[分享]第 十 一 章 --- 太 陽

[分享]第 十 一 章 --- 太 陽

E.T 於 星期二 四月 15, 2003 10:39 pm


第 十 一 章 --- 太 陽

太 陽 位 於 太 陽 系 的 中 心 , 它 亦 是 地 球 上 差 不 多 所 有 生 物 的 能 量 來 源 , 難 怪 所 有 早 期 文 明 皆 會 以 不 同 的 方 式 膜 拜 太 陽 。 在 天 文 學 上 , 太 陽 是 最 接 近 地 球 的 恆 星 , 亦 是 唯 一 可 以 讓 人 類 詳 細 研 究 的 恆 星 。 雖 然 太 陽 對 人 類 來 說 十 分 重 要 , 但 在 無 限 的 宇 宙 , 太 陽 也 只 不 過 是 一 顆 不 起 眼 的 普 通 恆 星 。

原 子

在 我 們 詳 細 探 討 太 陽 之 前 , 先 要 了 解 一 下 原 子 ﹐ 它 們 在 恆 星 的 能 量 產 生 和 演 化 中 都 很 重 要 。 一 顆 典 型 的 原 子 大 小 約 為 10-10 米 , 包 括 中 心 的 原 子 核 和 圍 繞 核 心 運 行 的 電 子 , 差 不 多 整 個 原 子 的 質 量 皆 集 中 在 大 小 約 為 10-14 米 的 原 子 核 上 ( 到 此 為 止 , 原 子 就 好 像 一 個 小 型 太 陽 系 ) , 原 子 核 由 質 子中 子 組 成 , 帶 正 電 質 子 的 數 目 , 決 定 了 該 原 子 的 化 學 特 性 , 例 如 它 會 否 和 其 他 原 子 結 合 成 分 子 等 。 沒 有 帶 電 的 中 子 則 在 化 學 反 應 上 不 會 扮 演 甚 麼 重 要 角 色 。 質 子 和 中 子 的 質 量 差 不 多 相 等 。

最 簡 單 的 原 子 為 氫 原 子 , 它 的 核 心 只 有 一 顆 質 子 , 化 學 上 記 為 1H 。 其 他 在 天 文 學 上 重 要 的 原 子 包 括 : 核 心 由 一 顆 中 子 及 一顆 質 子 組 成 的 2H ( 上 標 的 數 字 2 是 質 子 和 中 子 的 數 目 總 和 ) 、 兩 顆 質 子 和 一 顆 中 子 組 成 的 3He ( 氦-3 ) 和 由 中 子 及 質 子 各 兩 顆 組 成 的 4He ( 氦-4 ﹐ 請 參 閱 上 圖 ) 。若 以 重 量 計 算 ﹐ 太 陽 中 七 成 是 氫 ﹐ 其 餘 主 要 是 4He 。 我 們 會 看 到 氫 是 太 陽 中 心 核 反 應 的 原 料 ﹐ 而 氦 則 是 核 反 應 的 產 物 ﹐ 但 應 注 意 太 陽 中 的 氦 大 部 分 不 是 由 太 陽 產 生 的 ﹐ 它 們 在 太 陽 誕 生 時 已 經 存 在 。

太 陽 的 外 部 結 構

太 陽 是 一 團 靠 自 身 重 力 束 縛 的 雲 團 , 主 要 成 分 是 氫 。 太 陽 核 心 的 溫 度 及 壓 力 異 常 大 , 足 以 產 生 核 聚 變 , 釋 放 出 大 量 能 量 。 在 可 見 光 波 段 下 的 太 陽 , 日 面 上 有 不 少 黑 子 。

太 陽 的 半 徑 大 約 有 700,000 公 里 ﹐ 是 地 球 的 110 倍 , 質 量 則 大 約 有 2x1030 千 克 ﹐ 約 為 地 球 的 3.3x105 倍 。 當 我 們 望 向 太 陽 , 看 到 是 太 陽 的 光 球 層 , 這 是 太 陽 大 氣 中 非 常 薄 的 一 層 , 厚 度 只 有 500 公 里 。 我 們 可 以 看 見 光 球 層 , 原 因 是 它 的 氣 體 密 度 剛 剛 好 , 在 它 之 下 的 氣 體 密 度 太 大 , 光 線 不 能 通 過 ; 在 它 之 上 的 氣 體 則 足 夠 稀 薄 , 能 讓 光 球 層 發 出 的 光 線 順 利 通 過 。 所 以 , 光 球 層 界 定 了 肉 眼 可 見 的 太 陽 「 表 面 」 , 它 的 溫 度 約 為 絕 對 溫 度 6000 度 。 絕 對 溫 度 是 科 學 界 最 通 用 的 溫 度 單 位 , 只 要 將 它 減 去 273 , 便 可 轉 化 為 攝 氏 度 , 例 如 絕 對 溫 度 300 度 , 相 等 於 攝 氏 27 度 。 絕 對 零 度 是 低 溫 的 極 限 , 沒 有 任 何 物 體 可 以 更 冷 。

