太陽是個啥玩意，它到底有多熱？

來自專欄天文在線

編寫作者：零度星系（天文在線）

編寫時間：2018年4月22日-5月30日

注意：所有信息數據龐大且由本人一人編輯，難免出現錯誤，還請指出錯誤所在好加以改之。

我們每天都會看見太陽，它每天都會升起落下升起落下，反反覆復。太陽帶給我們了光和熱，促使萬物生長。那麼問題來了，太陽究竟是個啥子東東？為啥子會發光發熱？因為太陽是我們每天「接觸」最多的玩意，所以人類的好奇心就想去研究它。話不多說，我們就來開始「研究」太陽吧！（PS：很多人覺得研究太陽，感覺好高端d(?д??)，其實普普通通而已）

Author Geoff Elston

「太陽」倆字的含義

首先我們要了解下太陽這2個字的含義，簡單的說就是太大的意思，陽光太強的意思。「太」是指太陽非常的巨大，到底有多大？要理解這個有多大，首先我們要了解下我們生活的地球有多大。根據NASA（權威數據，下同）給出的最新數據，地球半徑約6371公里（千米，下同），太陽半徑約695700公里。因此太陽的半徑約是地球的109.2倍。是不是覺得很大，或者你還沒有感覺？那麼我們來比下它倆的體積吧！地球體積約1.083x10^12km^3（立方千米），太陽體積約141 2000x10^12km^3，因此太陽體積約是地球體積的130 4000倍。現在是不是感覺太陽很大了，如果這樣不太直觀的話，那麼我們可以這樣打個比方：把地球比作一個小彈珠，把太陽比作一個超級大的球體（類似於大氣球）。這個超級大氣球可以裝下約130萬個小彈珠，對應於太陽可以裝下約130萬個地球！現在感覺是不是太陽非常巨大了？！

太陽是一個很接近於理想的球體，因為其扁率只有約9×10^?6（900萬分之一），也就是說南北極點之間的直徑與赤道直徑相差只有幾公里而已。

好了，接下來我們來說說這個「陽」字吧，我們不鑽牛角尖，就把這個「陽」字比作是太陽的光和熱。我們這裡就說簡單一點，太陽的光和熱基本上都來自於太陽內部的核聚變（就大致相當於氫彈爆炸）。

太陽日珥大小與木星、地球比較，圖片來自：星娃網

太陽是個啥？大火球？

好了，前面已經貧完！現在我們開始講重點。太陽到底是什麼東西？火球么？像地球上的火一樣？不不不不不不！！！這是很多人的誤區！嚴格講，太陽既不是氣體也不是什麼大火球，太陽是一種等離子體狀態（PS：地球上的一般火焰溫度不足以達到等離子體狀態，或者可以說太陽是個更熱的大火球），並且還有極其複雜的磁場。 那麼問題來了，有人肯定會問了，等離子體又是啥？粗略簡單來講，一塊固態的冰加熱變成液態水，繼續加熱變成氣態的水蒸氣，然後再加熱當溫度高到足以「剝離」原子中的電子時（原子核與電子分開），就形成了等離子體（固>液>氣>等離子體）。深層的科學性講法，這裡就不介紹，高中物理課本有。用幾個生活例子來說下，應該大家能夠更懂。雷雨天氣的閃電、電焊的弧光、廣告牌的霓虹燈等等這些高溫高壓惡劣環境之下的都是等離子體狀態。由於太陽很熱，溫度極小區也有4000度以上，所以也可以把太陽當作一個等離子體大「火球」！

太陽到底由啥物質組成的？

太陽雖然是等離子體狀態，但是也有物質本質的性質。在化學定義中（按質量），太陽最多的東東是氫（這裡可不是什麼好玩的氫氣H2，準確說是H正離子），佔到了大約四分之三，剩下的幾乎都是氦了，以及其它亂七八糟的化學元素。

