书城科普读物宇宙真相
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第8章 太阳之谜(2)

在主要由恒星组成的天空背景上,行星有明显的相对移动。水星是离太阳最近的行星,以下依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。

卫星是围绕着行星运行的天体,地球的卫星是月亮。卫星可以反射太阳光,不过除了月球,其它卫星的反射光都非常微弱。在大小和质量方面卫星相差悬殊,运动特性也很不一致。太阳系中,除了水星和金星,其它的行星都有各自数目不等的卫星。

小行星

太阳系内类似行星环绕太阳运动,但体积和质量都比行星小得多的天体叫做小行星。大部分小行星的运行轨道都在火星和木星之间。

在太阳系内至今为止一共已经发现了约70万颗小行星,但这可能仅是小行星总体的一小部分而已。在这些小行星中,只有少数小行星有着大于100千米的直径,微型小行星则只有鹅卵石一般大小。

约有 16个小行星的直径超过 240千米,它们位于地球轨道内侧到土星的轨道外侧之间,而绝大多数的小行星都集中在火星与木星轨道之间的小行星带。其中一些小行星的运行轨道与地球轨道相交,还曾有某些小行星与地球发生过碰撞。

彗星

作为太阳系中形状最奇特、多变的一员,彗星接近太阳时,彗头直径有的可以达到10万千米以上,彗尾更是长达上千万千米甚至更长。然而,它的平均密度竟比人造真空还低。有人估计,太阳系中有不下10亿颗的彗星,不过每年能用望远镜看到的只有几颗或十几颗。

流星

流星平常我们是看不见的,只有当它们落入地球大气层与大气摩擦并燃烧时,我们才会看到它在在天空中留下的一道耀眼亮光,这就是我们肉眼能看到的流星。通常来说,每年有不下20万吨的没有燃尽的流星体落到地面上,绝大多数只有针尖般大小,而所谓的陨星,就是有些质量较大的流星体没烧完就落下来了。

行星际物质

行星际物质大多集中在黄道面附近,极为稀薄,从而形成黄道光,这是一种锥体状的微弱光芒,在每天日出前或日落后出现在黄道两边,还有对日照,即在低纬度和高山地区,有时在背太阳的天空,可以看到的一个椭圆的亮斑。

延伸阅读——冥王星失去行星地位

冥王星位居太阳系九大行星末席长达70多年之久,其地位自发现之日起就备受争议。经过天文学界多年的争论,冥王星终于被驱逐出了行星家族,“惨遭降级”。从此之后,这个在太阳系边缘游走的天体将只能被称为“矮行星”了,就像其他一些差不多大的“兄弟姐妹”一样。

2006年8月24日,“行星”的新定义在国际天文学联合会大会获得通过,是指围绕太阳运转、自身引力足以克服其体力而使天体呈圆球状、且能够清除其轨道附近其他物体的天体。依据新的定义,冥王星被“驱逐”,太阳系行星有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。而根据新定义,同样呈圆球形、具有足够质量,但不能将其轨道附近其他物体的天体清除的被称为“矮行星”。冥王星据此就被定义为一颗矮行星。其他不符合上述条件的物体,虽然也围绕太阳运转,但被统称为“太阳系小天体”。

太阳到底有多热

对于我们的前辈们来说,太阳的重要性更主要的是来自于它作为一个光源的身份而非热源。在神话传说中,太阳总是神驾着的骏马(浑身发光),拉着的光彩夺目的战车,于天际之间翱翔,但却从未发现有关太阳热量的描写。更有甚者,曾有人幻想登上太阳的表面,就像做一次如登月一样的飞行,从而去探索太阳的奥秘。即使在人们已能理解太阳光的本质之时,仍未对太阳的热性质产生足够的重视。

我们早就知道,夏天比冬天暖和,白天比黑夜暖和,太阳直晒地比阴凉地暖和。而在此前提下,我们也只知道太阳是具有热量的,但可能根本没想知道太阳究竟多热。我们也仅仅能在1.5亿千米之外,通过感受太阳光来判断它是一个巨大的火球。幸运的是,我们无需通过制作一支特殊的温度计来测出太阳的温度,因为我们已经发现太阳本身的温度决定了它所发出的光线多少和强弱。

对太阳温度的探索

俄国天文学家采拉斯基教授很久以前曾做过这样一个实验:通过一个直径1米的凹面镜产生一个太阳像(1分钱硬币大小),该像位于凹面镜的焦点上。而当金属片被这个亮斑照射时,很快就弯曲、熔化了。经过采拉斯基教授测算,这个光斑的温度大约有3500℃。他断定,太阳上的温度一定要高于3500℃。

