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太阳质量约为地球的33.2万倍。
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太阳表面的重力约为地球表面重力的28倍。假如人可以到太阳上面去,一个常人将有两吨重而被自己的重量压倒。
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太阳对于我们异常重要,因为它是光和热的伟大来源。假如没有它,不仅世界要被无尽的黑夜包围,而且在极短时间中将陷于永恒的寒冷。我们都知道在晴朗的夜间,地面会将日间从太阳吸收来的热量又散发回空中去,要比较冷些。如果没有日间的输入,热量就要持续地消失。我们可以想象一下突然失去了太阳的情形:先是失去了绝大多数的光明,月亮和相对明亮一些的行星同时也变得暗淡,以至于我们根本无法发现其存在。而天空则布满平时很难看到的满天繁星——可惜它们却太过遥远而不能给我们带来多少光明和温暧。这时候,你开始觉得有点冷了——或许像冬天的夜。但这仅仅是开始,因为不会再有黎明的到来,气温还是会持续下降,一直到比我们的两极还要寒冷。由于没有阳光,光合作用将停止,植物当然不能生长——不过这已经不再重要了,持续降低的温度很快就会把所有的生物冻死。水是储存热量的很好的容器,所以海洋的温度会降低得慢一点。但是不出几个月,所有的大洋都将变成一个大冰坨子。当温度再持续下降的时候,大气就开始液化,最后地球成为一个银白色的死寂星球——在长达数个世纪的降温之后,地球的温度绝对不会超过2K(零下271.15摄氏度)。
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还是让思维回到现实中,看看带给我们温暖的太阳吧。
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我们平常看见的太阳表面叫做“光球”(photosphere),这样就不至于和外面的几乎透明的一层以及内部看不见的部分相混淆。肉眼看来,光球好像各部分完全一样,但在加了滤光镜的望远镜中看来,全表面则都有斑点。在更细致的观测下我们发现,这是由于有很多不规则小颗粒布满全光球的缘故。
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当我们比较光球各部分的光度时,发现整个圆面的中心比边缘明亮。这种差别不用望远镜也可看出来。只要我们用一块黑玻璃遮住眼睛,或者在傍晚浓厚的霞彩中去望落日,很容易发现,越靠近太阳的边缘亮度就越低,到了圆面的最外边时,光的亮度大约只相当于中央的一半。另外,边缘和中心还有颜色的不同——边缘所发出的光比中心的光更显暗红。
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光球就是我们所能观察到的极限,其内部就观察不到了。光球虽然看起来如皮球表面一样光亮,它的密度却只有我们周围空气的万分之一。我们看这一层时还要透过数万千米的太阳“大气”。光球的圆面边上更黑更红的原因是由于这种大气很厚,我们所看到的是“大气”更高更冷的一层,那儿的光也就更弱更红了。
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太阳的自转
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更精确更细致的观测可以发现太阳跟地球一样也以通过其中心的一根轴为中心自西向东旋转。同地球的情形一样,我们把转轴与表面相交的两点叫做太阳的两“极”,而把在两极中间的那个最大的圈叫做太阳的“赤道”。太阳赤道的自转周期是25.4天,而太阳赤道的长度是地球赤道的110倍,因此它的自转速度是地球的4倍以上了。太阳赤道的自转速度约为每秒2 000米。
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这种自转的有趣之处是离赤道愈远的地方自转周期也愈长。在太阳的南北极附近,自转周期约为36天。假如太阳也同地球一样是固体,它的各部分的自转速度就要一致的。因此太阳就绝不可能是固体,至少在表面一层是这样。
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太阳赤道与地球轨道平面的夹角是7度。它的方向在我们看起来,春天它的北极背离我们7度,而所看见的圆面中心约在太阳赤道南边约7度;夏天秋天就轮到与此相反的一种情形。
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太阳的黑子(sun-spots)
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用望远镜观测太阳时,我们常常能看到它的表面有一些黑色的斑点——我们称为黑子。这些黑子都随着太阳自转,也就是利用了这些黑子才更容易定出它的自转周期——在圆面中央出现的黑子在6天以后就会移到西部边上,然后从那儿消失不见;约在两星期以后,如这黑子仍旧存在,它又会在东面边上出现。
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黑子的大小有很大的差别,从最好的望远镜中才看得见的微点一直到通过涂黑的玻璃就能用肉眼观测到的大块都有。它们平常都成群出现,有时虽看不见单粒黑子,而它们的集团却可以为肉眼看见。单个黑子有的直径达8万千米,最大的一群黑子竟遮住了太阳表面圆盘的1/6。
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图16 带黑子的太阳光球(上)及太阳黑子详图(下)
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一群黑子发展下去时,它们都按与太阳赤道平行的圈子展开。从太阳自转方向来说,领头的黑子大半是全体中最大的而且是寿命最长的,往往在别的都消失了以后还存在。一群黑子常常只剩下一些单个的成员。一群中最后生成的也往往很大。黑子中央更暗的部分叫做“本影”(um bra),边上较亮的部分叫做“半影”(penumbra)。在分散的过程中,黑子分裂成一些很不规则的碎片。400年来的太阳黑子的观测(我国对太阳黑子的观测可追朔到《周易》中的“日中见斗”和“日中见沫”,不过确切的记录是在汉成帝河平元年,即公元前28年;西方一直到1611年伽利略使用望远镜时才看到太阳黑子),使我们知道了太阳黑子的频数是有一定规律的,周期约为11年一次。有些年份太阳上面很少黑子,甚至没有。1912年如此,1923年又如此。第二年出现的黑子数目就增多了一些;一年一年增加下去,其顶峰一般出现在5年后。以后又一年一年渐渐减少,直到周期满了才又增加。伽利略时代的人们就发现了这一变化,到了1843年由施瓦布(Schwabe)确立了它们的周期率。
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太阳黑子数目改变的周期也是那更普遍的11年循环周期之一,这种周期是太阳与地球上的许多现象都依从的:深红的“日珥”(prominences)在太阳黑子最多时也最常出现;“日冕”(corona)随黑子的增加或减少而改变形状;地球上的“磁暴”(magnetic storm)——扰乱无线电信号传输和毁坏一些精密的电子设备的元凶——也和黑子一同增加强度与发生的频率;“极光”(aurora)也在黑子最多时更频繁而壮观地出现;气候则在这周期中会发生少许变化。
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太阳黑子的出现及其周期性很显然与太阳的磁场有关。当前流行的太阳发电机理论试图通过研究太阳对流层中的流体运动和磁场的相互作用,来解释这种周期性以及太阳磁场的维持。1919年拉莫尔(Lamor)提出了太阳发电机的概念。1955年帕克(Paker)提出了自激发电机理论,奠定了湍流发电机理论的物理基础。按照这种理论,太阳黑子出现在磁场很强的太阳活动区,内部的相互作用会产生周期性振荡,并伴随出现表面磁场的细微变化。
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太阳黑子的出现还有一条很有意思的规律:黑子并不是散布在太阳的全部表面上,而是在太阳纬度上的某些部分才有。在太阳的赤道上,黑子并不常见,可是离赤道向北或向南就逐渐多了起来,南、北纬15度到20度是黑子出现最多的地方,再远又开始逐渐减少,30度以上就很少出现了,这区域如图17所示。如果我们用一个圆代表太阳,每观察到一个黑子就在相应的地方加一点,若干年后我们就会得到如图17这样的图形了。
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图17 太阳黑子的纬度分布
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与黑子相反,太阳表面还常常出现一些较光球更明亮的斑点,这些斑点经常在黑子附近出现,这就是所谓的“耀斑”(facula)。
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