在光球層我們可以很精確的測量出其化學成分，主要的化學元素：H - 90.965%, He - 8.889%。

太陽的總質量約佔太陽系總質量的99.86%，看起來不可思議，行星、衛星、彗星等等其它太陽系內所有天體的總質量居然才占約0.14%！

太陽是一顆恆星

天文意義上的定義，把太陽叫做恆星。從字面意思不難看出，有著恆定不變的意思。但是恰恰相反，太陽本身很活躍，尤其是內部的核聚變，非常的激烈，每秒鐘核聚變所釋放的

能量相當於900多億顆世界上最大的氫彈同時爆炸（一顆蘇聯超級氫彈「大伊萬」，相當於5000萬噸TNT炸藥）！太陽日面上以及大氣層中的活動也是很劇烈的，如太陽耀斑等，後文我將詳細描寫。對於恆星的定義，還有一種比較粗略的說法，就是它本身可以發光，而行星（如地球，金星等等）本身不發光，需要藉助太陽光反射。古代很多人都認為夜晚的星辰以及白天的太陽幾乎位置不變（四季變化中太陽在天空中固定位置反覆的擺動），所以稱它們為恆星。這只是作為地球參考而言，如果我們以我們的銀河系來作為參考的話。太陽是以~220 km/秒的速度環繞銀河系中心公轉的，所以恆星不是不變的，其它恆星也是一樣在動的。

太陽到底有多亮？

在天文定義上，從地球所見到的太陽目視星等（亮度）約-26.74（等）！那麼這是什麼概念？到底有多亮啦？想必大家都見過夜晚滿月的亮度，它的亮度使得我們身邊的東西，在晚上都可以看見影子。滿月的亮度約-12.74，根據視星等的相關計算，因此我們可以得出太陽的亮度比滿月亮度強出約40萬倍左右。在滿月時，我們的肉眼看滿月久了，眼睛也會受不了。可想而知，我們的肉眼肯定是不能直視太陽的，這樣的強光嚴重時會導致失明，不可掉以輕心。因此觀測太陽都需要專業的濾鏡，將太陽強光部分濾掉。

太陽目前在宇宙的什麼位置上？

？→宇宙→可觀測宇宙→雙魚-鯨魚座超星系團複合體→拉尼亞凱亞超星系團→室女超星系團→本星系群→銀河系次星系群→銀河系→太陽系公轉軌道→獵戶臂→古爾德帶→本地泡→本地星際雲→太陽系

目前太陽距離銀河中心大約2萬5千光年，以250公里/秒的速度繞銀河中心公轉。如果要繞完一周，太陽大約需要花2億5000萬年的時間。根據太陽的生命周期來算的話，它大概已經繞銀河二十多圈了。

圖片來自：Andrew Z. Colvin

Author NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt

太陽的周期

自轉周期

由於太陽非固體，而是等離子體流，對流層又有較差自旋。因此赤道附近的自轉速度與極區附近的不同，赤道快（約7000km/h），極區慢。赤道附近自轉一周大約需要25天，然而在極區大約需要34天。

圖片來自：英語聽力室

公轉周期

目前太陽距離銀河中心大約2萬5千光年，以大約220公里/秒的速度繞銀河中心公轉。如果要繞完一周，太陽大約需要花2億5000萬年的時間。根據太陽的生命周期來算的話，它大概已經繞銀河二十多圈了。

活動周期（黑子周期）

太陽黑子周期粗略的說就是從極低谷走向極高谷的一個過程，太陽黑子數從極少走向極多，因為太陽黑子是太陽活動最為顯著的現象，所以可以稱為太陽的活動周期。這一活動周期時間大約11.4年一個輪迴，也就是太陽南北的前導黑子的磁場會顛倒，交替變化。

圖片來自：香港天文台

生命周期

宇宙中無論什麼都有生命周期（有始有終），小到原子（衰變），大到整個宇宙。因此太陽也有生命周期，從「出生」到「死亡」。根據目前的學說，太陽大約在45.7億年前形成的。最初是由一大堆氫分子雲中形成的。