1879年,奥地利物理学家史蒂芬·斯塔梵指出,当某物体发生温度变化时,它所产生射线总量按绝对温度(一种温度的表征形式,绝对零度等于-273℃)变化的4次方变化。也就是说,如果物体的绝对温度变成原来的2倍,那该物体产生的射线总量就会升高为原来的16倍,以此类推,而当它的绝对温度升到3倍时,产生的射线总量会提高81倍……

1893年,德国物理学家威赫姆·韦恩又指出,任何发热物体所产生的射线光谱范围都是一定的,光谱范围在物体温度升高时,依次由红到紫而改变颜色,一般情况下:600℃时是深红色;1000℃时是鲜红色;1500℃时是玫瑰色;3000℃时是橙黄色;5000℃时为草黄色;6000℃时为黄白色;12000~l5000℃时为白色;25000℃以上时是蓝白色。而太阳的光谱线位置正处于黄区,由此得知,太阳表面温度约为6000℃。

不过,只能表明太阳表面的温度是6000℃。根据对地球的认识,科学界认为,任何一个星球内部的温度都比其表面的温度要高,这一法则同样适用太阳。既然太阳表面温度就与地心温度类似,同时由于太阳的质量巨大,其内部产生的压力是远远大于地球内部的,因此科学界认为,太阳内部的温度比木星内部50000℃还要高。

太阳内部到底有多热

20世纪20年代,英国天文学家阿瑟·斯坦莱·爱迪生找到了太阳温度的答案。首先他将太阳设想为一个巨大的高温气球,太阳上各种物质在重力的作用下将产生向其内部运动的趋势。如果内部气体含量过小,那么因重力作用,这个气球就会急剧收缩。而事实上,太阳直到今天也没有收缩。因此,爱迪生认为,太阳本身存在某种强大力量使其保持坚固结构并能有效阻止其收缩。他认为,这些现象都归因于热现象的作用。

爱迪生通过在地球上的实验得出结论:气体体积在温度升高时会逐渐膨胀。因此,他认为太阳每时每刻的状态都保持一种平衡,其内部蕴含的热量使其产生扩张的趋势,而同时它在重力的作用下,又产生了收缩的趋势。由于这种平衡的作用,太阳将永远稳定地存在下去。

根据对太阳重力的计算,爱迪生大致求出了在保持平衡状态下太阳本身所必须具备的热量。使他大为吃惊的是,太阳内部的温度竟会达到百万数量级。而如今较权威的数据显示,太阳的温度能达到1500万℃。

小知识——太阳常用数据

太阳质量=1.9891×1033克

太阳半径R=6.96265×105千米

太阳表面积=6.087×1012平方千米

太阳体积=1.412×1018立方千米

太阳平均密度=1.409克·厘米-3

太阳常数f=1.97 卡·厘米-2·分-1

太阳表面有效温度=5770 K

日地距离:

日地平均距离(天文单位)=1.49597870×1011 米(1亿5千万千米)

日地最远距离=1.5210×1011 米

日地最近距离=1.4710×1011 米

太阳自转会合周期:

赤道=26.9天

极区=31.1天

光谱型:G2V

目视星等=-26.74 等

绝对目视星等=4.83 等

热星等=--26.82 等

绝对热星等=4.75 等

太阳表面重力加速度=2.74×104 厘米/秒2

太阳表面脱离速度=618千米/秒

太阳中心温度=1.5×107K

太阳中心密度=160·厘米-3

地球附近太阳风的速度=450千米/秒

太阳运动速度(方向α=18h07m,δ=+30°)=19.7千米/秒

太阳年龄≈5.45×109年

太阳活动周期=11.04 年

太阳的内部结构什么样

光辉灿烂的太阳,不仅时刻都在发光,还永不停歇地向外发射着巨大的能量。那么,太阳里里外外究竟什么样?它具有怎样的结构呢?