光 球 層 之 下 的 氣 體 溫 度 比 光 球 層 高 , 就 好 像 沸 騰 的 水 , 底 層 的 氣 體 會 向 上 升 , 當 這 些 熾 熱 氣 體 把 能 量 釋 放 後 , 便 會 變 冷 變 暗 , 然 後 沉 降 回 光 球 層 之 下 , 這 種 對 流 運 動 產 生 了 稱 為 米 粒 組 織 的 太 陽 表 面 特 徵 。 通 過 望 遠 鏡 , 我 們 可 以 看 到 太 陽 表 面 上 有 很 多 比 較 暗 區 域 圍 繞 的 光 斑 , 每 一 個 米 粒 約 能 維 持 二 十 分 鐘 , 大 小 則 約 為 地 球 的 十 分 之 一 。

在 光 球 層 之 上 , 是 一 層 約 為 二 千 公 里 厚 的 色 球 層 。 它 的 溫 度 比 光 球 層 更 高 , 很 多 時 為 105 度 。 有 趣 的 是 , 它 相 對 來 說 比 光 球 層 暗 , 所 以 通 常 只 能 在 日 全 食 時 才 能 看 見 它 。 色 球 層 並 不 是 渾 圓 的 , 而 是 有 很 多 稱 為 針 狀 體 的 細 小 突 起  。

日 冕 是 太 陽 大 氣 的 最 外 層 , 和 色 球 層 相 類 , 亦 是 通 常 只 能 在 日 全 食 時 才 看 得 見 。 日 冕 密 度 非 常 低 , 但 範 圍 可 延 伸 至 達 太 陽 半 徑 十 倍 之 遠 , 溫 度 更 高 達 106 度 。 為 甚 麼 日 冕 和 色 球 層 的 溫 度 可 以 比 光 球 層 更 高 , 仍 是 天 文 學 上 一 個 未 解 之 謎 。

日 冕 亦 是 太 陽 風 的 源 頭 , 太 陽 風 主 要 是 飛 離 太 陽 的 質 子 和 電 子 , 當 太 陽 風 強 勁 的 時 候 , 在 地 球 兩 極 有 可 能 看 見 極 光

太 陽 黑 子 及 其 他 太 陽 活 動

日 珥
是 被 太 陽 磁 場 困 著 的 表 面 氣 體 爆 發 , 很 多 時 可 以 噴 發 至 數 個 地 球 大 小 的 高 度 。 耀 斑 則 是 更 猛 烈 的 爆 發 , 會 放 射 出 強 烈 的 X 射 線 、 紫 外 線 、 可 見 光 及 太 陽 風 。 日 珥 和 耀 斑 都 明 顯 地 和 太 陽 的 磁 場 有 關 ﹐ 但 形 成 的 詳 細 機 制 仍 有 待 進 一 步 研 究 。

太 陽 黑 子 是 太 陽 的 黑 暗 區 域 , 溫 度 只 有 約 4000 度 , 由 於 相 對 來 說 它 們 比 光 球 層 其 他 地 方 「 冷 」 , 產 生 的 光 亦 較 少 , 所 以 看 來 較 暗 。 它 們 的 大 小 足 以 和 地 球 匹 敵 , 很 多 時 黑 子 是 整 群 出 現 的 。

黑 子 生 命 短 暫 , 只 有 少 於 數 天 至 約 三 星 期 的 壽 命 。 太 陽 黑 子 的 多 寡 變 化 有 一 個 十 一 年 的 周 期 , 在 周 期 之 始 , 黑 子 基 本 上 出 現 在 緯 度 較 高 的 地 方 ( 即 離 太 陽 赤 道 較 遠 ) , 接 著 太 陽 黑 子 數 目 會 不 斷 增 多 , 並 且 會 向 赤 道 靠 攏 。 假 若 我 們 以 圖 顯 示 黑 子 位 置 與 時 間 的 關 係 , 便 會 得 出 著 名 的 「 蝴 蝶 圖 」 。