太陽目前處於「中年」時期，科學上講就是主序帶。主序帶期間主要就是氫核聚變產生氦的過程，太陽位於主序帶的時間總共會有約100億年左右，也就是太陽會在「青春期」待個100億年左右，這真是「青春永存」啊！當然不能永存的，太陽會在當前的大約50億年後開始進入「老人期」。又是科學上講的是紅巨星階段，這一階段太陽核心由於沒有氫參與核聚變而收縮抵抗引力塌陷溫度變得很高，周圍的氫也收縮並具有強烈的核聚變。強大的輻射壓力使得外圍體積膨脹而溫度降低，表面看起來是紅色的，這就是紅巨星。當溫度達到約1億度時，核心的氦便開始核聚變產生碳，最里的核心會形成一個小型的「白矮星」（處於電子簡併太）。外層較冷區域就發生氫核聚變，也隨核心收縮。由於核心的強大輻射壓力以及劇烈的環境，失控的氦聚變將導致氦閃，釋放的巨大能量使太陽核心大幅度膨脹，解除了電子簡併態，然後核心剩餘的氦進行穩定的聚變。此時太陽的亮度會突然增亮，然後體積縮小，重複上述。這是太陽變成紅巨星後的漸近巨星分支階段，此時的太陽逐漸接近尾聲。

紅巨星階段之後，激烈的熱脈動將導致太陽外層的氣體逃逸，形成行星狀星雲。被剝離的中央只剩下一顆超金屬態的白矮星，密度驚人，1隻粉筆在地球上的重量相當於幾百噸。

白矮星過後，由於沒有核聚變等能源的提供，溫度以及光度都開始下降，最後變為黑矮星。但是目前宇宙太過於年輕（約138億歲），所以還沒有發現黑矮星的存在。即使最年老的白矮星，它也會輻射出上千度的溫度。

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太陽的結構

我們前面已經知曉太陽是一個超級等離子體「大火球」，接下來我們來聊一聊太陽的結構。這使得我們好奇心十足了，都很想知道太陽的結構。目前的太陽標準模型組成結構由內向外分別是：核心>輻射層>差旋層>對流層>光球（這裡相當於表面了，我們光學設備只能看到這裡），然後是太陽大氣層分別是溫度極小區>色球>過渡區>日冕>太陽圈。

這裡我們就簡單的介紹下各個結構：

圖片來自：http://phys.ncku.edu

太陽核心

首先是太陽的核心結構，這裡的環境是你我無法想像的，極端的惡劣。電腦模型指出（因為無法直接看見內部，所以只能間接的得到數據），溫度可以高到約1571萬度！密度比地球的水大162倍左右，壓強更是無比驚人的大，是標準大氣壓的2477億倍左右（2.477 x 10的11次方巴）！！前面已經講過，這裡是核聚變的「家」。相當於每秒鐘900多億顆「大伊萬」超級氫彈同時爆炸，關於「大伊萬」氫彈的威力，你可以搜索一下，1顆的威力就非常驚人！這裡的核聚變，每秒鐘至少要「吃掉」6.2億噸的氫，但是這其中只有約0.7%的質量轉換為了能量（具體能量值如前面說的）。核聚變產生的99%的能量，只發生在約24%太陽半徑內，在約30%太陽半徑處，核聚變基本完全停止。

我們接受到的光和熱，絕大多數都來自太陽核心的核聚變。但是這些光什麼東西，要從核心跑到我們可見，那是相當不容易啊！這些光子要穿過一層困難重重的東西，這就是我們接下來要講的輻射層。

太陽輻射層

輻射層是太陽核心向外走的第二層結構，大約處在0.25至0.71個太陽半徑處。由於這裡的等離子體物質熱而稠密，所以核聚變產生的高能量光子流（伽馬射線）需要花費很長的時間才能「走出」這一區域抵達下一區域。這些光子是非常幸苦的，它們大約需要平均17萬年或更長的時間來「走出」輻射層。因此我們看見的太陽光「來自不易」，當其抵達光球層時，它就會以可見光形式輻射到空間中。由於太陽距離我們很遠，所以還得需要約8分19秒的時間才能抵達地球，為我們所見。

由於核聚變產生的是高能量的光子流，這些光子流如果直接出來的話，我們肉眼是不可以看見的，只能是儀器檢測。所以這一輻射區域還有個作用就是將高能量的光子流轉換為我們肉眼可以看見的低能量可以波段的光子流。