根据太阳的距离,天文学家确定出了它的直径是地球的109倍,为139万千米,体积则是地球的130万倍。因此可以说,太阳是一个炽热发光的气体团,根据太阳大气不同深度的不同性质和特征,天文学家把它从里向外分为几个层次。

日核——太阳的中心

太阳的中心部分称为日核,它的半径大约占整个太阳半径的四分至于。虽然日核不算大,但集中了太阳的大部分质量,而且太阳的光和热也都是从这里发出的。理论研究表明,在氢原子核聚变为氦的过程中,这些光和热释放出来,因此,日核也叫做“核反应区”。太阳的主要成分是氢,从而也为氢核聚变反应提供了足够的燃料。

辐射区

日核外面的一层称为辐射区,它能以辐射的形式将日核产生能量传送到外面。它的范围从0.25个太阳半径到0.86个太阳半径处,温度大约为70万K,要比太阳核心低很多。从体积来说,辐射区占整个太阳体积的绝大部分。

对流区

除了需要辐射外,太阳内部能量向外传播时,还有对流过程。从太阳0.86个太阳半径向外到达太阳大气层的底部的这一区间,叫做对流层。这一层气体的性质很不稳定,变化很大,有着明显的上下对流运动。对流产生的结构像气泡一样,就是我们在太阳大气光球层中看到的“米粒组织”。

太阳大气层

太阳内部结构的最外层是对流区,对流层的外面就是太阳大气层。从里向外太阳大气层又可分光球、色球和日冕。我们看到耀眼的太阳,就是太阳大气层中光球发出的强烈的可见光。

光球层属于太阳大气层中的最低层或最里层,位于对流层的外面,约厚500千米。我们说太阳表面平均温度约6000℃,指的就是这一层的巍峨密度。

光球之外就是色球。由于平时地球大气可以散射强烈的光球可见光,色球便在蓝天之中被淹没了。我们只有在日全食时,才可能看到色球红艳的面貌。作为充满磁场的等离子体层,太阳色球厚约2500千米,从里向外温度逐渐增加,与光球顶衔接的部分约4500℃,到外层可达几万摄氏度。随高度的增加,光球的密度逐渐降低,整个色球层的结构也很不均匀。太阳高层大气由于磁场的不稳定性经常产生爆发活动,产生如耀斑等现象。

作为太阳大气层的最外层。日冕中的物质也是等离子体,密度也没有色球层高,但它的温度高于色球层,能达到上百万摄氏度。日全食时,在日面周围我们看到的放射状的非常明亮的银白色光芒,就是日冕,我们在后面也会详细介绍。

新知博览——米粒组织

作为太阳光球层上的一种日面结构,米粒组织呈多角形小颗粒状。米粒组织显得比较明亮易见,因为它的温度比米粒间区域的温度约高300℃。虽说它们是小颗粒,但实际直径大的甚至可达3000多千米,一般情况下也有1000~2000千米。明亮的米粒组织很可能是从对流层上升到光球的热气团,分布均匀且不随时间变化,呈激烈的起伏运动。上升到一定的高度时,米粒组织很快就会变冷,并马上沿着上升热气流之间的空隙处下降。

米粒组织的寿命非常短暂,平均只有几分钟,产生到消失的过程几乎比地球大气层中的云消烟散还要快。此外,近年来发现的超米粒组织寿命约为20小时。有趣的是,新的米粒组织在老的米粒组织消逝时,会在原来位置上很快出现。这种连续现象类似于我们在煮米粥时所看到的不断地上下翻腾的热气泡。

太阳的能量来自何处

作为宇宙里的一颗硕大、炽热的恒星,太阳可以辐射出大量的能量,其中一部分能量到达地球后可以成为人类开发利用的一种新能源。可以毫不夸张地说,地球上人类迄今为止利用的主要能量,都直接或间接地来自太阳。

而既让人高兴,又令人费解的是,在人类有史可查的漫长岁月中,太阳光和热都未见有丝毫的减弱,我们不禁要问:如此巨大而持久的能量,到底是从哪里来的呢?

燃烧说

对于太阳的能量来源,古往今来就众说纷纭,首先出现的就是“燃烧说”,这也是一种最原始也最朴素的猜测。

在“燃烧说”看来,太阳通过燃烧内部物质来发光发热。有人曾把太阳设想成一只巨大无比的“煤炉”,发出强光和辐射热量的过程类似煤炭燃烧。不过,科学测量的成果告诉我们,太阳表面温度高达6000℃,而由碳和氧发生化学反应生成二氧化碳的“燃烧”很难能达到如此高的温度。同时,根据测量数据,以功率单位瓦计算的话,太阳每秒的辐射能量可达3.9×1026瓦,这样大得惊人的天文数字是绝对不可能靠普通的燃烧来维持的。再者,如果太阳是靠这种化学反应能来维持的话,那它最多也就能燃烧几千年,可是太阳到今天为止已经存在了45亿年,并且仍然没有衰退的迹象。由此可见,“燃烧说”是站不住脚的。

流星说

在燃烧说被推翻后,又有人提出了流星说,认为太阳周围稠密的流星以可观的宇宙速度撞击太阳,从而将动能转变为太阳的热能。