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我们每天都会看见太阳,它每天都会升起落下升起落下,反反复复。太阳带给我们了光和热,促使万物生长。那么问题来了,太阳究竟是个啥子东东?为啥子会发光发热?因为太阳是我们每天“接触”最多的玩意,所以人类的好奇心就想去研究它。话不多说,我们就来开始“研究”太阳吧!

什么是太阳?太阳有多大?

首先我们要了解下太阳这2个字的含义,“太”是指太阳非常的巨大,到底有多大?要理解这个有多大,首先我们要了解下我们生活的地球有多大。根据NASA(权威数据,下同)给出的最新数据,地球半径约6371公里(千米,下同),太阳半径约695700公里。因此太阳的半径约是地球的109.2倍。是不是觉得很大,或者你还没有感觉?那么我们来比下它俩的体积吧!地球体积约1.083x10^12km^3(立方千米),太阳体积约141 2000x10^12km^3,因此太阳体积约是地球体积的130 4000倍,就相当于太阳里可以装下约130万个地球!现在感觉是不是太阳非常巨大了?接下来我们来说说这个“阳”字吧,我们不钻牛角尖,就把这个“阳”字比作是太阳的光和热。我们这里就说简单一点,太阳的光和热基本上都来自于太阳内部的核聚变(就大致相当于氢弹爆炸)。

宇宙到底是永恒还是周期(往往了解的越多知道的就越少)(1)

太阳模型

太阳到底由啥物质组成的?

太阳虽然是等离子体状态,但是也有物质本质的性质。在化学定义中(按质量),太阳最多的东东是氢(这里可不是什么好玩的氢气H2,准确说是H正离子),占到了大约四分之三,剩下的几乎都是氦了,以及其它乱七八糟的化学元素;在光球层我们可以很精确的测量出其化学成分,主要的化学元素:H - 90.965%, He - 8.889%。

太阳的总质量约占太阳系总质量的99.86%,看起来不可思议,行星、卫星、彗星等等其它太阳系内所有天体的总质量居然才占约0.14%!

太阳的周期运动和最终宿命

自转:由于太阳非固体,而是等离子体流,对流层又有较差自旋。因此赤道附近的自转速度与极区附近的不同,赤道快(约7000km/h),极区慢。赤道附近自转一周大约需要25天,然而在极区大约需要34天。

公转:目前太阳距离银河中心大约2万5千光年,以大约220公里/秒的速度绕银河中心公转。如果要绕完一周,太阳大约需要花2亿5000万年的时间。根据太阳的生命周期来算的话,它大概已经绕银河二十多圈了。

宇宙到底是永恒还是周期(往往了解的越多知道的就越少)(2)

太阳系天体分布

生命周期和最终宿命:宇宙中无论什么都有生命周期(有始有终),小到原子(衰变),大到整个宇宙。因此太阳也有生命周期,从“出生”到“死亡”。根据目前的学说,太阳大约在45.7亿年前形成的。最初是由一大堆氢分子云中形成的。

太阳目前处于“中年”时期,科学上讲就是主序带。主序带期间主要就是氢核聚变产生氦的过程,太阳位于主序带的时间总共会有约100亿年左右,也就是太阳会在“青春期”待个100亿年左右,这真是“青春永存”啊!当然不能永存的,太阳会在当前的大约50亿年后开始进入“老人期”。又是科学上讲的是红巨星阶段,这一阶段太阳核心由于没有氢参与核聚变而收缩抵抗引力塌陷温度变得很高,周围的氢也收缩并具有强烈的核聚变。强大的辐射压力使得外围体积膨胀而温度降低,表面看起来是红色的,这就是红巨星。当温度达到约1亿度时,核心的氦便开始核聚变产生碳,最里的核心会形成一个小型的“白矮星”(处于电子简并太)。外层较冷区域就发生氢核聚变,也随核心收缩。由于核心的强大辐射压力以及剧烈的环境,失控的氦聚变将导致氦闪,释放的巨大能量使太阳核心大幅度膨胀,解除了电子简并态,然后核心剩余的氦进行稳定的聚变。此时太阳的亮度会突然增亮,然后体积缩小,重复上述。这是太阳变成红巨星后的渐近巨星分支阶段,此时的太阳逐渐接近尾声。

红巨星阶段之后,激烈的热脉动将导致太阳外层的气体逃逸,形成行星状星云。被剥离的中央只剩下一颗超金属态的白矮星,密度惊人,1只粉笔在地球上的重量相当于几百吨。

白矮星过后,由于没有核聚变等能源的提供,温度以及光度都开始下降,最后变为黑矮星。但是目前宇宙太过于年轻(约138亿岁),所以还没有发现黑矮星的存在。即使最年老的白矮星,它也会辐射出上千度的温度。

所以太阳最终的宿命就是一颗白矮星。担心太阳变成黑洞的同学们可以不用操心了,变成白矮星之后其强大的引力仍然能够控制太阳系其他天体,可以说是很强大了。

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白矮星模型

太阳是什么结构?