利 用 光 譜 分 析 , 科 學 家 得 知 太 陽 黑 子 的 磁 場 相 當 強 , 比 太 陽 平 均 磁 場 強 上 千 倍 。 黑 子 經 常 成 雙 成 對 出 現 , 每 對 皆 由 極 性 相 反 的 黑 子 組 成 , 若 一 個 為 磁 北 , 另 一 個 必 為 磁 南 , 由 此 我 們 估 計 每 對 黑 子 皆 由 磁 力 線 所 連 繫 , 強 大 的 磁 場 牽 制 著 光 球 層 上 的 氣 體 , 並 阻 止 了 下 層 較 熾 熱 的 氣 體 上 升 至 黑 子 範 圍 , 結 果 黑 子 比 太 陽 表 面 其 他 地 方 溫 度 較 低 。 最 後 值 得 一 提 的 是 , 黑 子 的 數 目 和 地 球 的 氣 候 有 微 妙 的 關 係 , 研 究 顯 示 在 地 球 上 一 次 冰 河 期 時 , 太 陽 黑 子 的 數 目 異 常 地 少 。

太 陽 的 內 部 結 構

在 探 討 太 陽 內 部 結 構 之 前 , 有 一 個 關 於 太 陽 的 現 象 實 在 不 可 不 提 , 原 來 太 陽 的 自 轉 速 度 在 不 同 地 方 是 不 同 的 , 簡 單 來 說 , 赤 道 附 近 轉 得 最 快 , 愈 接 近 兩 極 則 轉 得 愈 慢 , 我 們 稱 之 為 較 差 自 轉 。 我 們 相 信 太 陽 黑 子 和 不 少 太 陽 的 活 動 , 皆 是 由 較 差 自 轉 所 造 成 的 。 對 此 有 興 趣 的 讀 者 可 參 考 課 本 的 討 論 。 ( 你 可 知 道 如 何 證 實 較 差 自 轉 ? )

看 不 到 的 太 陽 內 部 可 以 分 為 三 個 部 分 : 核 心 ( 熱 核 反 應 發 生 處 ) 、 輻 射 層 ( 能 量 以 輻 射 方 式 傳 播 的 區 域 ) 和 對 流 層 ( 能 量 以 對 流 方 式 傳 播 ) 。 我 們 將 會 逐 一 介 紹 它 們 。

能 量 產 生 的 機 制 : 太 陽 靠 甚 麼 發 光 發 熱 ? 這 個 問 題 一 直 以 來 引 起 無 數 人 的 好 奇 和 揣 測 。 有 人 提 出 太 陽 的 能 源 來 自 化 學 能 、 重 力 能 等 等 , 由 於 這 些 能 源 皆 不 可 能 維 持 太 久 , 終 被 科 學 界 一 一 否 定 。 真 正 的 答 案 是 一 種 稱 為 p-p 鏈 ( 或 質 子 ─ 質 子 鏈 ) 的 核 聚 變 , 這 種 機 制 包 括 一 連 串 的 核 反 應 ( 有 興 趣 的 讀 者 可 參 考 課 本 較 詳 細 的 討 論 ) , 但 總 結 果 是 四 顆 氫 原 子 融 合 為 一 顆 氦 原 子 , 過 程 中 會 以 發 放 伽 瑪 射 線 ( 光 子 ) 及 其 他 粒 子 的 形 式 釋 放 出 大 量 能 量 。 ( 註 : 光 子 是 組 成 光 的 粒 子 。 p-p 鏈 產 生 的 其 中 一 種 粒 子 是 中 微 子 ﹐ 它 是 零 質 量 和 不 帶 電 ﹐ 我 們 會 在 第 十 六 章 再 詳 細 討 論 。 )

4 1H -> 4He + 光 子 + 其 他 粒 子

核 聚 變 要 在 非 常 極 端 的 環 境 下 才 能 發 生 , 到 目 前 為 止 科 學 家 仍 無 法 在 地 球 的 實 驗 室 內 穩 定 地 製 造 出 所 需 情 況 。 首 先 核 聚 變 需 要 極 高 的 溫 度 , 讓 氫 原 子 核 能 有 足 夠 的 能 量 克 服 原 子 核 之 間 的 電 排 斥 力 , 此 外 亦 需 要 極 高 的 密 度 去 增 加 粒 子 碰 撞 的 機 會 , 所 以 核 聚 變 只 能 在 溫 度 高 達 107 絕 對 溫 度 的 太 陽 核 心 內 發 生 。

