为什么太阳这么热呢（太阳是个啥玩意）

编写作者：零度星系（天文在线）

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！（PS：很多人觉得研究太阳，感觉好高端d(ŐдŐ๑)，其实普普通通而已）

Author Geoff Elston

“太阳”俩字的含义

首先我们要了解下太阳这2个字的含义，简单的说就是太大的意思，阳光太强的意思。“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。现在是不是感觉太阳很大了，如果这样不太直观的话，那么我们可以这样打个比方：把地球比作一个小弹珠，把太阳比作一个超级大的球体（类似于大气球）。这个超级大气球可以装下约130万个小弹珠，对应于太阳可以装下约130万个地球！现在感觉是不是太阳非常巨大了？！

太阳是一个很接近于理想的球体，因为其扁率只有约9×10^−6（900万分之一），也就是说南北极点之间的直径与赤道直径相差只有几公里而已。

好了，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）。

太阳日珥大小与木星、地球比较，图片来自：星娃网

太阳是个啥？大火球？

好了，前面已经贫完！现在我们开始讲重点。太阳到底是什么东西？火球么？像地球上的火一样？不不不不不不！！！这是很多人的误区！严格讲，太阳既不是气体也不是什么大火球，太阳是一种等离子体状态（PS：地球上的一般火焰温度不足以达到等离子体状态，或者可以说太阳是个更热的大火球），并且还有极其复杂的磁场。 那么问题来了，有人肯定会问了，等离子体又是啥？粗略简单来讲，一块固态的冰加热变成液态水，继续加热变成气态的水蒸气，然后再加热当温度高到足以“剥离”原子中的电子时（原子核与电子分开），就形成了等离子体（固>液>气>等离子体）。深层的科学性讲法，这里就不介绍，高中物理课本有。用几个生活例子来说下，应该大家能够更懂。雷雨天气的闪电、电焊的弧光、广告牌的霓虹灯等等这些高温高压恶劣环境之下的都是等离子体状态。由于太阳很热，温度极小区也有3800度左右，所以也可以把太阳当作一个等离子体大“火球”！

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%！

太阳是一颗恒星

天文意义上的定义，把太阳叫做恒星。从字面意思不难看出，有着恒定不变的意思。但是恰恰相反，太阳本身很活跃，尤其是内部的核聚变，非常的激烈，每秒钟核聚变所释放的

能量相当于900多亿颗世界上最大的氢弹同时爆炸（一颗苏联超级氢弹“大伊万”，相当于5000万吨TNT炸药）！太阳日面上以及大气层中的活动也是很剧烈的，如太阳耀斑等，后文我将详细描写。对于恒星的定义，还有一种比较粗略的说法，就是它本身可以发光，而行星（如地球，金星等等）本身不发光，需要借助太阳光反射。古代很多人都认为夜晚的星辰以及白天的太阳几乎位置不变（四季变化中太阳在天空中固定位置反复的摆动），所以称它们为恒星。这只是作为地球参考而言，如果我们以我们的银河系来作为参考的话。太阳是以~220 km/秒的速度环绕银河系中心公转的，所以恒星不是不变的，其它恒星也是一样在动的。

太阳到底有多亮？

在天文定义上，从地球所见到的太阳目视星等（亮度）约-26.74（等）！那么这是什么概念？到底有多亮啦？想必大家都见过夜晚满月的亮度，它的亮度使得我们身边的东西，在晚上都可以看见影子。满月的亮度约-12.74，根据视星等的相关计算，因此我们可以得出太阳的亮度比满月亮度强出约40万倍左右。在满月时，我们的肉眼看满月久了，眼睛也会受不了。可想而知，我们的肉眼肯定是不能直视太阳的，这样的强光严重时会导致失明，不可掉以轻心。因此观测太阳都需要专业的滤镜，将太阳强光部分滤掉。

太阳目前在宇宙的什么位置上？

？→宇宙→可观测宇宙→双鱼-鲸鱼座超星系团复合体→拉尼亚凯亚超星系团→室女超星系团→本星系群→银河系次星系群→银河系→太阳系公转轨道→猎户臂→古尔德带→本地泡→本地星际云→太阳系

目前太阳距离银河中心大约2万5千光年，以250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。

图片来自：Andrew Z. Colvin

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

太阳的周期

自转周期

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。

图片来自：英语听力室

公转周期

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。

活动周期（黑子周期）

太阳黑子周期粗略的说就是从极低谷走向极高谷的一个过程，太阳黑子数从极少走向极多，因为太阳黑子是太阳活动最为显著的现象，所以可以称为太阳的活动周期。这一活动周期时间大约11.4年一个轮回，也就是太阳南北的前导黑子的磁场会颠倒，交替变化。