這一區域的溫度從約700萬度降至約200萬度。

太陽差旋層

目前的說法是，這裡是太陽的磁發電機廠，意思是太陽大部分的磁場源自這裡。

差旋層位於約0.7個太陽半徑處 (從核心量起，表面為1太陽半徑)，厚度約是0.04個太陽半徑，相當於27828公里。這一層區是輻射層與對流層的過度區，因為具有很大的轉速變化導致的切變，所以會有很多磁場在這裡產生。

太陽對流層

簡單的說，就是上下對流的意思。熱的物質（太陽這裡是等離子體）上升，冷的物質下降。形成熱柱，從而形成一些米粒組織以及「小磁場」發電機。因為熱柱具有貝納得穴流性質，所以米粒組織往往看起來像六角型的稜鏡。

這一層是太陽的圓球體外層（位於光球日面下方），從光球日面下至大約20萬公里。這一層的溫度也開始下降，到光球層時，溫度僅僅只有5700度了。密度也開始變得透明，光子很快就可以抵達到光球層面上為我們所見。

這一層的對流在太陽極區時轉速慢，在赤道時轉速快，所以形成了被稱為「較差自旋」的東西。因此這樣太陽表面的磁場就會被「搞」得很亂，像麻花一樣纏綿。

太陽光球層

我們看到的太陽表面就是這一層了，它相對於整個太陽來說，是一層最薄薄的一層了，大約只有500公里厚。

因為這一層區域很透明了，密度低，太陽的內部光子上來這一層後就可以自由的向各個方向傳播出去，當可見光波段的光子抵達我們地球時，就為我們所見了。

這一層的溫度已經很低了，有效溫度約5500度，不過太陽黑子區域的溫度要比太陽表面周圍的略低些。

太陽光球層可以說相當於我們的地球地面，因為在這層之下，我們的光學系統是無法看見對流這一層的，只能藉助於類似地震學的日「震」學來間接的探測太陽的內部構造。

這一層有許多不一樣的看點，主要有太陽黑子，太陽光斑，米粒組織等等顯著的太陽活動現象。

光球層頂部的大氣壓約0.0008566個（地球）標準大氣壓，而底部的也只有約0.12個標準大氣壓。

光球層從底部往上走到頂部，溫度逐漸下降。溫度從底部約6300度降到頂部約4100度，頂部的低溫度導致物質只有部分被電離，如氦，也有可能形成一些簡單的分子結構。

光球層中的太陽黑子

太陽黑子是太陽光球層上最為顯著的太陽活動現象，由於它的溫度輻射比周圍低，因此作為周圍參考物而顯得暗淡。這是因為黑體（光球非常近似於黑體）的熱強度（I）與溫度（T）的四次方成正比，所以很暗。太陽黑子的溫度大約在2700到4200度之間，雖然比周圍低。但是如果單獨把太陽黑子拿出來的話，其亮度比地球上的弧光亮好多倍！太陽黑子的溫度低，是由於強大的磁場抑制了對流層中熱等離子體物質的上升。太陽的磁場一般在3000高斯左右（這磁場雖然不高，但是對人體影響很大！），而太陽極地磁場僅僅只有幾高斯而已，地球磁場約0.5高斯。太陽黑子，一般都是成群出現，尤其是在太陽高峰期時。具有龐大而磁性極為複雜的黑子群，這樣複雜磁場類型的黑子群，往往會爆發大級別的太陽耀斑。太陽黑子的活動周期一般在約11.4周年，活動高峰時，黑子群主要集中於赤道附近。由於太陽自轉自東向西轉，所以會有「前導黑子」和「後隨黑子」的稱呼。每當太陽進入下一個周期時，南北黑子的磁性會正反調換。如北部地區的黑子是正負，那麼下一周期變為負正。太陽黑子的結構，主要分為本影和半影。本影最黑磁場也最強，磁力線幾乎垂直於太陽光球層。近期科學家發現，太陽黑子最中心有個亮區，稱為亮牆。

光球層的元素：主要元素的H - 90.965%, He - 8.889%。

圖片來自：Own work

太陽的大氣層結構

太陽大氣層由內向外分別是溫度極小區，色球層，過渡區，日冕層，太陽圈。

圖片來自：tongxueweb

溫度極小區

這是太陽上氣溫最低的區域，位置大約在光球層上空約~500公里處，其厚度約200公里左右。溫度低到只有3800度左右，這樣的溫度，可以維持一些簡單的分子存在。如CO以及H2O等，它們的吸收譜線可以檢測到。