能 量 傳 播 : 光 子 在 太 陽 核 心 產 生 後 , 如 何 走 到 太 陽 的 表 面 呢 ? 光 子 走 了 不 足 一 厘 米 後 , 便 會 被 其 他 物 質 ( 主 要 是 電 子 和 其 他 原 子 核 ) 吸 收 , 這 些 物 質 會 把 吸 收 的 能 量 以 多 顆 光 子 的 形 式 釋 放 出 來 , 這 些 隨 機 向 四 方 發 射 的 光 子 會 較 原 本 的 光 子 有 更 長 的 波 長 , 亦 即 能 量 亦 較 低 。 這 種 能 量 傳 播 方 式 稱 為 輻 射 傳 播 , 一 顆 在 核 心 內 產 生 的 光 子 , 需 要 數 千 萬 年 才 能 以 數 千 顆 低 能 量 、主 要 是 可 見 光 的 光 子 的 形 式 到 達 太 陽 表 面 。

離 核 心 越 遠 , 氣 體 溫 度 越 低 ﹐ 開 始 變 得 不 透 明 ﹐ 光 子 很 容 易 被 吸 收 , 輻 射 傳 播 的 效 率 因 而 很 低 , 因 此 在 太 陽 外 層 , 對 流 取 代 了 輻 射 成 為 傳 播 能 量 至 太 陽 表 面 更 重 要 的 方 式 。

穩 定 性

在 一 顆 恆 星 形 成 初 期 , 引 力 是 演 化 的 主 導 力 量 , 令 恆 星 不 斷 收 縮 。 隨 著 恆 星 不 斷 收 縮 , 核 心 氣 體 的 溫 度 及 密 度 亦 不 斷 上 升 , 直 至 燃 點 起 熱 核 反 應 , 所 產 生 的 能 量 會 造 成 兩 種 向 外 的 壓 力 , 對 抗 向 內 的 萬 有 引 力 。 最 後 向 內 的 引 力 和 向 外 的 壓 力 會 達 致 平 衡 , 讓 恆 星 可 以 長 時 間 保 持 穩 定 ( 由 數 百 萬 至 數 百 億 年 不 等 ) 。 無 庸 多 言 , 就 是 因 為 太 陽 能 長 期 穩 定 地 發 出 光 和 熱 , 地 球 上 的 生 物 才 能 生 生 不 息 , 不 斷 茁 壯 成 長 。

第 一 種 向 外 壓 力 是 恆 星 物 質 所 造 成 的 氣 體 壓 力 , 溫 度 越 高 、 物 質 越 多 , 氣 體 壓 力 便 越 大 。 第 二 種 向 外 壓 力 是 光 子 所 造 成 的 輻 射 壓 力 , 這 種 壓 力 亦 會 隨 溫 度 上 升 。

無 論 是 哪 一 種 壓 力 , 力 量 都 源 自 太 陽 核 心 所 產 生 的 能 量 , 一 旦 核 心 的 核 聚 變 停 止 , 恆 星 便 會 開 始 塌 縮 。

太 陽 觀 測

注 意 : 在 沒 有 適 當 減 光 設 備 的 情 況 下 直 接 觀 看 太 陽 , 可 能 會 導 致 失 明 !

有 兩 種 安 全 的 方 法 觀 測 太 陽 :

投 影 法 : 我 們 可 以 利 用 望 遠 鏡 把 太 陽 的 影 像 投 影 在 熒 幕 上 , 然 後 觀 看 熒 幕 上 的 影 像 。

太 陽 濾 鏡 : 另 一 個 方 法 是 在 望 遠 鏡 上 安 裝 特 別 設 計 的 太 陽 濾 鏡 , 以 減 低 太 陽 的 光 度 。 一 般 來 說 , 鏡 前 減 光 比 鏡 後 減 光 安 全 。
緊 記 , 以 下 並 不 是 觀 測 太 陽 的 安 全 方 法 :

以 肉 眼 直 接 觀 看 太 陽 ;

1.  透 過 太 陽 眼 鏡 、 完 全 曝 光 底 片( 俗 稱 盲 片 ) 、 燻 黑 的 玻 璃 或 擺 放 在 目 鏡 上 的 小 型 太 陽 濾 鏡 觀 看 太 陽 ;

2.  觀 看 太 陽 在 水 中 或 墨 水 中 的 倒 影 。

小 心 駛 得 萬 年 船 , 只 要 你 不 肯 定 方 法 是 否 安 全 , 就 絕 不 要 冒 險 嘗 試 !
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Let's go to discuss ~*

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E.T

 
文章: 1486
註冊時間: 2003-03-29
來自: 香港




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