日珥磁场强度约 10~100 高斯。
- 耀斑(solar flare):活动区磁能突然释放,在几分钟到几十分钟内爆发出从射电到 X 射线乃至 γ 射线的强辐射。耀斑辐射以光速到达地球,可电离高层大气,干扰短波无线电通信与 GPS 定位。
- 日冕物质抛射(coronal mass ejection, CME):数十亿吨级的等离子体与磁场被抛入行星际空间。若朝向地球,通常在 1~3 天后抵达,引发地磁暴(geomagnetic storm),点亮高纬度极光,严重时可危及卫星、航天员、通信与电网。
太阳风与空间天气
Section titled “太阳风与空间天气”**太阳风(solar wind)**是从太阳上层大气持续向外流出的等离子体流,主要由质子、电子和少量氦核(α 粒子)组成,并夹带太阳磁场向外延伸,充满整个太阳系空间,形成日球层(heliosphere)。
| 类型 | 速度 | 来源 |
|---|---|---|
| 慢太阳风(slow wind) | 约 300~500 km/s | 赤道附近的冕流带 |
| 快太阳风(fast wind) | 约 700~800 km/s | 冕洞(coronal hole,开放磁场区) |
- 密度:在 1 au(地球轨道)处约为每立方厘米 3~10 个粒子,密度随到太阳距离的平方反比下降。
- 质量损失:太阳每秒约损失 130 万~190 万吨物质给太阳风。
- 日球层边界:太阳风压与星际介质压力平衡处称为日球层顶(heliopause),距太阳约 120 au,旅行者 1 号(Voyager 1)已于此处穿越。
- 阿尔芬面(Alfvén surface):太阳风速度超过当地阿尔芬波速的临界面,约在 18~20 个太阳半径处;帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)已于 2021 年首次穿越该面进入日冕。
太阳风、耀斑与 CME 共同构成空间天气(space weather)。当带电粒子被地球磁场捕获并沿磁力线进入两极高层大气、激发氧氮原子发光时,便形成极光(aurora)——北半球称北极光、南半球称南极光。空间天气还会影响卫星运行、航空通信和地面输电系统,因此受到持续监测。极光的可见性与地理纬度有关,参见 南北半球可见性。
观测安全规范
Section titled “观测安全规范”太阳是少数”观测方式不当会致残”的天体,任何针对太阳的观测都必须以安全为前提。
在安全前提下,白光滤镜可观察黑子与米粒组织,Hα 望远镜则能观察色球的日珥、暗条与耀斑动态。关于天气、视宁度等观测条件,参见 观测条件;更多术语解释见 术语表。
- 太阳是太阳系的中心,继续了解 月球 与 行星。
- 想拍摄太阳、月球与行星,参见 行星与太阳系天体摄影。
- 关于恒星为何发光及其演化,参见 恒星物理。
- Sun — Wikipedia:英文维基百科,太阳基本参数、内部结构、大气分层、自转与活动的综合条目。
- NASA Sun Fact Sheet — NSSDCA:NASA 官方太阳参数数据表,提供质量、半径、光度等权威数值。
- 太阳黑子 — 维基百科:中文维基百科,黑子本影/半影、温度、磁场、蝴蝶图与史波勒定律。
- Proton–proton chain — Wikipedia:质子-质子链核聚变的反应步骤与能量产额(26.73 MeV)。
- Fraunhofer lines — Wikipedia:夫琅禾费吸收谱线的命名、成因与主要谱线对应元素。
- Solar wind — Wikipedia:太阳风的组成、快慢风速度、密度、日球层与空间天气。