色球層

溫度極小區上面一層，按理說越往外離太陽越遠也就越冷才對。但是過了這一層後，溫度反而升高了。在色球層頂部時，溫度居然上升到了，3萬度！目前科學家還不知道是怎麼回事，可能是磁重聯的加熱機制，後面的溫度將更高！這樣高的溫度，氦全部被完全電離，呈現等離子體狀。

色球層的厚度大約在~2500公里左右，平時一般的太陽濾鏡只能看見光球層，這一層需要一些專業的濾鏡才能看見，如Hα濾鏡。加上濾鏡就可以看見一些明亮區域，被成為譜斑。以及可以看見日珥（暗條），在邊緣成型的日珥和日面投影的暗條，暗條和日珥其實就一種，只是角度不同而已。日珥溫度比較低，所以在日面時會顯得暗。一些大日珥往往對應的下方光球層就是太陽黑子活動區，日珥是沿著磁流管上升或下降的等離子體物質。有時我們還可以在這一層看見太陽耀斑，一種太陽劇烈的短暫活動，可能是因磁重聯現象而產生的。當太陽耀斑爆發時，從色球濾鏡可以看到明亮的物質，越亮往往表示耀斑越強烈。一般的耀斑爆發時，溫度極高，可以上升到數千萬度，每秒鐘相當於同時爆炸上百億顆超級氫彈。

圖片來自：http://iaa.ncku.edu

圖片來自：中國大百科全書

過渡區

色球與日冕的過渡區，或也是溫度猛烈上升的過渡區。

這一區域厚度大約在200公里左右，溫度從3萬度直飆上百萬度！以至於氦被完全電離了！

日冕

位於過渡區上面一層，其厚度達到上百萬公里，更廣義的講，地球軌道以內的，都可以歸納到日冕定義範圍中。

這一層的溫度直接在上百萬度以上，最高區域的溫度，更加達到上千萬度，甚至比太陽核心溫度還要高！簡直不可思議，目前科學家還沒有完美的理論來解釋這一現象。但是目前多少可以知道，一部分熱量來自磁重聯現象，也就是磁力線斷開後重新排布新的磁力線。這一現象中磁能會轉為粒子的動能和熱能。

在日全食時，就可以看見太陽周圍壯觀的日冕。

圖片版權見水印

太陽圈

這一層可以延伸到日鞘，也就是與星際空間接觸。太陽圈裡面有大量吹拂的太陽風，也就是等離子體。也有從太陽出來的漩渦形狀的行星際磁場，由於太陽的自轉導致其磁場成螺旋形狀。

太陽活動對人類的影響

太陽活動主要會完成人造衛星的損壞，而無法正常工作。對宇航員的身體，有很大的傷害。電離層的吸收擾動會給無線電雷達通訊等造成影響，如飛機導航等等。可以在地球南北極地附近產生美麗的極光，但在小低谷時期，也可以給地球帶來小「冰河時期」。

太陽的活動主要來自於太陽黑子所帶來的太陽耀斑，太陽耀斑會釋放出強大的能量。什麼強大的x射線，伽馬射線，紫外射線等等，以及大量的高速帶電粒子。

每當有較大的太陽耀斑出現時，就會對我們有影響，主要是我們製造的儀器。

太陽耀斑爆發後，主要分3波攻擊我們地球：

第一波來得最快，主要是電磁輻射和電離層擾動。

以光速前進的極紫外線以及X射線（高能量光子流）在爆發後8分鐘抵達地球。位於地球上空約36000公里的GOES人造衛星的探測器就會檢測到其能量強度，同時近地的人造衛星也會受到影響。極紫外線以及X射線等會使D層（距地面約50-90公里之間）的電離層密度中的電子密度增加，從而影響短波通訊，甚至D層的電離層會把發射出來的短波通訊全部吸收掉。我們的無線電短波通訊主要靠電離層來反射實現遠距離傳播的，如果電離層出問題了，那麼短波通訊自然就出問題。