图片来自：香港天文台

生命周期

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。

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太阳的结构

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。

这里我们就简单的介绍下各个结构：

图片来自：phys.ncku.edu

太阳核心

首先是太阳的核心结构，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！密度比地球的水大162倍左右，压强更是无比惊人的大，是标准大气压的2477亿倍左右（2.477 x 10的11次方巴）！！前面已经讲过，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。但是这些光什么东西，要从核心跑到我们可见，那是相当不容易啊！这些光子要穿过一层困难重重的东西，这就是我们接下来要讲的辐射层。

太阳辐射层

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。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。

由于核聚变产生的是高能量的光子流，这些光子流如果直接出来的话，我们肉眼是不可以看见的，只能是仪器检测。所以这一辐射区域还有个作用就是将高能量的光子流转换为我们肉眼可以看见的低能量可以波段的光子流。

这一区域的温度从约700万度降至约200万度。

太阳差旋层

目前的说法是，这里是太阳的磁发电机厂，意思是太阳大部分的磁场源自这里。

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。

太阳对流层

简单的说，就是上下对流的意思。热的物质（太阳这里是等离子体）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。

这一层是太阳的圆球体外层（位于光球日面下方），从光球日面下至大约20万公里。这一层的温度也开始下降，到光球层时，温度仅仅只有5700度了。密度也开始变得透明，光子很快就可以抵达到光球层面上为我们所见。

这一层的对流在太阳极区时转速慢，在赤道时转速快，所以形成了被称为“较差自旋”的东西。因此这样太阳表面的磁场就会被“搞”得很乱，像麻花一样缠绵。

太阳光球层

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。

这一层的温度已经很低了，有效温度约5500度，不过太阳黑子区域的温度要比太阳表面周围的略低些。

太阳光球层可以说相当于我们的地球地面，因为在这层之下，我们的光学系统是无法看见对流这一层的，只能借助于类似地震学的日“震”学来间接的探测太阳的内部构造。

这一层有许多不一样的看点，主要有太阳黑子，太阳光斑，米粒组织等等显著的太阳活动现象。

光球层顶部的大气压约0.0008566个（地球）标准大气压，而底部的也只有约0.12个标准大气压。

光球层从底部往上走到顶部，温度逐渐下降。温度从底部约6300度降到顶部约4100度，顶部的低温度导致物质只有部分被电离，如氦，也有可能形成一些简单的分子结构。

光球层中的太阳黑子

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（光球非常近似于黑体）的热强度（I）与温度（T）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。如北部地区的黑子是正负，那么下一周期变为负正。太阳黑子的结构，主要分为本影和半影。本影最黑磁场也最强，磁力线几乎垂直于太阳光球层。近期科学家发现，太阳黑子最中心有个亮区，称为亮墙。

光球层的元素：主要元素的H - 90.965%, He - 8.889%。

图片来自：Own work

太阳的大气层结构

太阳大气层由内向外分别是温度极小区，色球层，过渡区，日冕层，太阳圈。

图片来自：tongxueweb

温度极小区

这是太阳上气温最低的区域，位置大约在光球层上空约~500公里处，其厚度约200公里左右。温度低到只有3800度左右，这样的温度，可以维持一些简单的分子存在。如CO以及H2O等，它们的吸收谱线可以检测到。

色球层

温度极小区上面一层，按理说越往外离太阳越远也就越冷才对。但是过了这一层后，温度反而升高了。在色球层顶部时，温度居然上升到了，3万度！目前科学家还不知道是怎么回事，可能是磁重联的加热机制，后面的温度将更高！这样高的温度，氦全部被完全电离，呈现等离子体状。

色球层的厚度大约在~2500公里左右，平时一般的太阳滤镜只能看见光球层，这一层需要一些专业的滤镜才能看见，如Hα滤镜。加上滤镜就可以看见一些明亮区域，被成为谱斑。以及可以看见日珥（暗条），在边缘成型的日珥和日面投影的暗条，暗条和日珥其实就一种，只是角度不同而已。日珥温度比较低，所以在日面时会显得暗。一些大日珥往往对应的下方光球层就是太阳黑子活动区，日珥是沿着磁流管上升或下降的等离子体物质。有时我们还可以在这一层看见太阳耀斑，一种太阳剧烈的短暂活动，可能是因磁重联现象而产生的。当太阳耀斑爆发时，从色球滤镜可以看到明亮的物质，越亮往往表示耀斑越强烈。一般的耀斑爆发时，温度极高，可以上升到数千万度，每秒钟相当于同时爆炸上百亿颗超级氢弹。

图片来自：iaa.ncku.edu

图片来自：中国大百科全书

过渡区

色球与日冕的过渡区，或也是温度猛烈上升的过渡区。

这一区域厚度大约在200公里左右，温度从3万度直飙上百万度！以至于氦被完全电离了！

日冕

位于过渡区上面一层，其厚度达到上百万公里，更广义的讲，地球轨道以内的，都可以归纳到日冕定义范围中。

这一层的温度直接在上百万度以上，最高区域的温度，更加达到上千万度，甚至比太阳核心温度还要高！简直不可思议，目前科学家还没有完美的理论来解释这一现象。但是目前多少可以知道，一部分热量来自磁重联现象，也就是磁力线断开后重新排布新的磁力线。这一现象中磁能会转为粒子的动能和热能。