我们前面已经知晓太阳是一个超级等离子体“大火球”,接下来我们来聊一聊太阳的结构。这使得我们好奇心十足了,都很想知道太阳的结构。目前的太阳标准模型组成结构由内向外分别是:核心>辐射层>差旋层>对流层>光球(这里相当于表面了,我们光学设备只能看到这里),然后是太阳大气层分别是温度极小区>色球>过渡区>日冕>太阳圈。

宇宙到底是永恒还是周期(往往了解的越多知道的就越少)(4)

太阳结构图(图片采用网络侵权删)

太阳核心:这里的环境是你我无法想象的,极端的恶劣。电脑模型指出(因为无法直接看见内部,所以只能间接的得到数据),温度可以高到约1571万度!这里是核聚变的“家”。相当于每秒钟900多亿颗“大伊万”超级氢弹同时爆炸,关于“大伊万”氢弹的威力,你可以搜索一下,1颗的威力就非常惊人!这里的核聚变,每秒钟至少要“吃掉”6.2亿吨的氢,但是这其中只有约0.7%的质量转换为了能量(具体能量值如前面说的)。核聚变产生的99%的能量,只发生在约24%太阳半径内,在约30%太阳半径处,核聚变基本完全停止。我们接受到的光和热,绝大多数都来自太阳核心的核聚变。

太阳的辐射层:辐射层是太阳核心向外走的第二层结构,大约处在0.25至0.71个太阳半径处。这一区域的温度从约700万度降至约200万度。由于这里的等离子体物质热而稠密,所以核聚变产生的高能量光子流(伽马射线)需要花费很长的时间才能“走出”这一区域抵达下一区域。这些光子是非常幸苦的,它们大约需要平均17万年或更长的时间来“走出”辐射层。因此我们看见的太阳光“来自不易”,当其抵达光球层时,它就会以可见光形式辐射到空间中。由于太阳距离我们很远,所以还得需要约8分19秒的时间才能抵达地球,为我们所见。

太阳差旋层和对流层:差旋层位于约0.7个太阳半径处 (从核心量起,表面为1太阳半径),厚度约是0.04个太阳半径,相当于27828公里。这一层区是辐射层与对流层的过度区,因为具有很大的转速变化导致的切变,所以会有很多磁场在这里产生;简单的说,就是上下对流的意思。热的物质上升,冷的物质下降。形成热柱,从而形成一些米粒组织以及“小磁场”发电机。因为热柱具有贝纳得穴流性质,所以米粒组织往往看起来像六角型的棱镜。

太阳的光球层和神秘的太阳黑子:我们看到的太阳表面就是这一层了,它相对于整个太阳来说,是一层最薄薄的一层了,大约只有500公里厚,因为这一层区域很透明了,密度低,太阳的内部光子上来这一层后就可以自由的向各个方向传播出去,当可见光波段的光子抵达我们地球时,就为我们所见了。

太阳黑子是太阳光球层上最为显著的太阳活动现象,由于它的温度辐射比周围低,因此作为周围参考物而显得暗淡。这是因为黑体的热强度与温度的四次方成正比,所以很暗。太阳黑子的温度大约在2700到4200度之间,虽然比周围低。但是如果单独把太阳黑子拿出来的话,其亮度比地球上的弧光亮好多倍!太阳黑子的温度低,是由于强大的磁场抑制了对流层中热等离子体物质的上升。太阳的磁场一般在3000高斯左右(这磁场虽然不高,但是对人体影响很大!),而太阳极地磁场仅仅只有几高斯而已,地球磁场约0.5高斯。太阳黑子,一般都是成群出现,尤其是在太阳高峰期时。具有庞大而磁性极为复杂的黑子群,这样复杂磁场类型的黑子群,往往会爆发大级别的太阳耀斑。太阳黑子的活动周期一般在约11.4周年,活动高峰时,黑子群主要集中于赤道附近。由于太阳自转自东向西转,所以会有“前导黑子”和“后随黑子”的称呼。每当太阳进入下一个周期时,南北黑子的磁性会正反调换。

太阳活动对人类的影响

太阳活动主要会完成人造卫星的损坏,而无法正常工作。对宇航员的身体,有很大的伤害。电离层的吸收扰动会给无线电雷达通讯等造成影响,如飞机导航等等。可以在地球南北极地附近产生美丽的极光,但在小低谷时期,也可以给地球带来小“冰河时期”。太阳的活动主要来自于太阳黑子所带来的太阳耀斑,太阳耀斑会释放出强大的能量。什么强大的x射线,伽马射线,紫外射线等等,以及大量的高速带电粒子。每当有较大的太阳耀斑出现时,就会对我们有影响,主要是我们制造的仪器。

关于太阳我国的脚步

空间太阳观测计划是中国科学院院士国家天文台艾国祥研究员于1992年提出的研究项目。计划一提出就产生了轰动,引起了国际太阳物理学界的极大关注。

如今,太阳观测天文望远镜研究已经成功,这标志着中国空间太阳观测天的研制水平已经处于世界领先地位。该望远镜比美国1995年发射的代表当今世界最高水平的著名空间望远镜SOHO的分辨率提高了10倍以上。

国际同行评价中国的第一颗空间太阳观测天文望远镜计划是“雄心勃勃的大项目,它将能提供独一无二的成果,并具备使太阳物理学取得重大进展的潜力”。

中国科学院方面在计划初期就对太阳望远镜进行了技术攻关,同时寻求与德国方面的技术合作,但没有成功。后改为与航天科技集团合作。经过多年两家合作取得了今天辉煌。

该工程是中国空间技术研究院与中国科学院国家天文台联合研制的中国第一颗太阳观测天文望远镜。这台天文望远镜要安装在卫星上在太空中使用,中国空间技术研究院承担了卫星的研制,中国科学院承担了望远镜的研制。望远镜的技术攻关经历了十几年的历程,卫星平台诸项技术攻关也用了五六年时间。工程将于太阳黑子再次大爆发前完成,在太阳黑子再次大爆发时用于实时观测。

宇宙到底是永恒还是周期(往往了解的越多知道的就越少)(5)

关于太阳,我们了解的还是太少了,就像我们对地球深处对海洋深处的了解一样,科学研究要走的路还很长,如果大家对浩瀚宇宙和天体物理感兴趣的话可以关注小编,想了解的都可以留言给我,我都会回复的。

参考资料:百度百科;天文在线;中国青年网;bilibili弹幕网站;中科院纪录片;腾讯视频。

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