解读太阳结构

2017-10-23

大自然探索 2017年9期

核太阳核从太阳中心延伸到太阳半径的大约20%～25%。其密度大约为水的150倍，温度接近1570万℃。与之相比，太阳表面温度只有大约5526℃。最近对SOHO任务探测数据的分析表明，太阳核的旋转速度快于它上面的辐射区。在太阳的大部分生命中，能量一直由太阳核内部的核聚变产生，这一过程把氢聚变为氦。太阳制造的能量中只有大约0.8%来自于碳氮氧循环，但随着太阳的衰老，这个比例应该会上升。

太阳核是太阳上通过聚变产生大量热能的唯一区域。99%的太阳能量产生自太阳半径的24%以内。到了半径的30%位置，聚变就几乎完全终止。随着太阳核能量向外传播到太阳的许多层面，太阳的其余部分被加热。最终，太阳核能量到达太阳光球层，以阳光或粒子动能的形式逃逸至太空。

辐射层从太阳核向外到太阳半径的大约70%位置，热辐射是主要的能量传播方式。随着与太阳核距离的增加，温度从大约700万℃降至200万℃。这个温度梯度不能驱动对流，这就解释了为什么能量在辐射层的传导是通过辐射而非热对流。氢离子和氦离子释放光子，光子穿行短距离后又被其他离子吸收。从太阳核顶部到辐射层顶部，密度从每立方厘米20克下降到0.25克。

差旋层太阳的辐射层和对流层被一个过渡层——差旋层分开。在差旋层，辐射层的均一自旋与对流层的不均一自旋之间的强烈反差，造成这两层之间的一个大型剪切——一个水平层滑过另一个水平层。现在流行的假说是，差旋层内部的磁发电机制产生了太阳磁场。

对流层太阳的对流层从太阳半径的70%延伸到太阳表面附近。在这一层，太阳等离子体不够致密，温度也不够，不足以通过辐射让内部热能向外传导。相反，正因为等离子体密度够低，所以能形成对流，让太阳能量往太阳表面移动。在差旋层被加热的物质吸收热量并膨胀，这些物质密度降低而向上升。其结果是，有序运动的物质团变成了一个个热电池，它们把绝大多数热量向外带至上方的光球层。一旦这些物质在光球层下方一点点的位置相对扩散和降温，其密度就增加，它们又下沉到对流层底部，再次从辐射层顶部吸收热量，对流循环继续。在光球层，温度降至5526℃，密度降到每立方厘米0.2克。对流层的热柱在太阳表面形成印记，即大小不等的“太阳米粒组织”。对流层的汹涌湍流支撑着太阳表面附近热柱的发电机效应。太阳热柱被称为贝纳胞，其形态为六角形棱镜。

光球层指太阳的可见表面，在这一层下面的太阳部分均不可见。在光球层上面，可见的太阳光自由扩散到太空。透明度的变化是由于氢离子数量下降。氢离子很容易吸收可见光。相反，我们所见的可见光是在电子与氢原子反应产生氢离子时形成的。光球层的厚度为数千千米，透明度比地球空气低一点。因为光球层上层比下层温度低，所以太阳圆盘看上去中间比边缘亮。光球层密度很低。在对光球层光谱的初期研究中，科学家发现一些吸收线与地球上已知的任何化学元素都不匹配。1868年，洛克伊尔猜想这些吸收线是由一种新元素（他根据希腊太阳神赫利俄斯之名，把它命名为“氦”）造成的。25年后，氦在地球上被分离出来。

大气层在一次全日食期间，当太阳圆盘被月球圆盘挡住时，太阳周围的大气层有一部分可见。太阳大气层由4个不同部分组成：色球层、过渡层、日冕和日光层（也称太阳风层）。太阳的温度最低层从光球层顶延伸到上方大约500千米，温度为大约3826℃。太阳的这一部分温度相对低，因而允许简单分子（例如一氧化碳和水分子）存在，通过吸收线可以探测到这些分子。