在日全食时，就可以看见太阳周围壮观的日冕。

图片版权见水印

太阳圈

这一层可以延伸到日鞘，也就是与星际空间接触。太阳圈里面有大量吹拂的太阳风，也就是等离子体。也有从太阳出来的漩涡形状的行星际磁场，由于太阳的自转导致其磁场成螺旋形状。

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。

太阳耀斑爆发后，主要分3波攻击我们地球：

第一波来得最快，主要是电磁辐射和电离层扰动。

以光速前进的极紫外线以及X射线（高能量光子流）在爆发后8分钟抵达地球。位于地球上空约36000公里的GOES人造卫星的探测器就会检测到其能量强度，同时近地的人造卫星也会受到影响。极紫外线以及X射线等会使D层（距地面约50-90公里之间）的电离层密度中的电子密度增加，从而影响短波通讯，甚至D层的电离层会把发射出来的短波通讯全部吸收掉。我们的无线电短波通讯主要靠电离层来反射实现远距离传播的，如果电离层出问题了，那么短波通讯自然就出问题。

极紫外线与X射线在电离层时就已经被地球大气层吸收掉了，所以大部分的电磁辐射都不会到达地面而影响人类。

这些电磁辐射还会加热地球大气温度，使得热大气上升。导致上层大气密度增加，从而增加了低轨道人造卫星的阻力。使得卫星速度变慢，卫星轨道降低，并最终提早再入大气层。

第二波攻击主要是太阳耀斑爆发携带出来的高能粒子（大部分为质子）。

太阳耀斑爆发后大约几十分钟后，伴随的高能带电粒子流会撞击地球。这些高能带电粒子主要为质子，所以成为太阳质子事件。高能粒子会影响我们的人造卫星，使人造卫星核心元件的损坏，以及对宇航员的身体造成伤害。

带电的高能质子流会沿着地球磁场的磁力线向南北极地移动，并沉降到电离层的D层，使电子密度增加，从而导致短波无线电通讯部分中断，甚至完全中断。极端强大的太阳质子事件，会影响到在地球极地附近的高空飞行员。所以在太阳质子事件时，相对于全球而言，极地高空是很危险的地方。

这里需要注意，质子不会产生极光，一般只有电子才会产生。

第三波来得最晚，也最为“致命”！强大的太阳风暴。

太阳风主要由太阳耀斑产生的日冕大量抛射引起的（并不是所有的都是太阳耀斑产生的），太阳风中带有大量的带电粒子等离子体以及粒子离子体。

当日冕大量抛射抵达地球时，主要会引起地磁暴，也就是对地球磁场的强烈扰动。 强烈的太阳风会扭曲地球的磁场。由于电磁感应产生瞬间电流猛烈波动，能损毁变压器、电子仪器和导航设备等等。

地磁暴的发生会导致地球低轨道大气密度的急剧增大，对卫星的阻力迅速上升，引起卫星轨道的快速衰减，从而导致卫星可能提前再入大气层。地磁暴对地球大气层的加热机制比太阳耀斑的电磁辐射更加复杂。

太阳风还会导致磁尾热等离子体大量注入，这样就会导致地球夜面上空的中高轨卫星的表面充放电效应概率增高。

太阳风的带电粒子（主要为电子）会沿着地球磁场下降到极地附近的上空，并与大气层中的分子以及原子相撞，比如电子撞击氧原子，引起激发态产生绿光及红光等。氮则释放出紫红色光和蓝光等。极光高度一般在80公里以上的电离层内产生，高层极光颜色一般为红色，低层一般为绿色。

地磁暴及其后数天，还可能引发高能电子暴，这会导致高轨卫星的深层充电效应概率增大。也可能发生电离层暴，引起全球导航定位精度的下降。

太阳风暴的三轮攻击，图片来自：空间环境预报-《“中元节”太阳风暴回顾》

世界上的太阳望远镜简介

太阳望远镜就是专门看太阳的望远镜，有光学望远镜和射电（无线电）望远镜。

首先是光学太阳望远镜，它主要看太阳的光球，色球，日冕等这些太阳大气层内部结构。目前全世界共计有3台大型著名的光学太阳望远镜，分别位于亚洲中国云南地区的1米新真空太阳望远镜，以及欧洲瑞典1米真空太阳望远镜，还有1米6的美国大熊湖太阳望远镜（非真空）。

目前来说全世界最大的新真空太阳望远镜为云南天文台的1米新真空太阳望远镜，其有效口径为0.99米，真空窗直径达到了1.2米，是目前世界上最大口径的真空太阳望远镜。

图片来自：FSO官网

参考资料

1. WJ百科-太阳 [2018-04-28]

1. NASA-Sun Fact Sheet [2018-02-23]

1. FSO

1. NSSC

1. NOAA-SWPC

1. 中国大百科全书

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