天文科学探索生命之火太阳

天文科学探索生命之火太阳第1页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽結構內部結構：由內到外可分為核心、輻射層、對流層等三大部份。太陽的大氣層：光球層、色球層、日冕與太陽風組成。

第2页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽內部結構核心(core)：產生核熔合反應—太陽的能源。核心約佔總質量50%，半徑的10%，99%能量來源。溫度估計約為15,000,000度，是氫進行質子–質子熱核熔合的反應區。核心物質的密度為150g/cm3，遠高於鐵的密度7g/cm3。氫核融合反應可簡單總結為：4個氫→1個氦+能量+2個微中子。能量的形式通常為高能的γ射線與X射線光子。據現行太陽理論模型的推測，氫融合產生的能量，須歷經百萬年才傳抵太陽表面，而微中子幾不與太陽內部任何物質起反應，以光速或近光速的速度，離開太陽核心向外傳播。第3页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽內部結構輻射層(radiationzone)：能量以輻射的形式傳出。從核心向外到半徑75%的區域稱為輻射層，來自核心的γ射線與X射線光子，不斷與輻射層內的物質粒子碰撞，被物質吸收再輻射，最後主要以可見光的形式傳達太陽表面，然後才輻射到四面八方。在輻射區內，光子平均每走1公分就與物質粒子碰撞一次，由核心以"光"的形式向外傳遞的能量，大約需經過一百萬年的掙扎才能扺達太陽表面。輻射區到核心的密度增加很快，半徑為太陽一半的球體含有90%的太陽物質。第4页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽內部結構對流層(convectionzone)：靠近表面處，厚約15萬公里，以對流形式將能量傳出。輻射區的外圍溫度下降的很快，物質的透明度大為減低，再加上太陽表面的輻射損失，使得上下溫差很大，形成了以湍流為主的強烈對流層。對流層幾乎完全不透明，輻射層傳來的能量，在這一層以對流的方式由高熱氣團帶到表面，表面的較冷氣團則下沉，頗似沸騰狀態的一壺水。對流層厎部的溫度約為一百萬度。在對流層裡來自太陽內部的能量，有之部份轉化為氣流的動能，太陽光球層、色層與日冕的各種活動與噴流皆與對流層有密不可分的關係。第5页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽的大氣層光球層(photosphere)：約500公里厚，溫度約5800K我們所看到的太陽表面即是光球層。仔細的觀測可看到尺度大小約為1500公里的米粒組織（granulation)，此一結構是由對流所造成的。另外可明顯地看到太陽黑子(sunspots)。地球所見的太陽光譜主要來自光球層。光球層的底部是濃密的電漿態物質，發射出與其表面溫度相當的熱輻射光譜，在可見光範圍內的強度最大，譜型與5800K的黑體輻射極為相近。經由精密的光譜儀分析太陽連續光譜上的吸收譜線，可辨認出太陽大氣中的主要化學組成，除氫以外尚有鐵、鎂、鋁、鈣、鈦、鉻、鎳、鈉…等五十七種元素。第6页，共20页，2023年，2月20日，星期六米粒組織與太陽黑子第7页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽的大氣層色球層(chromosphere)：沒有明顯的上邊界，太陽的邊緣氣體密度很低，使得此部份的發光強度，只有光球的萬分之一。在日全蝕中，當月面恰好把光球全部遮擋時，才能看到玫瑰色的色球層，而這也是色球層名稱之由來。色球層的溫度隨高度的增加而上昇，由光球層頂部的4200K升至數萬K的高溫。根據升溫的情況，大約可將色球層分成三部份：在厚度約為400公里的厎層，溫度由4200K升到5500K。然後在1200公里的中層，溫度緩慢上升到8000K。在最後約400公里厚的高層溫度急劇升至數萬度，且在不到5000公里的高度裡，過渡到日冕的百萬度以上之高溫。部份色球層的溫度，高於激發氦原子光譜的二萬度，故色球層光譜中，可見到光球層光譜所無的氦原子光譜。第8页，共20页，2023年，2月20日，星期六色球層的玫瑰色澤來自氫原子的Hα譜線(波長6560埃)，此照片使用只能透過Hα波長的濾波片拍得。針狀體為射入太陽較高溫的外大氣層之冷噴流。色球層第9页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽的大氣層日冕(Corona)：厚約太陽半徑的1.3倍，溫度約100萬K。日全食中，當月面將色球遮掩後，可見到圍繞太陽四周有一片淡白色的暈，這就是日冕。日冕物質非常稀薄，其密度約為地球表面大氣的十億分之一，比實驗室能達到的高真空還要低，故只有在日全食時才能觀測到。日冕的溫度非常高，可達二百萬度以上，如此高的溫度，可能是經由儲存在太陽磁場中的能量加熱而成的。第10页，共20页，2023年，2月20日，星期六日冕照片的上下方為太陽北極、南極。日冕的形狀極不規則，隨太陽活動的強弱變化，每次日食所見的日冕形狀也不相同。赤道附近有許多向外流動的冕流伸向遠處，而在極區有許多纖細羽毛狀的“極羽”，頗似是物質順磁力線排列。另有一些區域日冕物質特別低的地方，稱為日冕洞。日冕的形狀與分佈都和日冕中的磁場分佈有關。第11页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽風(solarwind)：高速的離子氣體(氫離子或稱質子,電子,....)被吹離太陽者被統稱為太陽風。太陽風所造成的質量流失每年約有107