極紫外線與X射線在電離層時就已經被地球大氣層吸收掉了，所以大部分的電磁輻射都不會到達地面而影響人類。

這些電磁輻射還會加熱地球大氣溫度，使得熱大氣上升。導致上層大氣密度增加，從而增加了低軌道人造衛星的阻力。使得衛星速度變慢，衛星軌道降低，並最終提早再入大氣層。

第二波攻擊主要是太陽耀斑爆發攜帶出來的高能粒子（大部分為質子）。

太陽耀斑爆發後大約幾十分鐘後，伴隨的高能帶電粒子流會撞擊地球。這些高能帶電粒子主要為質子，所以成為太陽質子事件。高能粒子會影響我們的人造衛星，使人造衛星核心元件的損壞，以及對宇航員的身體造成傷害。

帶電的高能質子流會沿著地球磁場的磁力線向南北極地移動，並沉降到電離層的D層，使電子密度增加，從而導致短波無線電通訊部分中斷，甚至完全中斷。極端強大的太陽質子事件，會影響到在地球極地附近的高空飛行員。所以在太陽質子事件時，相對於全球而言，極地高空是很危險的地方。

這裡需要注意，質子不會產生極光，一般只有電子才會產生。

第三波來得最晚，也最為「致命」！強大的太陽風暴。

太陽風主要由太陽耀斑產生的日冕大量拋射引起的（並不是所有的都是太陽耀斑產生的），太陽風中帶有大量的帶電粒子等離子體以及粒子離子體。

當日冕大量拋射抵達地球時，主要會引起地磁暴，也就是對地球磁場的強烈擾動。 強烈的太陽風會扭曲地球的磁場。由於電磁感應產生瞬間電流猛烈波動，能損毀變壓器、電子儀器和導航設備等等。

地磁暴的發生會導致地球低軌道大氣密度的急劇增大，對衛星的阻力迅速上升，引起衛星軌道的快速衰減，從而導致衛星可能提前再入大氣層。地磁暴對地球大氣層的加熱機制比太陽耀斑的電磁輻射更加複雜。

太陽風還會導致磁尾熱等離子體大量注入，這樣就會導致地球夜面上空的中高軌衛星的表面充放電效應概率增高。

太陽風的帶電粒子（主要為電子）會沿著地球磁場下降到極地附近的上空，並與大氣層中的分子以及原子相撞，比如電子撞擊氧原子，引起激發態產生綠光及紅光等。氮則釋放出紫紅色光和藍光等。極光高度一般在80公里以上的電離層內產生，高層極光顏色一般為紅色，低層一般為綠色。

地磁暴及其後數天，還可能引發高能電子暴，這會導致高軌衛星的深層充電效應概率增大。也可能發生電離層暴，引起全球導航定位精度的下降。

太陽風暴的三輪攻擊，圖片來自：空間環境預報-《「中元節」太陽風暴回顧》

世界上的太陽望遠鏡簡介

太陽望遠鏡就是專門看太陽的望遠鏡，有光學望遠鏡和射電（無線電）望遠鏡。

首先是光學太陽望遠鏡，它主要看太陽的光球，色球，日冕等這些太陽大氣層內部結構。目前全世界共計有3台大型著名的光學太陽望遠鏡，分別位於亞洲中國雲南地區的1米新真空太陽望遠鏡，以及歐洲瑞典1米真空太陽望遠鏡，還有1米6的美國大熊湖太陽望遠鏡（非真空）。

目前來說全世界最大的新真空太陽望遠鏡為雲南天文台的1米新真空太陽望遠鏡，其有效口徑為0.99米，真空窗直徑達到了1.2米，是目前世界上最大口徑的真空太陽望遠鏡。

1. WJ百科-太陽 [2018-04-28]
2. NASA-Sun Fact Sheet [2018-02-23]
3. FSO
4. NSSC
5. NOAA-SWPC
6. 中國大百科全書

編寫作者：零度星系（天文在線）

編寫時間：2018年4月22日-5月30日

注意：所有信息數據龐大且由本人一人編輯，難免出現錯誤，還請指出錯誤所在好加以改之。