太阳低温区上方是厚度大约为2000千米的色球层，其主要光谱特征是发射和吸收线。之所以叫它色球层，是因为在太阳全食开始和结束时色球层都显示为彩色闪光。色球层温度随着高度增加而上升，在顶部可达1.973万℃。在色球层上部，氦变得部分离子化。

色球层上方是厚度约为200千米的过渡层，其温度从色球层顶部的大约1.973万℃陡增到日冕的接近1000万℃。这一温度增加受助于氦在过渡层的全面离子化，这显著降低了等离子体的辐射性降温。过渡层并非出现在一个可以明确界定的高度。相反，它在色球層周围形成针状体和丝状体等光圈特征。对光谱中超紫外部分敏感的仪器，很容易看见过渡层。

日冕是太阳大气的又一层。日冕和太阳风的平均温度是大约100万～200万℃，但在最炙热区域是800万～2000万℃。日冕是太阳大气的延伸部分。太阳大气的体积超过被光球层包围的太阳部分。从太阳向外进入星际空间的一股等离子体流，就是太阳风。

日光层是太阳大气稀薄的最外层，这一层充满太阳风等离子体。日光层始于太阳风流动比阿尔芬波速度还快的位置，差不多是20倍太阳半径的地方。湍流和动力都不能影响下方的日冕形态，原因是信息传播只能以阿尔芬波的速度。太阳风通过日光层连续不断向外传播，形成螺旋状太阳磁场，远至距离太阳50天文单位的地方都受它影响。2004年12月，美国宇航局“旅行者1号”探测器经过被认为是日光层顶的一个激震前沿。2012年，“旅行者1号”记录到宇宙射线碰撞的明显增加和来自太阳风的低能粒子数量的急剧下降，这暗示“旅行者1号”已经脱离日光层顶，进入恒星际空间。

质子和中微子

太阳核聚变反应会释放耗能伽马射线质子，但这些质子通常只穿行几毫米距离就被辐射层的等离子体吸收。在随机方向会发生再发射，但通常都是低能量的。因为这一系列的发射和吸收事件，辐射要花很长时间才能到达太阳表面。据估计，光子穿行时间在1万～17万年之间。与之相比，中微子（占太阳产生的总能量的2%）只需2.3秒就能到达太阳表面。因为太阳的能量传输过程涉及光子与物质的热动力平衡，太阳的能量传输时间长达3000万年。如果太阳核的能量产生速度突然改变，那么经过3000万年，太阳就恢复稳定状态了。如此看来，太阳能量传输实在太慢。endprint

太阳核的聚变反应也释放中微子，但与光子不同，中微子很少与物质反应，所以中微子几乎能全部都立即逃离太阳。许多年来，太阳中微子数量的测量值都远低于理论预测值。这一矛盾随着中微子震荡的发现而在2001年获解决。原来，太阳释放的中微子数量的确符合理论预测值，但中微子探测器没能探测到2/3的中微子，这是因为到中微子被探测到时它们已经改变了特征。

小测验

你了解太阳吗？

有许多人自以为：太阳嘛，谁不知道呢？直到被阳光灼伤皮肤或眼睛，他们才知道太阳的厉害，以及自己对太阳的轻视是不行的。太阳是一个令人着迷而又非常复杂的天体，正是太阳这一座巨大的聚变反应堆赋予了我们生命。那么，你对太阳了解多少呢？

1 .太阳很大，它能装得下多少个地球？

A）150万个 B）100万个 C）80万个

2 .太阳诞生至今，已过了多少年？

A）45亿年 B）137亿年 C）60亿年

3 .谁在1543年写了一本书，确立了太阳系的日心说模型？

A）哥白尼 B）牛顿 C）伽利略

4 .太阳黑子是太阳表面比“正常”区域温度低的区域。这个说法对吗？

A）对 B）不对

5 .太阳光到达地球，要经过多长时间？