噸，傳播速度約為450公里/秒，由太陽極區流出來的太陽風之速度更可高達750公里/秒。太陽風中的高能粒子吹襲地球表面，對地球的生命與生態環境具有極毀滅性。地球有磁場與大氣的遮蔽，大部份的高能粒子被阻隔在外，少部份在地球的極區使空氣分子游離並發出瑰麗的極光。我國古代對極光的可靠記載有294次，最早見于西元前950年，《古今圖書集成．曆象匯編．庶微典》：『周昭王末年，夜清，五色光貫紫微…』。西漢以前的古人將極光視為吉兆，常稱之為"神光"或"神氣"。而西漢以後漸將極光視為凶兆，認為極光是未來戰亂兵災或天災人禍的警示。太陽的大氣層第12页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽能量來源核融合(fusion)：太陽（星球）中絕大多數都是氫11H+11H→21H+e++ν；21H+11H→32He+γ；32He+32He→42He+211H「質子--質子的連鎖反應」其中ν是微中子；γ是伽瑪射線一個質子的質量=1.0078×(1.66×10-24)g四個質子=4.0312與一個4He=4.0026相比∴massdefect(質量損失)=0.0286質量轉換成能量E=mc2

；E=0.0286×1.66×10-24×(3×1010)2=4.3×10-5erg太陽核心的部份進行核子反應，消耗燃料（氫）以目前的光度能發光～1010（一百億）年第13页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽活動太陽黑子活動的過程中，天文學家發現太陽大氣還有日珥、日閃、日冕凝聚等活動，而這些活動皆與太陽黑子活動有關。在研究太陽的活動時，天文學家用不同的電磁波段來觀測太陽，因為不同波段下所觀測的太陽，告訴天文學家不同的資訊。第14页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽活動---太陽黑子太陽黑子的主要性質：中心溫度較其他太陽表面低。黑子常成群出現。黑子與太陽磁場的分佈有關。太陽黑子週期約為11年。太陽的磁週期約為22年。太陽黑子的分佈–Maunder蝴蝶圖(Maunderbutterflydiagram)第15页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽活動---日珥月全蝕時可觀測到為巨大的扭曲磁場拖曳著游離的氣體所造成的變化情形可持續幾小時到幾週或幾個月。第16页，共20页，2023年，2月20日，星期六太陽活動---日閃太陽表面巨大的能量變化情形，在幾分鐘內達到最大，而在不到一小時內消教掉。可輻射出X-光，紫外線，可見光，高速的質子與電子。一巨大的日閃約可放出1025J＝2*1015

噸TNT炸藥。所輻射出的高速粒子是造成地球極光(Auroras)的主因。日閃活躍時，會造成地球通訊的干擾(對客機的乘客造成輻射傷害)。第17页，共2